Motores de combustión interna
Historia
La invención se
puede remontar a dos italianos: el padre Eugenio Barsanti, un sacerdote
esculapio, y Felice Matteucci, ingeniero hidráulico y mecánico, que ya en 1853
detallaron documentos de operación y construcción y patentes pendientes en
varios países europeos como Gran Bretaña, Francia, Italia y Alemania.
Los primeros
prototipos carecían de la fase de compresión, es decir, la fase de succión
terminaba prematuramente con el cierre de la válvula de admisión antes de que
el pistón llegase a la mitad, lo que provocaba que la chispa que generaba la
combustión que empuja la carrera del pistón sea débil. Como consecuencia el
funcionamiento de estos primeros motores era deficiente. Fue la fase de
compresión la que dio una eficiencia significativa al motor de combustión
interna, que lograría el remplazo definitivo de los motores a vapor e
impulsaría el desarrollo de los automóviles, ya que lograba desarrollar una
potencia igual o mayor en dimensiones considerablemente mucho más reducidas.
Las primeras
aplicaciones prácticas de los motores de combustión interna fueron los motores
fuera de borda. Esto fue debido a que el principal impedimento para la
aplicación práctica del motor de combustión interna en vehículos terrestres era
el hecho de que, a diferencia de la máquina de vapor, no podía comenzar desde
parado. Los motores marinos no sufren este problema, ya que las hélices son
libres de un significativo momento de inercia.
El motor tal
como lo conocemos hoy fue desarrollado por el alemán Nikolaus Otto, quien en
1886 patentó el diseño de un motor de combustión interna a cuatro tiempos,
basado en los estudios del inventor francés Alphonse Beau de Rochas de 1862,
que a su vez se basó en el modelo de combustión interna de Barsanti y Matteucci
El propósito de
un motor de combustión interna es la producción de energía mecánica a partir de
la energía química almacenada en el combustible.
En los motores
de combustión interna la energía se libera mediante el encendido y la oxidación
del combustible dentro del motor a diferencia de los de combustión externa como
por ejemplo un horno industrial o una caldera.
El fluido de
trabajo cambia su composición química antes y después de la combustión y es el
encargado de transferir el trabajo al pistón que posteriormente se encarga de
transferirlo al resto de los componentes de la cadena cinemática hasta llegar
finalmente a las ruedas impulsoras del movimiento.
Cuando se habla
de motores de combustión interna hay que especificar la forma en que se lleva a
cabo el encendido, promotor de la combustión
Debido a su
simplicidad, robustez y alta relación potencia/peso estos dos tipos de motores
han sido ampliamente usados tanto para transporte (tierra, agua y aire) como
para generación de potencia. El hecho de que la combustión se produzca dentro
del motor lo distingue fuertemente en cuanto a diseño y características de
operación del resto de los motores.
1700 - 1850 Motores de calor
Fluido de
trabajo: vapor de agua
1860 J. Lenoir
Fluido de
trabajo: aire-gas de carbón quemado a presión atmosférica
Sin carrera de
compresión. Carga - Combustión – Escape.
Aproximadamente
5000 de estos motores fueron producidos entre 1860 y 1865 con potencias de
hasta 6 HP y eficiencias inferiores al 5 %.
1867 N. Otto y
E. Langen
De lo anterior
pero acoplaron al pistón un mecanismo del tipo cremallera para almacenar
inercia de la carrera descendente producida por el incremento de la presión
después de la combustión. De esta forma producían el movimiento ascendente del
pistón. 5,000 de estos motores fueron producidos con eficiencias térmicas de
hasta el 11 %
1876 N. Otto
Propuso un ciclo
de 4 tiempos para aumentar la eficiencia térmica y reducir el peso. Para la
misma potencia de 2 HP el peso se redujo de 4000 libras a 1250 libras,
aumentando la eficiencia mecánica del 68 % al 84 % y la eficiencia global del
11 % al 14 %. En 1890 aproximadamente 50,000 de estos motores habían sido
vendidos en Europa y Estados Unidos. En 1884 se halló una patente registrada en
1862 a nombre de Alphonse Beau de Roches quien describía los principios del
motor de 4 tiempos propuesto por N. Otto. Ellos se pueden resumir en los
siguientes:
Ø máximo volumen
del cilindro con mínima superficie de paredes
Ø máxima velocidad
de trabajo posible
Ø máxima relación
de expansión posible
Ø máxima presión
posible al comienzo de la expansión.
