Motor de Combustión Interna - MCI

[Este espacio ha sido pensado como recurso de soporte para el dictado de este tema en el Espacio Curricular “Laboratorio de Ensayo de Máquinas y Motores” del 6to. Año de la Especialidad Mecánica]

Para comenzar con el desarrollo del contenido, te invito a ver la siguiente presentación. A medida que la vayas observando, trata de identificar las partes que componen un MCI. En algunos casos, se resaltan algunas de ellas a través de una elipse roja. Las acotaciones las iremos plasmando como ‘Introducción’ al tema.




     El siguiente vídeo, aunque similar a la anterior, aporta algunos detalles interesantes.
¿Lo vemos… tomando como referencia la misma consigna?

 

   
   A continuación, desarrollando el contenido desde un enfoque técnico y académico, efectuaremos la lectura del siguiente artículo editado a partir del material presentado por la Enciclopedia Wikipedia en la sección correspondiente.



      Un motor de combustión interna es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química de un combustible que arde dentro de una cámara de combustión. Su nombre se debe a que dicha combustión se produce dentro de la máquina en sí misma.


Principales tipos

#  Alternativos.
  • El motor de explosión ciclo Otto deriva su nombre del técnico alemán que lo inventó, Nikolaus August Otto… es el motor convencional de gasolina, o naftero.
  • El motor diesel… se lo designa así en honor al ingeniero alemán nacido en Francia Rudolf Diesel. Funciona con un principio diferente y suele consumir gasóleo o gas oil.
#  La turbina de gas.
#  El motor rotatorio.

Clasificación de los alternativos según el ciclo
      Los motores de combustión interna alternativos, tanto diesel como nafteros o a gasolina se clasifican en:
- De dos tiempos (2T): efectúan una carrera útil de trabajo en cada giro.
- De cuatro tiempos (4T): efectúan una carrera útil de trabajo cada dos giros.

Aplicaciones
      Las diferentes variantes de los dos ciclos tanto en diesel como nafteros, tienen cada uno su ámbito de aplicación.
2T Nafteros: tuvo gran aplicación en las motocicletas, motores de ultraligeros (ULM) y motores marinos fuera-borda hasta una cierta cilindrada, habiendo perdido mucho terreno en este campo por las normas anticontaminación. Además, suele vérseles en motores de pequeñas cilindradas tales como: en ciclomotores, scooters, motosierras y pequeños grupos electrógenos.
4T Gasolina: se los observa en motocicletas de todas las cilindradas, automóviles, aviación deportiva y fuera borda.
2T Diesel: domina en las aplicaciones navales de gran potencia (hasta 100000 CV), tracción ferroviaria, etc. En algún momento se los utilizó con cierto éxito en aviación.
4T Diesel: aplicados de manera importante en el transporte terrestre, automóviles, navales (hasta una cierta potencia), suele observárseles también en la aviación deportiva.

Historia
      Los primeros motores de combustión interna alternativos de gasolina que sentaron las bases de los que conocemos hoy fueron construidos casi a la vez por Karl Benz y Gottlieb Daimler. Los intentos anteriores de motores de combustión interna no tenían la fase de compresión, sino que funcionaban con una mezcla de aire y combustible aspirada o soplada dentro durante la primera parte del movimiento del sistema. La distinción más significativa entre los motores de combustión interna modernos y los diseños antiguos es el uso de la compresión.

Estructura y funcionamiento
    Los motores Otto y los diesel tienen los mismos elementos principales: bloque (block), cigüeñal, biela, pistón, culata (tapa de cilindros), válvulas… y otros específicos de cada uno, como lo son la bomba inyectora de alta presión en los diesel, o antiguamente el carburador en los Otto.

