Sistemas de Refrigeración y Motores de Dos Tiempos: Funcionamiento y Características

Sistemas de Refrigeración en Motores de Combustión Interna

Función de la Refrigeración

Con el fin de obtener un buen rendimiento térmico durante el proceso de combustión, se generan temperaturas muy altas, pudiéndose superar de forma instantánea los 2.000ºC. Estas temperaturas tan elevadas podrían originar grandes dilataciones y deformaciones permanentes si no se dispone de un sistema de refrigeración adecuado. Los elementos más afectados por el calor son los que quedan próximos a la cámara de combustión: la parte alta del cilindro, la cabeza del pistón, la culata y las válvulas, especialmente las de escape. El calor pasa a través de ellos y debe ser evacuado hacia el exterior en cantidad suficiente para que queden protegidos. Por esta razón, estos componentes deben ser buenos conductores del calor.

La función de la refrigeración es mantener el motor dentro de unos límites de temperatura que no perjudiquen a sus componentes y, a la vez, lograr un buen aprovechamiento del calor obtenido en la combustión. Esta temperatura óptima, denominada temperatura de régimen, es en la que se dan las condiciones de funcionamiento y mejor rendimiento del motor. Por lo tanto, el sistema de refrigeración debe permitir alcanzar esta temperatura con rapidez y mantenerla independientemente de las condiciones ambientales. Con temperaturas superiores, empeora la carga de los cilindros y aumenta el riesgo de autoencendido en los motores Otto.

Tipos de Sistemas de Refrigeración

Los sistemas utilizados habitualmente para realizar la refrigeración pueden ser:

• Refrigeración por aire: Para facilitar el acceso del aire, el bloque de estos motores está constituido por cilindros independientes. A su alrededor, se funden unas aletas cuyo objetivo es aumentar la superficie, tanto en cilindros como en la culata, lo que permite que haya más cantidad de aire en contacto con las zonas calientes. Las aletas se disponen sobre el motor de manera uniforme; sus dimensiones y formas dependen de las características del motor y de la cantidad de calor que deben evacuar. Así, sobre la culata y la parte alta del cilindro, las aletas son de mayor tamaño y disminuyen en su parte baja. La cantidad de calor evacuado no solo está en función de la superficie, sino también del volumen de aire que circula a través del motor.
  • Ventajas: Su sencillez conlleva a un menor número de averías, menor peso y menor coste. Las temperaturas de régimen se alcanzan más rápidamente y se mantienen temperaturas más altas, por lo que el rendimiento térmico es mayor.
  • Inconvenientes: Las mayores temperaturas obligan a aumentar el juego de montaje entre las piezas. Los riesgos de autoencendido crecen y empeora el llenado de los cilindros. El motor es más ruidoso al no existir las cámaras de agua que amortiguan el ruido; por el contrario, las aletas lo amplifican.
• Refrigeración por agua: Utiliza un líquido a base de agua como medio para extraer el calor del motor y transportarlo hasta el radiador, donde es cedido al aire. Este método tiene la ventaja de que proporciona una refrigeración más eficaz y uniforme, permitiendo mantener la temperatura más estable. El líquido refrigerante se desplaza por un circuito cerrado entre el motor y el radiador. Este líquido es impulsado por una bomba centrífuga que lo hace circular por las cámaras practicadas en el bloque, alrededor de los cilindros y por la culata, rodeando las cámaras de combustión. Parte del calor es transmitido al líquido, que pasa al radiador y lo recorre, cediendo calor al aire que lo atraviesa. La corriente de aire es suministrada por el ventilador y por el viento de la marcha. Una vez refrigerado, el líquido vuelve al motor para repetir el recorrido.

