Motor De Combustión Interna: 2 Tiempos, 4 Tiempos, Wankel Y Turbinas

En este post se darán los conceptos básicos necesarios para entender el funcionamiento físico del motor de combustión interna, tanto a nivel termodinámico, como a nivel de trabajo final realizado por el motor. También explicaremos en este post como funciona el ciclo de cada motor de combustión interna (Otto, Diesel, Wankel y turbina de gas).

Principios termodinámicos

La finalidad de un motor es la de realizar un trabajo lo más eficazmente posible, para eso varias personas idearon el motor de combustión interna que remplazaría a la máquina de vapor, de esta manera optimizarían el mundo del motor.

En el caso de los motores de combustión interna, el trabajo a realizar se consigue gracias a una explosión, esa explosión se consigue gracias a la energía interna del combustible que se enciende. Todo combustible tiene una energía interna que puede ser transformada en trabajo, entonces, en los motores de combustión interna, la energía utilizada para que el motor realice un trabajo es la energía interna del combustible.

Esta energía interna se manifiesta con un aumento de la presión y de la temperatura (explosión), que es lo que realizará un trabajo. Supongamos que tenemos un cilindro dentro del cual hay un combustible mezclado con aire repartido por todo su volumen, en el momento que lo calentamos, hacemos reaccionar dicho combustible con el oxigeno del aire y, por tanto, aumenta la presión y la temperatura del gas, expandiéndose y presionando al pistón con una fuerza F y desplazándolo hacia abajo.

Esa fuerza F hace desplazar al pistón una distancia, por lo tanto tendríamos un trabajo realizado. Este seria el funcionamiento básico de un motor de combustión interna, donde un combustible reacciona dentro de un cilindro y hace desplazar un pistón para realizar un trabajo.

Ciclo teórico del motor de combustión interna

Para que ocurra esa explosión, como ya hemos dicho antes tiene que haber un combustible mezclado con aire para que pueda reaccionar y explotar. Por lo tanto, no solo basta con un proceso de explosión del combustible, sino que hace falta un proceso de admisión para que este carburante (aire y combustible) entre en el cilindro. También para poder realizar el ciclo hace falta un proceso de escape, para poder vaciar el cilindro y que pueda volver a entrar el carburante.

Con estos tres procesos ya podemos seguir un ciclo (admisión – expansión – escape). Aunque fue Alphonse Beau de Rochas quién optimizó notablemente el motor de combustión interna añadiendo otro proceso al ciclo, el proceso de compresión.

Con el proceso de compresión conseguimos que el aumento de presión en el momento de la explosión sea mucho mayor, ya que antes de explotar, los gases reactivos ya están presionados. Así se ha quedado el ciclo del motor de combustión interna hasta hoy, con 4 procesos por ciclo (admisión – compresión – expansión – escape).

Como vemos en la figura, podemos ver el ciclo teórico del motor de combustión interna. En 1 tenemos el proceso de admisión ya acabado, con una presión inicial (Pa). De 1 a 2 vemos el proceso de compresión donde el supuesto pistón se desplaza para reducir el volumen y aumentar la presión del carburante.

De 2 a 3 es el momento donde ocurre la explosión del gas, el sistema absorbe calor y aumenta la presión y la temperatura del gas. Ese gas a alta presión y temperatura se expande y desplaza el pistón realizando un trabajo útil (3 a 4). Finalmente de 4 a 1 los gases quemados salen del cilindro dejando a este limpio para volver a empezar el ciclo.

Principios físicos

Para poder seguir el ciclo, hace falta un mecanismo capaz de producir cuatro carreras de pistón para realizar los cuatro procesos del ciclo, el mecanismo biela-manivela utilizado también en la máquina de vapor es el más adecuado.

En la imagen observamos en que se basa el mecanismo biela-manivela. En el proceso de expansión es cuando realizamos el trabajo del ciclo, en este instante los gases empujan al pistón con una fuerza F hacia abajo, esa fuerza del pistón es transmitida a la biela, que es la pieza encargada de convertir el movimiento rectilíneo del pistón en rotativo. La biela le da la fuerza al cigüeñal, que es la pieza que girará sobre si mismo regido a la fuerza que le suministra la biela.

La fuerza suministrada al cigüeñal que esta en movimiento realiza un trabajo. El trabajo que realiza el motor por cada vuelta que el cigüeñal da sobre si mismo lo definimos como par motor.
Por tanto, el par motor es proporcional a la fuerza de la explosión, ya que no intervienen las vueltas del cigüeñal por unidad de tiempo.