Cámara de combustión
      La cámara de combustión es un cilindro, por lo general fijo, cerrado en un extremo y dentro del cual se desliza un pistón ajustado al mismo. Las distintas posiciones del pistón en su recorrido modifica el volumen que existe entre la cara interior de éste y las paredes de la cámara. La cara exterior del pistón está unida por una biela al cigüeñal, que convierte en movimiento rotatorio el movimiento lineal del pistón.
      En los motores de varios cilindros, el cigüeñal tiene una posición de partida, llamada espiga de cigüeñal y conectada a cada eje, con lo que la energía producida por cada cilindro se aplica al cigüeñal en un punto determinado de la rotación. Los cigüeñales cuentan con pesados volantes y contrapesos cuya inercia reduce la irregularidad del movimiento del eje. Un motor alternativo puede tener de 1 a 28 cilindros.

Sistema de alimentación
      El sistema de alimentación de combustible de un motor Otto consta de un depósito, una bomba de combustible y un dispositivo dosificador de combustible que vaporiza o atomiza el combustible desde el estado líquido, en las proporciones correctas para poder ser quemado. Se llama carburador al dispositivo que hasta ahora venía siendo utilizado con este fin en los motores Otto. Actualmente los sistemas de inyección de combustible lo han sustituido por completo por motivos medioambientales. Su mayor precisión en el dosaje de combustible inyectado reduce las emisiones de CO2, y aseguran una mezcla más estable.
       En los motores diesel se dosifica el combustible, gasoil, de manera no proporcional al aire que entra, sino en función del mando de aceleración y el régimen motor (mecanismo de regulación) mediante una bomba inyectora de combustible.
     En los motores de varios cilindros el combustible vaporizado se lleva a los cilindros a través de un tubo ramificado llamado colector (o múltiple) de admisión. La mayor parte de los motores cuentan con un colector (o múltiple) de escape o de expulsión, que transporta fuera del vehículo y amortigua el ruido de los gases producidos en la combustión.

Sistema de Distribución
       Cada cilindro toma el combustible y expulsa los gases a través de válvulas de cabezal o válvulas deslizantes. Un muelle (o resorte) mantiene cerradas las válvulas hasta que se abren en el momento adecuado, al actuar las levas de un árbol de levas rotatorio movido por el cigüeñal, estando el conjunto coordinado mediante la cadena o la correa de distribución. Han habido diversos sistemas de distribución.
Encendido
      Los motores necesitan una forma de iniciar la ignición del combustible dentro del cilindro. En los motores Otto, el sistema de ignición consiste en un componente llamado bobina de encendido, que es un auto-transformador de alto voltaje al que está conectado un conmutador que interrumpe la corriente del primario para que se induzca un impulso eléctrico de alto voltaje en el secundario. Dicho impulso está sincronizado con la etapa de compresión de cada uno de los cilindros; el impulso se lleva al cilindro correspondiente (aquel que está comprimido en ese momento) utilizando un distribuidor rotativo y unos cables de grafito que dirigen la descarga de alto voltaje a la bujía. El dispositivo que produce la ignición es la bujía que, fijado en cada cilindro, dispone de dos electrodos separados unas fracciones de milímetros, entre los cuales el impulso eléctrico produce una chispa, que inflama el combustible.
      Si la bobina está en mal estado se sobrecalienta; esto produce pérdida de energía, aminora la chispa de las bujías y causa fallos en el sistema de encendido del automóvil.

Refrigeración
     Dado que la combustión produce calor, todos los motores deben disponer de algún tipo de sistema de refrigeración. Algunos motores estacionarios de automóviles, de aviones y los motores fuera de borda se refrigeran con aire. Los cilindros de los motores que utilizan este sistema cuentan en el exterior con un conjunto de láminas de metal que emiten el calor producido dentro del cilindro (difusores de calor). En otros motores se utiliza refrigeración por agua, lo que implica que los cilindros se encuentran dentro de una carcasa llena de agua que en los automóviles se hace circular mediante una bomba. El agua se refrigera al pasar por las láminas de un radiador. Es importante que el líquido que se usa para enfriar el motor no sea agua común y corriente porque los motores de combustión trabajan regularmente a temperaturas más altas que la temperatura de ebullición del agua. Esto provoca una alta presión en el sistema de enfriamiento dando lugar a fallas en los empaques (tapones) y sellos de agua (retenes) así como en el radiador. Se usa un refrigerante, pues hierve a una temperatura más alta que el agua y congela a temperaturas muy bajas.
      Otra razón por la cual se debe usar un refrigerante es que éste no produce sarro ni sedimentos que se adhieran a las paredes internas del motor y del radiador formando una capa aislante que disminuirá la capacidad de enfriamiento del sistema. En los motores navales se utiliza agua del mar para la refrigeración.