El Motor Otto de Dos Tiempos

Generalmente, son motores con cilindrada que no supera los 350 cm³. Se emplean en motocicletas, ciclomotores y pequeños motores fuera borda. También se utilizan para accionar maquinaria como motosierras, cortacésped y pequeños generadores eléctricos. El intercambio de gases en el cilindro se realiza a través de lumbreras, por lo que carece de sistema de distribución. El barrido se lleva a cabo gracias a la presión que adquieren los gases a su paso por el cárter. La refrigeración puede hacerse por aire o por agua, y el engrase se realiza mezclando aceite con el combustible. Al igual que el motor de 4 tiempos, consume una mezcla de aire y gasolina, y dispone de un sistema de encendido eléctrico.

Constitución del Motor de Dos Tiempos

El motor de dos tiempos está constituido por el tren alternativo, formado a su vez por el pistón, la biela y el cigüeñal. La culata es muy sencilla, ya que carece de válvulas y conductos; únicamente se monta la bujía en el centro de la cámara de combustión. En la parte baja del cilindro, se practican tres ventanas o lumbreras por las que se realiza el intercambio de gases en el cilindro. Las lumbreras de escape y transferencia se posicionan sobre el cilindro de manera que, cuando el pistón desciende, primero cubre la de escape y a continuación la de transferencia. En orden inverso sucede cuando asciende. Esto significa que la compresión comienza cuando el pistón cubre por completo la lumbrera de escape. El cárter en estos motores es hermético y no contiene aceite, puesto que en él se comprimen los gases de admisión para ser bombeados al cilindro a través de la lumbrera de transferencia.

Ciclo de Trabajo del Motor de Dos Tiempos

Primer tiempo:

El pistón comienza su ascenso desde el Punto Muerto Inferior (PMI). Los gases quemados salen por la lumbrera de escape, barridos por los gases frescos procedentes del cárter. El pistón cierra la lumbrera de transferencia, lo que provoca un vacío en el cárter. Cuando se abre la lumbrera de admisión, el cárter se llena con mezcla fresca de aire y gasolina. Se cierra la lumbrera de escape y comienza la compresión. Antes de que el pistón llegue al Punto Muerto Superior (PMS), salta una chispa en la bujía, iniciando la combustión de la mezcla comprimida.

Segundo tiempo:

Una vez superado el PMS, la expansión de los gases genera una fuerte presión que hace descender el pistón. Primero, descubre la lumbrera de escape y salen los gases a gran velocidad debido a la presión que aún existe dentro del cilindro. Al mismo tiempo, la parte inferior del pistón comprime la mezcla introducida en el cárter. Inmediatamente después, se descubre la lumbrera de transferencia y los gases pasan a través de ella desde el cárter hasta el cilindro con una presión de 0,4 a 0,8 BAR, y se produce el efecto de barrido, por el cual los gases frescos empujan a los gases quemados hacia la lumbrera de escape.

Ventajas e Inconvenientes de los Motores Rotativos

La ventaja principal de los motores rotativos es que la rotación se genera directamente en el pistón, por lo que se obtiene un par muy uniforme y un funcionamiento sin apenas vibraciones que puede alcanzar un elevado número de revoluciones. Utiliza muy pocas piezas en movimiento, ya que no necesita cigüeñal, bielas, pistones, válvulas ni árbol de levas, por lo que resulta de una gran simpleza mecánica y peso reducido. Además, se consigue una alta potencia específica. Uno de los inconvenientes que ha presentado el motor rotativo es un alto consumo de combustible a cargas parciales. Esto trata de superarse disponiendo, además de las lumbreras radiales, unas lumbreras laterales que son alimentadas mediante un sistema de admisión variable que regula la carga en diferentes fases según el número de revoluciones del motor. Otro problema reside en las dificultades que presentan los segmentos para conseguir una buena estanqueidad en las cámaras y una larga duración. El diseño de segmentos de bajo rozamiento y el empleo de materiales de mayor resistencia al desgaste han mejorado notablemente este inconveniente. Actualmente, se fabrican motores rotativos Wankel con un nivel de desarrollo en cuanto a prestaciones y fiabilidad comparable al motor de pistón alternativo. El empleo de este tipo de motor en automoción es en la actualidad muy reducido.