Principios de funcionamiento del motor de combustión interna

Para abordar el funcionamiento del motor debemos conocer los principios que generan su movimiento.  Cómo se logra transformar la energía en movimiento y ese movimiento en la fuerza que hace mover el automóvil. Los principios que hacen que el motor funcione son el ciclo térmico de Otto, el mecanismo biela manivela y una reacción química que se transforma en energía mecánica.

¿Cuál es el principio de funcionamiento de un motor de combustión interna?

El mecanismo biela manivela

Es un mecanismo que permite convertir el movimiento giratorio de un eje en un movimiento lineal alternativo. También permite convertir un movimiento lineal alternativo en un movimiento giratorio continuo en el eje.

En el automóvil la manivela es el cigüeñal y la palanca es la biela.

Reacción química

La relación entre el aire y combustible  varía constantemente en el motor. La proporción se calcula dependiendo del peso.

Proporción de  mezcla = aire atmosférico en gramos/consumo de gasolina en gramos

La mezcla ideal de combustible es de 14,7 gramos de aire por 1 gramo de combustible. Sin embargo los motores de pistón no son capaces de crear condiciones de homogeneidad entre aire y combustible,  por lo que los fabricantes varían sus diseños a fin de lograr una mezcla homogénea. El desempeño de un motor varía de acuerdo a la relación de mezcla que utiliza. Si un motor funciona a velocidad constante y variamos la proporción de aire combustible que lo alimenta, su potencia varía. En síntesis lo que debemos saber es que esta  reacción química se transforma en energía mecánica o en potencia.

Ciclo de Otto (cuatro tiempos)

Descubierto  por Nicolás Otto en 1872, el ciclo Otto consta de cuatro tiempos. Para entender el funcionamiento del ciclo Otto, debemos conocer algunos términos que indican la posición del pistón.  (PMI) Punto Muerto Inferior: sucede cuando el pistón se encuentra en la parte inferior del cilindro. (PMS) Punto Muerto Superior: sucede cuando el pistón se encuentra en la parte superior del cilindro. El movimiento del pistón entre el p.m.i y el p.m.s se denomina carrera.

El ciclo teórico de Otto consta de cuatro tiempos (admisión, compresión, expansión y escape) y  el proceso se inicia con la mezcla homogénea de aire combustible que ingresa ya sea por el carburador, o el cuerpo de aceleración. La mezcla obtenida se inicia por un sistema de encendido eléctrico generador por la bujía, el cual se realiza de forma temporizada o controlada.

En el interior del cilindro la mezcla se inflama y el calor generado por la combustión provoca un incremento en la presión de los gases comprimidos originando un trabajo a través del pistón, la biela y el cigüeñal. Los gases quemados son expulsados por el tubo de escape y se sustituyen por una nueva cantidad de mezcla  después de cada carrera de combustión. Todo esto es lo que sucede en el principio de Otto.

Admisión: el pistón se encuentra en el punto muerto superior, la válvula de admisión se abre dejando ingresar la mezcla aire combustible,  la cual es aspirada por el pistón que va en movimiento descendente hasta punto muerto inferior.

Compresión: el pistón asciende desde el pmi hasta el pms, comprimiendo la mezcla; las válvulas permanecen cerradas. En el punto muerto superior, salta la chispa de la bujía, iniciando la mezcla aire combustible a un volumen constante.

Expansión: el aumento de la presión genera un aumento de la temperatura que empuja el pistón hacia abajo transmitiéndose de la biela al cigüeñal una gran fuerza que se emplea para realizar los otros tres tiempos, las dos válvulas se encuentran cerradas.

Escape: en el tiempo de escape, el pistón se encuentra en punto muerto inferior, se abre la válvula de escape y el pistón al subir deja salir los gases quemados al exterior por la tubería de escape, comenzando nuevamente el ciclo.

