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).