Motores de Combustión Interna Alternativa: Funcionamiento y Tipos (Otto y Diésel)

Motores de Combustión Interna Alternativa (MCIA)

Los motores de combustión interna alternativa son máquinas térmicas que transforman la energía química almacenada en un combustible en trabajo mecánico. Este proceso se lleva a cabo mediante la combustión de una mezcla de aire y combustible dentro del motor. El término "alternativo" se refiere al movimiento lineal del pistón dentro de un cilindro, que se convierte en movimiento rotativo a través de un mecanismo de biela y cigüeñal.

Componentes y Funcionamiento Básico

• Pistón: Se mueve alternativamente dentro del cilindro.
• Cilindro: Contiene el pistón y la mezcla aire-combustible.
• Punto Muerto Superior (PMS): Posición más alta del pistón en el cilindro.
• Punto Muerto Inferior (PMI): Posición más baja del pistón en el cilindro.
• Carrera: Distancia entre el PMS y el PMI.
• Biela y Cigüeñal: Mecanismo que transforma el movimiento lineal del pistón en rotativo.
• Relación de Compresión Volumétrica (ε): ε = V1/V2, donde V1 es el volumen en el PMI y V2 en el PMS.
• Cilindrada: Diferencia entre V1 y V2 (V1 - V2).

Ciclos de los Motores de Combustión Interna Alternativa de 4 Tiempos

En los motores de 4 tiempos, el cigüeñal realiza dos vueltas completas por cada ciclo. Estos motores pueden ser de encendido provocado (MEP, como los motores Otto) o de encendido por compresión (MEC, como los motores Diésel).

• Admisión: El pistón desciende del PMS al PMI, creando una depresión que introduce la mezcla aire-combustible (en MEP) o aire (en MEC) en el cilindro. La válvula de admisión se abre antes de que el pistón comience su descenso y se cierra después.
• Compresión: El pistón asciende del PMI al PMS, comprimiendo el fluido de trabajo. Las válvulas de admisión y escape permanecen cerradas. Esta compresión mejora el rendimiento del motor.
• Combustión-Expansión:
  • MEP (Otto): Una chispa de la bujía enciende la mezcla comprimida.
  • MEC (Diésel): El combustible se inyecta en el aire comprimido y caliente, autoencendiéndose.
  La combustión genera gases a alta presión que empujan el pistón hacia el PMI, produciendo trabajo mecánico.
• Escape: El pistón asciende del PMI al PMS, expulsando los gases quemados a través de la válvula de escape, que se abre antes de que el pistón inicie su carrera ascendente.

Fundamentos Termodinámicos de los MCIA

El estudio de los MCIA implica considerar varios factores que afectan su rendimiento:

• Irreversibilidades en la admisión y el escape.
• Turbulencias internas.
• Pérdidas de calor por refrigeración.
• Variabilidad de la capacidad calorífica con la temperatura.
• Disociación en la combustión.
• Velocidad de combustión.
• Retardo en el encendido.

Conceptos Clave

• Transformación Termodinámica: Sucesión de estados por los que pasa un sistema durante un cambio. Se representa en diagramas termodinámicos, como el diagrama p-v (presión-volumen).
• Ciclo Termodinámico: Secuencia de transformaciones que devuelven el sistema a su estado inicial.
• Ciclo de Aire Equivalente: Modelo simplificado que asume que el fluido de trabajo es aire en todas las transformaciones. Esta hipótesis se utiliza en el estudio de los ciclos Otto y Diésel.

Ciclo Otto (MEP)

En los motores Otto (normalmente de gasolina), la compresión se realiza sobre la mezcla aire-combustible. La combustión se produce, teóricamente, a volumen constante. El rendimiento térmico (η) se calcula como:

η = W/Q1 = 1 - (Q2/Q1) = 1 - (1/ε^(γ-1))

Donde:

• ε = Relación de compresión volumétrica.
• γ = Coeficiente adiabático.

Ciclo Diésel (MEC)

En los motores Diésel, la compresión se realiza solo con aire, permitiendo relaciones de compresión más altas que en los motores Otto. La combustión se produce, teóricamente, a presión constante. Se introduce el concepto de grado de combustión isobárica (ρ).

Ciclo Mixto o de Presión Limitada

Este ciclo es una representación más realista del funcionamiento de los motores de combustión interna, tanto de gasolina (Otto) como diésel. Combina características de ambos ciclos, con una parte de la combustión a volumen constante y otra a presión constante. Se introduce el concepto de grado de combustión isócora (α).

El rendimiento de los motores aumenta con la relación de compresión. Para un valor determinado de relación de compresión, el ciclo Otto tiene el mayor rendimiento teórico. Sin embargo, para relaciones de compresión más altas (típicamente entre 14 y 22), el ciclo Diésel presenta un mejor rendimiento.