Donde si que intervienen las vueltas del cigüeñal es en la potencia desarrollada, que la definimos como la cantidad de trabajo (par motor) por unidad de tiempo.
La potencia es proporcional al par motor y las vueltas que da el cigüeñal por unidad de tiempo (rpm):

Potencia = Par motor x rpm

El par motor como ya hemos dicho depende de la fuerza de la explosión. La fuerza de la explosión no es constante para cada velocidad del motor. En una cierta velocidad del motor tenemos el punto de máximo par, que es donde se consigue la máxima fuerza suministrada y por tanto la máxima aceleración del vehiculo. Por eso, interesa mantener el par motor lo más alto y constante posible. La potencia se ve reflejada en la aceleración media máxima y en la velocidad punta, es decir, contra más potencia menos tiempo para alcanzar una velocidad y una velocidad máxima mayor del vehiculo.

Motor de 2 tiempos

El motor de dos tiempos fue el primer motor de combustión interna que se construyó. La fabricación, mantenimiento y funcionamiento es mucho más sencillo que el motor de cuatro tiempos, a continuación explicaremos sus partes básicas y el ciclo de funcionamiento. Para la construcción de un motor de dos tiempos nos podemos basar en dos ciclos, el Otto y el Diesel. En este apartado solo citaremos el motor de dos tiempos de Otto, ya que el Diesel no se utiliza hoy en día.

Ciclo Otto de 2 tiempos:

1er tiempo: Admisión – compresión:

Cuando el pistón está en el punto más bajo, es decir en el Punto Muerto Inferior (PMI), empieza el proceso de admisión. La lumbrera de admisión deja pasar el carburante (aire y combustible) hacia el cilindro. Una vez aspirado el carburante el pistón va ascendiendo mientras comprime la mezcla.

2º tiempo: Expansión - escape de gases:

En el momento que el pistón está en el punto más alto, es decir, el Punto Muerto Superior (PMS), la bujía (en caso del ciclo Otto) hace saltar una chispa que enciende la mezcla, incrementando la presión en el cilindro y hace desplazar al pistón hacia abajo. Cuando está a la altura de la lumbrera de escape, la propia presión de los gases tiende a salir del cilindro, dejando al cilindro vacío para volver a empezar un nuevo ciclo.

Este motor como podemos observar hace un trabajo en cada revolución, es decir una explosión en cada vuelta del cigüeñal. Esto crea una mayor potencia frente a los motores de cuatro tiempos que hacen una explosión cada dos vueltas del motor. También, el motor de dos tiempos incorpora menos piezas móviles como las válvulas, levas, árbol de levas, etc, y su funcionamiento es más sencillo. En contrapartida el motor de cuatro tiempos hay más facilidades a la hora de modificarlo, rinde mucho más, consumiendo mucho menos y contaminando menos.

Este tipo de motor, hoy en día aún se utiliza, aunque siempre en motores de pequeña cilindrada como: ciclomotores, cortacésped, motosierras, etc. El combustible utilizado en el motor Otto de dos tiempos, al igual que en el ciclo Otto de cuatro tiempos es la nafta o llamado comúnmente gasolina.

Motor de 4 tiempos

El motor de 4 tiempos fue toda una revolución en el mundo del motor, desde que Alphonse Beau de Rochas ideó este ciclo y más tarde Nikolaus August Otto lo mejoró, ha habido muchos más cambios que han mejorado su rendimiento y hasta hoy en día es utilizado. A continuación explicaremos en que se basa el ciclo de 4 tiempos.

Ciclo Otto de 4 tiempos

1er tiempo: Admisión:

En el momento que el pistón está en el punto más alto (PMS), la válvula de admisión se abre y el propio pistón por el vacío que se crea dentro del cilindro aspira la mezcla (aire y combustible) hasta llegar al punto más bajo del cilindro (PMI).

2º tiempo: Compresión:

Después del ciclo de admisión, el pistón se encuentra en el punto más bajo (PMI), en este momento la válvula de admisión se cierra y el pistón empieza a ascender comprimiendo la mezcla hasta llegar al punto más alto del cilindro (PMS)

3er tiempo: Expansión:

Una vez que en la carrera de compresión se ha comprimido la mezcla, la bujía hace saltar una chispa y enciende la mezcla, aumentando la presión en el cilindro y haciendo descender el pistón hacia el punto más bajo (PMI). En esta carrera de expansión es donde se realiza el trabajo útil.

