Motores de Combustión Interna: Funcionamiento, Componentes y Optimización

El Principio de Funcionamiento del Motor de Combustión Interna

El motor de combustión interna transforma la energía química, almacenada en el combustible, en energía térmica durante la combustión y, finalmente, en energía mecánica. Este proceso de transformación requiere un ajuste muy preciso y detallado de todos los procesos que intervienen.

Disciplinas Fundamentales en el Diseño de Motores

Física

Estudia y explica los procesos de combustión, los cuales respetan sus leyes fundamentales.

Fluidodinámica

Determina la eficiencia en el llenado y vaciado de gases del motor.

Termodinámica

Intenta explicar cómo sucede y se aprovecha la combustión para generar trabajo.

Mecánica

Influye directamente en cómo se construyen e interactúan las piezas móviles del motor.

Sistemas de Inyección Electrónica (EFI)

Los sistemas de inyección de combustible (EFI) actuales, que son típicamente electrónicos, indirectos, secuenciales y multipunto, han evolucionado constantemente en busca de:

• Mayor precisión y efectividad.
• Más fiabilidad y menos mantenimiento.
• Mayor compacidad (menos peso y tamaño).
• Más rapidez de procesado.

Clasificación de los Sistemas de Inyección

La tecnología aplicada a los diferentes sistemas (mecánicos, electromecánicos, electrónicos) permite clasificarlos según varios criterios:

• Tipo de accionamiento: Mecánico, Electromecánico, Electrónico.
• Ubicación del inyector: Directa, Indirecta.
• Modo de inyección: Continuo, Intermitente (Simultánea, Semi-secuencial, Secuencial).
• Número de inyectores: Monopunto, Multipunto.

La Unidad de Control del Motor (ECU) y sus Sensores

Básicamente, la ECU necesita conocer la siguiente información en tiempo real para gestionar el motor:

Entradas Principales (Inputs)

• Acelerador: Si abre, cierra o se mantiene estable, y con qué velocidad varía.
• Revoluciones por Minuto (RPM): Si suben, bajan o se mantienen, y con qué velocidad varían.
• Presión de Admisión (MAP): Si sube, baja o se mantiene estable, y con qué velocidad varía.

Sensores Secundarios

Además de los principales, la ECU utiliza una variedad de sensores secundarios para afinar el funcionamiento:

• Sensor de Presión (MAP): Mide también la presión atmosférica.
• Sensores de Temperatura (tºC): Del refrigerante y del aire de admisión.
• Sonda Lambda (λ): Mide el oxígeno en los gases de escape.
• Sensor de caída.
• Sensor de velocidad de marcha insertada.
• Sensor de detonación (Knock Sensor).

El Proceso de Combustión: La Clave del Rendimiento

De una combustión eficiente dependen directamente el rendimiento y la manejabilidad del motor térmico. La fórmula básica es:

COMBURENTE (O₂) + COMBUSTIBLE (C₈H₁₈) + IGNICIÓN (chispa) = COMBUSTIÓN

El Dosado: Relación Aire/Combustible

El dosado es la relación en peso entre la cantidad de aire y gasolina necesaria para la combustión. Se expresa como:

Dosado teórico = masa de aire teórica (gr) / masa de gasolina teórica (gr)

Según esta relación, la mezcla se clasifica en:

• Mezcla rica: Falta de aire o exceso de combustible (ej: 1/13).
• Mezcla estequiométrica: Proporción equilibrada (ej: 1/15).
• Mezcla pobre: Exceso de aire o falta de combustible (ej: 1/17).

Para que el motor funcione, la mezcla debe estar en un rango aproximado de 1/8 a 1/21. Hoy en día, las mezclas se designan por el coeficiente de aire Lambda (λ):

λ = masa de aire real (gr) / masa de aire teórica (gr)

La Ignición: Sincronización y Duración

Una combustión eficiente no solo depende de un buen dosado, sino también de un ajuste preciso del inicio y la duración de la ignición. El objetivo es conseguir la presión máxima de combustión justo después de que el pistón supere el Punto Muerto Superior (PMS).

Algunos datos genéricos para entender la rapidez de estos procesos:

• Formación de chispa: 0,005 a 0,010 segundos.
• Duración del tiempo de inyección: 0,005 a 0,020 segundos.
• Velocidad máxima del pistón: 20,0 m/s.
• Duración del proceso de combustión: 0,010 a 0,040 segundos.

Sensores Clave y sus Actuaciones (Outputs)

• El sensor de RPM informa a la ECU para determinar la actuación sobre el momento y la duración de la chispa en la bujía.
• El sensor MAP informa a la ECU del estado de presión en el conducto de admisión.
• El sensor de posición del acelerador (TPS) informa a la ECU del grado de apertura del mismo.

El resultado combinado de estas señales determina la actuación sobre el momento y la duración de la inyección de gasolina.

Mapeo, Ajuste y Optimización del Motor

Ajuste en Banco de Pruebas

Para el ajuste preciso se utilizan herramientas como el montaje de sensores sobre la base de la bujía, bujías especiales "sensoras" o sistemas de medida directa en la cámara de combustión (ej: KISTLER).

Mapas de Inyección

La ECU utiliza mapas predefinidos para gestionar la inyección. Los tipos más comunes son:

• Tipo #1 – Mapa “α – n” (Alpha-N): Determina el tiempo de inyección basándose en la información del sensor TPS (α, posición del acelerador) y el sensor de RPM (n).
• Tipo #2 – Mapa “p – n” (Speed-Density): Determina el tiempo de inyección basándose en la información del sensor MAP (p, presión de admisión) y el sensor de RPM (n).

Lo más común es encontrar mapas híbridos que combinan ambas características de funcionamiento (“α – n” y “p – n”).

¿Cómo se Optimiza el Proceso de Combustión?

La optimización se puede abordar desde diferentes áreas:

• Mejoras Fluidodinámicas: Optimizando el llenado, la preparación de la mezcla y el vaciado de gases (sistemas de escape y admisión).
• Mejoras Termodinámicas: Modificando la distribución (árbol de levas) y la forma de la cámara de combustión.
• Mejoras Mecánicas: Reduciendo las fricciones internas de las piezas móviles del motor.

Opciones para la Reprogramación de la ECU

Para modificar el comportamiento del motor, existen diferentes enfoques a nivel de la ECU:

• ECUs Sustitutivas: Reemplazan la unidad original y son 100% programables.
• Modificadores de la información de entrada (INPUTS): Alteran las señales de los sensores antes de que lleguen a la ECU.
• Modificadores de la actuación de salida (OUTPUTS): Interceptan y alteran las señales que la ECU envía a los actuadores (inyectores, bobinas, etc.).