El conjunto de las operaciones (admisión, compresión, expansión y escape) se denomina ciclo de cuatro tiempos. Cada tiempo del motor corresponde a media vuelta, cuatro medias vueltas  equivalen a dos vueltas de cigüeñal.

¿Cómo funciona el motor de combustión interna?

La relación que existe entre los mecanismos en conjunto con la reacción química y el ciclo térmico de Otto, son los factores que conllevan a la transformación de la energía química en energía mecánica. La mezcla aire combustible reacciona con la chispa generando un movimiento rectilíneo en el pistón,  que es transformado en un movimiento circular en el cigüeñal.

Elementos más importantes que intervienen en el funcionamiento del motor de combustión interna

Bloque motor

El bloque motor es la parte más importante que da forma al motor, es la carcasa del motor. Los cilindros están situados en el interior del bloque y suelen ser de una sola pieza, pero además de los cilindros hay varios conductos para el sistema de lubricación o refrigeración.

En el interior del bloque, en los cilindros, se encuentran los alojamientos en los que se mueven los pistones hacia arriba y hacia abajo, por lo que la precisión de éstos debe ser nanométrica.

Al mismo tiempo, el bloque motor determina el volumen de los cilindros, que se mide multiplicando el área de la sección transversal de los cilindros por la carrera (distancia entre la parte superior y la inferior) de los pistones individuales.

Pistones

Los pistones son responsables del movimiento de los gases. El vacío que crean en la cámara de combustión atrae la mezcla hacia ella y la comprime para aprovechar la fuerza explosiva. Es su movimiento vertical el que empuja el cigüeñal a través de las bielas, creando la fuerza que impulsa el coche.

Se fabrican a partir de una sola pieza de metal, personalizada para cada cilindro. Los anillos se acoplan en toda la circunferencia para lograr un sellado perfecto. Las cabezas de los cilindros se pueden moldear para variar la relación de compresión o para dejar espacio para las válvulas abiertas.

Cigüeñal

Las bielas están unidas a los pistones mediante pasadores y las bielas están unidas a un eje central, el cigüeñal. Esta pieza metálica de forma irregular se encarga de sincronizar el movimiento del pistón. La secuencia de encendido en un motor de cuatro tiempos y cuatro cilindros es 1-3-4-2.

Así, con el volante de inercia en un extremo, el motor gira gradualmente y produce energía a intervalos regulares. Esta energía, producida en el número correspondiente de cilindros del motor, se transmite al cigüeñal y de éste a la caja de cambios.

Cárter

El cárter está situado en la parte inferior del motor y está atornillado al bloque motor. Esta pieza es una especie de recipiente en el que descansa el aceite para lubricar y refrigerar todas las piezas internas del motor.

Este cárter tiene una forma que permite que la gravedad lleve el aceite hasta su punto más bajo, desde donde una bomba de aceite lo aspira y lo transporta hasta donde se necesita. A su vez, el cárter de aceite suele estar fabricado con materiales que conducen bien el calor cuando el aceite se enfría, tras lo cual sube a hacer su trabajo.

Culata

La culata es la parte superior del motor que mantiene todo en orden. La culata es la tapa que encierra la cámara de combustión y también alberga las válvulas y sus sistemas de accionamiento (árboles de levas).

Los árboles de levas suelen estar conectados al cigüeñal por una correa y giran a la mitad de la velocidad del cigüeñal (dos revoluciones del cigüeñal por cada revolución del árbol de levas), abriendo y cerrando las válvulas, permitiendo que la mezcla de combustible fluya y los gases de escape salgan.

Las válvulas están sometidas a grandes cargas, ya que deben sellar las cámaras de combustión y deben soportar velocidades de apertura y cierre muy elevadas sin fatigarse a altas temperaturas de funcionamiento.

Los árboles de levas giran en la parte superior de las válvulas. Las varillas de empuje empotradas empujan las válvulas en la cámara de combustión, estableciendo su tiempo de apertura. El retorno a la posición inicial está garantizado por muelles.

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