Mientras que las
primeras dos condiciones minimizan las pérdidas térmicas, la tercera nos dice
que a mayor relación de expansión mayor es el trabajo que se le puede extraer
al motor. La cuarta condición implica que un crecimiento de la presión máxima
origina un crecimiento en la transferencia de trabajo al pistón.
1880 D.Clerk, J.
Robson y K. Benz
Primer motor de
dos tiempos.
Carrera de
escape al final de la carrera de potencia.
Carrera de
admisión al comienzo de la carrera de compresión.
1880 J. Atkinson
Ø Carrera de
expansión mayor que la carrera de compresión.
Ø Alta eficiencia
pero con inconvenientes de índole mecánico.
Ø Por esos tiempos
era sabido que la eficiencia estaba fuertemente influida por la relación de
expansión.
Ø No obstante
existía a una limitación en la carrera de compresión a relaciones no mayores
que 4 dada por la posibilidad de formación de detonaciones (auto-ignición)
provocado por la calidad de los combustibles de la época.
Ø Esto trajo
aparejado la necesidad de trabajar en el desarrollo de carburadores y
mejores sistemas de encendido.
1890
Grandes motores
mono-cilíndricos de 1.3 metros de diámetro fueron construidos alimentados por
gases de hornos de baja energía que producían 600 HP a 90 rpm
Restricciones
sobre el uso de combustibles volátiles hizo cambiar la orientación de los
diseñadores hacia el kerosene. Motores de nafta de baja relación de
compresión con vaporizadores de combustible calentados externamente e ignición
eléctrica fueron desarrollados, llegando a eficiencias similares a los motores
a gas (14 a 18 %).
1892 R. Diesel
Patentó una
nueva forma de motor de combustión interna que consistía en inyectar combustible
líquido en aire previamente comprimido y por ende calentado duplicando de este
modo la eficiencia. Mayores relaciones de compresión sin detonación fueron
factibles. El proyecto de construcción lo realizó R. Diesel junto a la firma alemana
MAN y tardaron 5 años en producirlo.
1957 F. Wankel: Motor rotativo de combustión
interna
Los combustibles
han sido muy importantes en el desarrollo de los motores de combustión
interna.
Ø Gases quemados
Ø Naftas livianas
fraccionadas a partir de petróleo crudo
Ø necesidad de
desarrollar carburadores para vaporizarlas y mezclarlas con aire
Ø limitación de
las relaciones de compresión para evitar detonaciones
Ø aumentar la
volatilidad para evitar problemas en climas fríos.
Ø Problemas a
nivel de producción de naftas trajo aparejado un período de escasez y aumento
en el precio.
Ø Desarrollo de un
proceso de cracking térmico provocó un alivio en cuanto a los problemas de
producción y demanda. No obstante el punto de ebullición de las naftas
conseguidas aumentó trayendo aparejado problemas relativos a climas fríos.
Ø El arranque
eléctrico de los motores subsanó esta dificultad
Durante la I
Guerra Mundial se avanzó mucho en el entendimiento de cómo los combustibles
afectan la combustión. En 1923 General Motors descubrió que el tetraetilo
de plomo como aditivo inhibe la detonación. En 1930 E. Houdry descubrió
que crudos vaporizados pasados por catalizadores en un rango de 450 grados
Celsius mejoraba mucho la calidad de las naftas. El aumento de la calidad de
las naftas trajo aparejado la posibilidad de diseñar motores de combustión
interna con mayores relaciones de compresión mejorando la potencia y la
eficiencia alcanzada.
