FUNCIONAMIENTO BÁSICO DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA

El motor, para poder funcionar adecuadamente, requiere de la formación de una mezcla aire - combustible, que es introducida en cada cilindro, comprimida e inflamada, generara la presión necesaria dentro de dicho cilindro para mover el pistón, el pistón por medio de una biela hace girar el cigüeñal, y este comunica el giro las ruedas, pasando por la caja de velocidades y el diferencial, produciéndose el desplazamiento del pistón cómo resultado de la presión del cilindro, es necesario expulsar los gases quemados, reemplazarlos por mezcla fresca y reiniciar el ciclo. 

Podemos mencionar dos tipos clásicos de motores:

Motores a nafta (ciclo Otto) en el cual la combustión de la mezcla y el aire se realiza en forma explosiva con la necesidad de una chispa, la cual se encarga de suministrar el sistema de encendido, por eso se lo conoce cómo motor a explosión.

Motor a gasoil (ciclo diesel) en el cual se realiza la compresión solamente del aire y luego una inyección de un aceite pulverizada lo que produce una combustión más lenta.

Generalmente se lo denomina de 4 tiempos cuando completa el ciclo  con 4 movimientos del pistón:

1- Carrera de Admisión

2- Carrera de Compresión

3- Carrera de Expansión

4- Carrera de Escape

CICLO OTTO

Ciclo ideal Otto:

   El tipo de fluido que evoluciona este tipo de motor es aire y combustible liviano.

Carrera de Admisión: el pistón se desplaza desde el punto muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI) manteniéndose abierta la válvula de admisión penetrando una mezcla de aire y combustible finalmente pulverizado.

Carrera de Compresión: el pistón se desplaza  desde el PMI al PMS y cómo las dos válvulas se encuentran cerradas se comprime la mezcla previamente ingresada.

Carrera de Explosión y Expansión: al llegar al PMS la mezcla se inflama por presencia de la chispa proveniente de la bujía de 10000 V.

El calor que produce está violenta combustión eleva la temperatura y la presión.

Está transformación se realiza a volumen constante, tengamos en cuenta que es muy rápida.

Aquí es donde se libera la energía del combustible y el sistema recibe un importante aporte de calor.

Estos gases a elevadas temperaturas impulsan el pistón desde el PMS al PMI produciéndose la expansión adiabática (sin intercambio de calor).

La temperatura desciende  y la presión. Cuando el pistón llega al PMI se completa otra media vuelta del cigüeñal. Poco después se abre la válvula de escape.

Carrera de escape: el pistón se desplaza desde el PMI al PMS barriendo los gases de combustión que salen a través de la válvula de escape. Cuando se abre la válvula la presión descendió

 Ciclo real Otto

En el ciclo teórico que estudiamos anteriormente no tuvimos en cuenta ciertos fenómenos que ocurren en los procesos termodinámicos como:

·        Tiempo en que se realiza la combustión

·        Evolución politrópica tanto en la compresión como en la expansión.

·        Resistencia de los conductos al paso de los fluidos.

·        Transferencias de calor de las masas metálicas  

Si tomamos el diagrama real un motor notaremos la incidencia de aquellos factores y las correcciones que se realizan con el fin de mejorar el rendimiento térmico.

Admisión : En esta carrera para lograr que la mezcla de aire combustible ingrese al cilindro, se debe vencer la resistencia del filtro de aire, carburador y conductos.

Todo esto trae como consecuencia que el pistón en su carrera descendente debe realizar un trabajo negativo, tanto mayor como sean estas resistencias antes mencionadas.

Compresión: En esta evolución la mezcla aire combustible es comprimida dentro del cilindro hasta alcanzar la temperatura optima.

Luego de esto se produce el encendido de la chispa. En el cilindro en este tipo de motores es una masa metálica refrigerada. Los elementos fundamentales que constituyen el sistema de refrigeración son el radiador, la bomba de agua termostatos y mangueras. Todo esto hace que el resultado de la transformación sea politrópica. Debemos recordar que la temperatura del motor se debe mantener dentro de cierto rango para  lograr  una efectiva lubricación de sus componentes.

Ignición: La ignición se produce por el salto de la chispa dentro del fluido comprimido a una determinada temperatura. La combustión es rápida pero no es instantánea como la pretende el ciclo teórico.

El tiempo real oscila entre 0.01-0.001 seg. , por lo tanto debemos tener en cuenta que si hacemos saltar la chispa al llegar al PMS la combustión se realizara cuando el motor esta retrocediendo, lo mencionado anteriormente produce una perdida importante en el ciclo.

Para dar solución a este problema se anticipa la chispa antes de llegar al PMS, está es lo que denomina avance al encendido, corrección en el ciclo real.

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Expansión: La expansión de los gases se produce según una transformación politrópica.

Podemos apreciar una perdida de trabajo respecto al ciclo ideal.

Escape: Finalizada la combustión de la mezcla los gases deben ser retirados del cilindro para el ingreso de la nueva mezcla y completar el ciclo.

Si esperamos abrir la válvula de escape en la coincidencia con el final de la carera de expansión la carrera de escape se iniciara con precisión dentro del cilindro. Para corregir este problema que demanda una potencia adicional  se procede a comenzar la apertura de la válvula de escape antes de finalizar la carrera de expansión, por tanto cuando iniciamos la carrera de escape la presión interna a disminuido notablemente reduciendo en gran medida el trabajo requerido para dicha operación. Como vemos en le dibujo anterior solo el 35% de la energía entregada por el combustible el motor lo transforma en trabajo útil, ósea para mover el auto.