4º tiempo: Escape de gases:

Cuando el pistón llega al punto más bajo (PMI), se abre la válvula de escape y el pistón empieza a ascender empujando los gases quemados hacia el exterior. En el momento que llega al punto más alto (PMS) la válvula de escape se cierra.

Ciclo Diesel de 4 tiempos

1er tiempo: Admisión:

En el momento que el pistón está en el punto más alto (PMS), la válvula de admisión se abre y el pistón aspira aire fresco (a diferencia del ciclo Otto de 4 tiempos) hasta llegar al punto más bajo del cilindro (PMI).

2º tiempo: Compresión:

Después del ciclo de admisión, el pistón se encuentra en el punto más bajo (PMI), en este momento la válvula de admisión se cierra y el pistón empieza a ascender comprimiendo el aire hasta llegar al punto más alto del cilindro (PMS)

3er tiempo: Expansión:

Una vez que en la carrera de compresión se ha comprimido la mezcla, el inyector se encarga de inyectar el combustible dentro del cilindro. La propia presión del aire enciende la mezcla, aumenta la presión en el cilindro y desciende el pistón hacia el punto más bajo (PMI). En esta carrera de expansión es donde se realiza el trabajo útil.

4º tiempo: Escape de gases:

Cuando el pistón llega al punto más bajo (PMI), se abre la válvula de escape y el pistón empieza a ascender empujando los gases quemados hacia el exterior. En el momento que llega al punto más alto (PMS) la válvula de escape se cierra.

El motor Diesel de 4 tiempos es la máquina térmica más eficiente de todos los tiempos, superando al ciclo Otto con creces. Ese rendimiento tan alto se consigue que al entrar solo aire, la carrera de compresión puede ser mucho más eficaz comprimiendo mucho más sin problemas de detonación y realizando más trabajo. En contrapartida la velocidad máxima del motor está muy limitada, ya que para que se encienda la mezcla hace falta un volumen mínimo de aire. El combustible utilizado en el motor Diesel es el aceite pesado o más comúnmente llamado gasoil.

Ciclo Wankel de 4 tiempos

El ciclo Wankel es un proceso muy similar al motor Otto de 4 tiempos, aunque en este caso la única pieza móvil dentro del motor (sin contar válvulas) es el rotor, es una pieza con forma de triángulo equilátero que va girando constantemente (a diferencia del motor a pistón que tiene puntos muertos) y por lo tanto es la pieza que realiza el trabajo.

1er tiempo: Admisión:

La entrada de admisión permanece constantemente abierta. Cuando cualquiera de los tres lados del rotor pasa por esa apertura, éste aspira la mezcla de carburante.

2º tiempo: Compresión:

La parte del estator donde ocurre el proceso de compresión (lugar donde ocurren los procesos) es más estrecha que todas las demás. El rotor trae la mezcla que ha cogido en el proceso de admisión donde aquí al ser más estrecho se comprimirá.

3er tiempo: Expansión:

Una vez comprimida la mezcla, la bujía hace saltar una chispa que empujará el rotor para que siga su recorrido. En este tiempo de expansión es donde se realizará el trabajo útil.

4º tiempo: Escape de gases:

Aquí, al igual que en el tiempo de admisión, la apertura de escape permanece constantemente abierta. Una vez que ha explotado la mezcla, los gases están a alta presión. Entonces al encontrar esta apertura los gases quemados salen por su propia presión. A partir de aquí vuelve a empezar el ciclo.

El rotor de este motor como vemos es idéntico en todas sus partes, la única pieza que no es de forma igual es el estator o carcasa. Por lo tanto, como el rotor es simétrico, los cuatro procesos (admisión, compresión, expansión y escape) ocurren tres veces en cada revolución. Esto quiere decir que da tres explosiones por revolución a diferencia del motor Otto o Diesel de 4 tiempos que solo da una explosión cada dos revoluciones.

Este motor además de tener como ventaja frente al motor Otto o Diesel de 4 tiempos, 3 explosiones por revolución, dando una potencia mucho más elevada para la misma capacidad, tiene otras muchas ventajas como: 40% menos de piezas, la mitad de volumen con un peso similar a los motores de pistón, un diseño más simple, con pocas vibraciones y no hay problemas de disipación de calor.

En contrapartida el motor Wankel tiene desventajas muy importantes como son los problemas de estanqueidad que presenta en la parte saliente del rotor, pudiendo compartir gases de diferentes fases y esto provoca un gran problema que lo hacen estar lejos de los motores alternativos a pistón. También como contrapartida tiene un diferencial de temperatura muy grande.