Durante las
últimas 3 décadas nuevos factores de cambio se han hecho presente en e l diseño
y la operación de los motores de combustión interna:
Ø La necesidad de
controlar la polución del aire en las ciudades
Ø La necesidad de
alcanzar mejoras sustanciales en el consumo de combustible de los automóviles
1940
Se detectan los
primeros síntomas de la polución ambiental en Los Ángeles. Prof. A. Haagen-Smit
demostró que los problemas de smog ambiental eran producidos por reacciones de
los óxidos de nitrógeno y los hidrocarburos mal quemados en la presencia de la
luz solar. Inmediatamente se observó que el transporte automotor era uno de los
responsables de la emisión de óxidos de nitrógeno, hidrocarburos y monóxido de
carbono. Los motores Diesel eran responsables de la formación de hollín,
partículas en suspensión de hidrocarburos y monóxido de nitrógeno.
1960
Se establece
primero en California, luego en todo EEUU y posteriormente en Japón y en Europa
normas regulatorias sobre la emisión vehicular previéndose planes de reducción
que llegan a valores muy bajos para el año 2000. Por este motivo los
diseñadores están muy abocados a la tarea de mejorar los diseños. En este
sentido se ha avanzado con la incorporación de catalizadores para los gases en
el diseño de los sistemas de escape en los motores modernos. Asimismo existe
una tendencia en eliminar el uso del plomo como aditivo en las naftas de los
motores.
Los motores de combustión interna
son también una gran fuente de ruido.
Las mayores fuentes son:
Ø sistema de
escape
Ø sistema de
admisión
Ø ventiladores del
sistema de refrigeración
Ø ruido
aerodinámico
Ø procesos de
combustión anormales
Ø componentes
rotantes o de movimiento alternativos
1970
Precio del crudo
se
incrementó notablemente y se sospechó acerca de la disponibilidad futura del
mismo. Esto provocó una presión importante sobre el diseño de los motores de
forma de que disminuyeran el consumo. Por el lado de la emisión existe una
tendencia a disminuir el uso de plomo en las naftas. Por tal motivo las relaciones
de compresión deben bajar con lo cual se debe agudizar el ingenio para no
perder eficiencia ni potencia. Además existe una tendencia al uso de
combustibles alternativos a las naftas y el gasoil, como el gas natural, el
metanol y el etanol. A largo plazo se piensa en el uso de naftas sintéticas e
hidrógeno.
Tipos Principales
v Alternativos.
·
El
motor
de explosión ciclo Otto, cuyo nombre proviene del técnico alemán que lo
desarrolló, Nikolaus August Otto, es el motor convencional de gasolina aunque
también se lo conoce como motor de ciclo Beau de Rochas debido al inventor
francés que lo patentó en 1862.
·
El
motor
diésel, llamado así en honor del ingeniero alemán nacido en Francia
Rudolf Diesel, funciona con un principio diferente y suele consumir gasóleo.
v La turbina de
gas.
v El motor
rotatorio.
Clasificación de los Alternativos:
A.
Motor de explosión ciclo Otto:
El ciclo Otto es
el ciclo termodinámico que se aplica en los motores de combustión interna de
encendido provocado (motores de gasolina). Se caracteriza porque en una primera
aproximación teórica, todo el calor se aporta a volumen constante.
ü Ciclo de 2
carreras (4 Tiempos)
El ciclo consta
de seis procesos, dos de los cuales no participan en el ciclo termodinámico del
fluido operante pero son fundamentales para la renovación de la carga del
mismo:
ü E-A: admisión a
presión constante (renovación de la carga).
ü A-B: compresión
isoentrópica.
ü B-C: combustión,
aporte de calor a volumen constante. La presión se eleva rápidamente antes de
comenzar el tiempo útil.
ü C-D: fuerza,
expansión isoentrópica o parte del ciclo que entrega trabajo.
ü D-A: Escape,
cesión del calor residual al ambiente a volumen constante.
ü A-E: Escape,
vaciado de la cámara a presión constante (renovación de la carga).