Es importante saber que en estos tipos de motores al cilindro ya ingresa una mezcla de aire y combustible e iniciara su combustión por medio de una chispa genera da libremente. La idea es que al comprimirse la mezcla se caliente lo suficiente como para que todo el combustible mezclado con el aire se gasifique y facilite el proceso de combustión, pero que no se caliente tanto como para que sé autoinflame, lo que traería como consecuencia el temido fenómeno de la detonación o “pistoneo”.

Es necesario formar la mezcla aire/combustible ante de introducirla en el cilindro, y así lo hemos venido haciendo desde siempre por medio del carburador.  

Los sistemas de inyección electrónica, o sea motores sin carburador, donde el combustible se mezcla con el aire por medio de inyectores, el control de la combustión solo puede lograrse por medio de una cámara de combustión adecuada, por un riguroso control de la relación de aire y combustible, y por un exacto control que establezca el punto de encendido optimo para cada situación. Es de vital importancia, para lograr gases de escape transformables en el catalizador, mantener durante toda la gama de operaciones del motor una relación en peso de aire y combustible de 14.7 partes de aire por una parte de combustible, o sea 14.7:1. Algunos autores en ves de hablar de partes de aire y partes de combustible prefieren comparar la relación de aire y combustible (A/C ) química ideal o estequiométrica con la que realmente tiene el motor en cuestión y llaman a ese valor lambda. Cuando el valor de A/C teórico conocido coincida con el A/C del motor será lambda =1. Como la relación teórica también es 14.7:1, lambda =1 es exactamente el valor que deberá mantener constante el sistema de inyección para que todo funcione OK.

El principal problema con el carburador reside en que entre el y la cabeza de cilindro esta el llamado colector o múltiple de admisión, que se ocupa de distribuir la mezcla formada en el  carburador a cada uno de los cilindros. Como las gotitas de combustible no han sido entrenadas tan bien como el aire para seguir las diferentes formas que presenta el colector de admisión, el resultado es que el balance de mezcla que llega a cada cilindro es diferente. Es por ello, independientemente de otras incapacidades propias del carburador, que resulta imposible sostener el lambda =1 con un carburador. La solución viene de la mano de un sistema que se asegure de suministrar la misma cantidad de aire a cada cilindro, y que a las puertas de este se ocupe de probeerle la misma cantidad de combustible requerida para las r.p.m. del motor y la apertura de mariposa correspondiente. Eso es exactamente lo que hace un sistema de inyección multipunto.

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Ciclo Otto funcionando a GNC (Gas natural comprimido)

Para transformar un vehículo naftero sea de ciclo Otto a un motor que utilice gas natural comprimido (GNC) este debe estar en buenas condiciones de funcionamiento, es decir no presentar problemas con el motor. El GNC para ser utilizado como combustible alterno a la naftas requiere de la instalación de un equipo de conversión:

    1-Uno o varios cilindros de acero de alta resistencia para almacenar el gas

    a una presión de 200 atmósfera, equipados con válvulas con dispositivos de

    seguridad.

    2-Un regulador para reducir la alta presión del gas almacenado en los cilindros.

    3-Un mezclador de aire-gas, adaptado al carburador ya existente de la nafta.

    4-Válvulas para el llenado y control del sistema.

    5-Indicador eléctrico del contenido de GNC en los cilindros.

    6-Selector de combustible GNC / nafta.

    7-Módulo de control de encendido, que adapta la curva de encendido del vehículo a las características del GNC en el sistema dual nafta / GNC.

La conversión de un motor a nafta para operar con GNC no involucra ninguna modificación del motor o remoción de algún componente, solo la incorporación de los elementos antes mencionados.

Al convertir el vehículo para que funcione con GNC, se puede seguir usando nafta, porque los equipos que se instalan trabajan en forma dual (naftas / GNC). El equipo de GNC cuenta con un selector de combustible ubicado en el tablero. El conductor puede seleccionar el combustible que desee utilizar, bien sea nafta o GNC, inclusive en movimiento.

Al utilizar este tipo de combustible pierde potencia el vehículo, esta ligera pérdida de potencia en ciertos vehículos (alrededor de un 15%), la cual se manifiesta mayormente en el arranque (pique) y en cuestas pronunciadas. En muchos casos es casi imperceptible, similar al de encender el aire acondicionado del vehículo.

Talleres especialmente instalado para instalar el sistema GNC están debidamente autorizados para realizar el trabajo, previo cumplimiento de una normativa existente. Estos talleres disponen de instalaciones, equipos y herramientas apropiadas

El costo de  instalar un equipo de GNC hoy oscila, según el tanque de almacenamiento, entre $900 a $1200 (pesos argentinos),costo que también depende del sistema utilizado, si es común o el electrónico con sonda Lambda. La amortización del equipo depende del consumo diario de combustible del automóvil. Si el vehículo tiene un uso normal, la recuperación del costo del equipo será lenta. Caso contrario, si el vehículo es muy usado como, un microbús, furgones, taxi, etc. la recuperación de esa inversión será mas corta.