Fundamentos Termodinámicos: Motores de Combustión Interna y Ciclos de Refrigeración

Principios Fundamentales de Motores Térmicos y Sistemas de Refrigeración

El Ciclo de Cuatro Tiempos en Motores de Combustión Interna (MCI)

El motor de combustión interna de cuatro tiempos es la base de la mayoría de los vehículos modernos. El ciclo completo requiere dos vueltas del cigüeñal y cuatro carreras del pistón entre el Punto Muerto Superior (PMS) y el Punto Muerto Inferior (PMI).

1. Primer Tiempo: Admisión

   El pistón desciende desde el PMS, creando un vacío en el cilindro. La válvula de admisión se abre, permitiendo la entrada de aire o de la mezcla aire-combustible (gaseosa) al cilindro.

2. Segundo Tiempo: Compresión

   La válvula de admisión se cierra cuando el pistón alcanza el PMI. El pistón comienza a subir, comprimiendo la carga (aire o mezcla) hasta el PMS.

3. Tercer Tiempo: Combustión y Expansión (Tiempo de Trabajo)

   Poco antes de finalizar la carrera de compresión, se inflama el combustible (por chispa en gasolina o por autoencendido en diésel), lo que aumenta drásticamente la presión y la temperatura. El pistón es empujado de nuevo hacia abajo, produciéndose trabajo mecánico.

4. Cuarto Tiempo: Escape

   Cuando el pistón llega al PMI, se abre la válvula de escape. El pistón sube y los gases de la combustión son expulsados al exterior. Al llegar al PMS, la válvula de escape se cierra y se abre la de admisión, iniciando un nuevo ciclo.

Diferencias Clave: Motores Diésel vs. Motores de Gasolina

Aunque ambos siguen el ciclo de cuatro tiempos, sus métodos de encendido y las relaciones de compresión varían drásticamente:

• Motor Diésel (Encendido por Compresión):
  • En la admisión, solo entra aire puro.
  • No lleva bujía ni sistema de chispa.
  • La explosión (autoencendido) se produce cuando se inyectan unas gotas de gasóleo debido a las altas presiones.
  • Relación de Compresión (R_c) típica: 14 a 20.
• Motor de Gasolina (Encendido Provocado):
  • En la admisión, entra una mezcla de aire y gasolina.
  • La explosión se realiza por una chispa de la bujía.
  • Relación de Compresión (R_c) típica: 6 a 10.

Nota: La relación de compresión es significativamente más alta en los motores diésel.

Clasificación de los Motores Alternativos de Combustión Interna

Según el Sistema de Encendido

• Motores de Encendido Provocado (MEP)

  Utilizan la explosión de un combustible provocada mediante una chispa para expandir un gas, empujando así un pistón. Un motor de este tipo es el motor de gasolina o ciclo Otto.

• Motores de Encendido por Compresión (MEC)

  Se produce el autoencendido del combustible debido a las altas temperaturas derivadas de la compresión del aire en el interior del cilindro. Un motor de este tipo es el Diésel, que utiliza gasóleo como combustible.

Según el Número de Carreras por Ciclo

• Motores de Cuatro Tiempos

  Realizan el ciclo completo en cuatro carreras de pistón (dos vueltas del cigüeñal): Admisión, Compresión, Combustión/Expansión y Escape.

• Motores de Dos Tiempos

  El ciclo completo se realiza en dos carreras de pistón (una vuelta del cigüeñal). Los tiempos se solapan: 1º tiempo: Expansión y Escape. 2º tiempo: Admisión-Compresión y Combustión.

Funcionamiento Detallado del Motor Diésel

En los motores diésel no existe carburador ni sistema de encendido por chispa. El motor admite aire puro a la presión atmosférica y lo comprime adiabáticamente hasta presiones de 40 a 50 atmósferas y temperaturas de 600 ºC. En este punto, se introduce gasóleo en el cilindro a elevada presión de forma controlada mediante una bomba inyectora, con lo que la mezcla se inflama a presión constante.

Cuando la combustión llega aproximadamente a la décima parte de su recorrido, cesa la inyección de gasóleo y se expande adiabáticamente, produciéndose trabajo. En el momento en que el émbolo alcanza el PMI, se abre la válvula de escape y la presión desciende hasta 1 atm. A continuación, los gases son expulsados al exterior, iniciándose de nuevo el ciclo. (Dibujo esquemático del ciclo Diésel)

La Máquina Frigorífica: Componentes Esenciales

Una máquina frigorífica opera mediante un ciclo termodinámico que transfiere calor de un espacio frío a uno caliente. Sus elementos principales son:

• Compresor

  Aumenta la presión y la temperatura del refrigerante en estado gaseoso, preparándolo para la condensación.

• Condensador

  Es un intercambiador de calor (situado en el exterior del frigorífico). En él, el refrigerante a alta presión y temperatura disipa el calor absorbido en el evaporador más la energía aportada por el compresor. El refrigerante cambia de fase, pasando de gas a líquido, cediendo calor al ambiente.

• Dispositivo de Expansión (Válvula o Capilar)

  El refrigerante líquido entra en este dispositivo donde reduce bruscamente su presión. Debido a ello, se reduce su temperatura, y pasa de líquido a vapor con absorción de calor. Al absorber calor, tiende a evaporarse, pero se evapora en el interior del frigorífico.

• Evaporador

  Es un intercambiador de calor situado en el interior del recinto a enfriar. El refrigerante a baja temperatura y presión absorbe el calor del recinto donde está situado. El refrigerante líquido que entra al evaporador se transforma en gas al absorber el calor.

• Termostato

  Es el regulador de la temperatura. Controla el funcionamiento del sistema, manteniendo el ciclo activo hasta que las pérdidas de calor sean iguales a la capacidad de enfriamiento.

(Dibujo esquemático del sistema de refrigeración)