La parte donde ocurre la admisión y compresión son fases frías donde la temperatura no pasa de los 150ºC, en cambio las fases de expansión y escape llegan a sobrepasar temperaturas de 1000ºC, creando esta diferencia de temperatura y es un problema a la hora de refrigerar.

El motor rotativo Wankel aunque por el momento no está en auge, hay algunas marcas que utilizan sus motores para la venta al usuario e incluso equipan sus motores en competiciones muy importantes como las 24 horas de Le Mans. Esta marca que patrocina tanto este motor es Mazda. El combustible utilizado en este motor es el mismo que se utiliza en el motor Otto o motor de explosión, la nafta o comúnmente llamada gasolina.

Turbinas de gas y turborreactores

Las turbinas de gas y los turborreactores son también considerados motores de combustión interna. Este motor es mucho más sencillo que cualquier otro motor de combustión interna y su funcionamiento también lo es. Es considerado un motor de combustión interna porque la combustión ocurre dentro del motor y porque las fases son parecidas a los demás motores.

Primeramente el compresor recoge el aire del exterior (fase 1 de admisión). El compresor (movido por la turbina 1 -T1-) presiona el aire para meterlo en la cámara de combustión (fase 2 de compresión). Después se enciende el combustible mezclado con aire que ha enviado el compresor y esos gases se expanden por la primera turbina y más tarde por la segunda turbina. La presión de esos gases hace mover a las dos turbinas y éstas últimas mueven un cigüeñal o eje motor (fase 3 de expansión). Finalmente los gases salen al exterior (fase 4 de escape de gases).

El funcionamiento de la turbina de gas es idéntico a los turbo-compresores utilizados en los motores alternativos a pistón para comprimir el aire de admisión. La turbina de gas tiene un alto rendimiento térmico, es decir con poco combustible es capaz de entregar una gran potencia. Con una pequeña turbina de gas podemos entregar potencias mucho mayores que cualquier otro motor de combustión interna.

En contrapartida, la turbina de gas para que entregue esa gran potencia, necesita un régimen de giro muy alto, por lo tanto en arrancadas es un motor muy débil. También a estas turbinas les cuesta mucho cambiar de régimen lo que no dejaría efectuar grandes aceleraciones a pequeñas velocidades. Eso la deja lejos del mercado de los en automóviles.

Es utilizada para mover hélices en la antigua aviación, actualmente se utilizan para la propulsión de aviones a reacción, es decir para impulsar el avión antes de volar. En automoción se han hecho algunos prototipos como el Volvo ECC, aunque no se llevo a la venta. Donde más se utilizan estos motores es en generadores de corriente en centrales térmicas. Otro tipo de motor de combustión interna es el turborreactor, donde su funcionamiento es muy parecido a la turbina de gas.

Primeramente, al igual que en la turbina de gas, el compresor recoge el aire del exterior (fase 1 de admisión). El compresor (movido por la turbina 1 -T1-) presiona el aire para entrarlo en la cámara de combustión (fase 2 de compresión). Después se enciende el combustible mezclado con aire que ha enviado el compresor y esos gases se expanden parcialmente por la primera turbina.

La turbina al moverse hace mover al compresor que va fijado a ella mediante un eje, esto provoca poder seguir con la compresión. Los gases cuando salen de la turbina se acaban expandiendo en el exterior, transformando esa energía en energía cinética de los gases que provocará una gran potencia de reacción (fases de expansión y de escape).

El principio de funcionamiento del turborreactor es el famoso fenómeno físico de acción – reacción, es decir, al salir los gases de la turbina se expanden en el exterior provocando una fuerza contraria de igual de módulo que la que ellos hacen, por lo tanto impulsan el avión. Los turborreactores o motores a reacción son los motores que se utilizan hoy en día en la aviación, sobretodo en aviones supersónicos, es decir aviones capaces de traspasar la velocidad del sonido.

Conclusiones

Como hemos leido, el motor de combustión interna es una de esas máquinas que han llegado a la historía de nuestra humanidad para cambiarla radicalmente. Luego de la aparición del motor de combustión interna, se observó la evolución insesante y cada vez más acelerada del mundo automotor.

La existencia de varias formas del motor de combustión interna ha permitido la evolución y adaptación de diferentes máquinas. Autos, cortadoras de cesped, lanchas y generadoras de potencia son algunas de las máquinas que han podido evolucionar gracias al motor de combustión interna. Cómo pregunta queda, ¿Será posible ver otro invento igual?, esperemos que sí.

Puedes leer también: Motor Diésel 4 Tiempos.

Quizás deberías leer también: Tipos De Motores.