Sistema de arranque
      Al contrario que los motores y las turbinas de vapor, los motores de combustión interna no producen un par de fuerzas cuando arrancan, lo que implica que debe provocarse el movimiento del cigüeñal para que se pueda iniciar el ciclo. Los motores de automoción utilizan un motor eléctrico, el motor de arranque, conectado al cigüeñal por un embrague automático que se desacopla en cuanto arranca el motor. Por otro lado, algunos motores pequeños se arrancan a mano girando el cigüeñal con una cadena o tirando de una cuerda que se enrolla alrededor del volante del cigüeñal.
    Otros sistemas de encendido de motores son los iniciadores de inercia, que aceleran el volante manualmente o con un motor eléctrico hasta que tiene la velocidad suficiente como para mover el cigüeñal. Ciertos motores grandes utilizan iniciadores explosivos que, mediante la explosión de un cartucho mueven una turbina acoplada al motor y proporcionan el oxígeno necesario para alimentar las cámaras de combustión en los primeros movimientos. Los iniciadores de inercia y los explosivos se utilizan sobre todo para arrancar motores de aviones.

Tipos de motores

Motor convencional del tipo Otto
      El motor convencional del tipo Otto es de cuatro tiempos (4T), aunque en fuera de borda y vehículos de dos ruedas hasta una cierta cilindrada se utilizó mucho el motor de dos tiempos (2T). El rendimiento térmico de los motores Otto modernos se ve limitado por varios factores, entre otros la pérdida de energía por la fricción y la refrigeración.
      La termodinámica nos dice que el rendimiento de un motor alternativo depende en primera aproximación del grado de compresión. Esta relación suele ser de 8 a 1 o 10 a 1 en la mayoría de los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores, como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de octano para evitar el fenómeno de la detonación, que puede producir graves daños en el motor. La eficiencia o rendimiento medio de un buen motor Otto es de un 20 a un 25%: sólo la cuarta parte de la energía calorífica se transforma en energía mecánica.

Funcionamiento
1. Tiempo de admisión: el aire y el combustible mezclados entran por la válvula de admisión.

2. Tiempo de compresión: la mezcla aire/combustible es comprimida y encendida mediante la bujía .
3. Tiempo de combustión: el combustible se inflama y el pistón es empujado hacia abajo.
4. Tiempo de escape: los gases de escape se conducen hacia fuera a través de la válvula de escape.

Motores diesel
     En teoría, el ciclo diesel difiere del ciclo Otto en que la combustión tiene lugar en este último a volumen constante en lugar de producirse a una presión constante. La mayoría de los motores diesel son asimismo del ciclo de cuatro tiempos, salvo los de tamaño muy grande, ferroviarios o marinos, que son de dos tiempos. Las fases son diferentes de las de los motores de gasolina.
     En la primera carrera, la de admisión, el pistón va desde el punto muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI), y absorbe aire en la cámara de combustión. En la segunda carrera, la fase de compresión, desde el PMI al PMS, el aire se comprime a una parte de su volumen original, lo cual hace que suba su temperatura hasta unos 850 °C. Al final de la fase de compresión se inyecta el combustible a gran presión mediante la inyección de combustible con lo que se atomiza dentro de la cámara de combustión, produciéndose la inflamación a causa de la alta temperatura del aire. En la tercera fase, la fase de trabajo, la combustión empuja el pistón desde el PMS al PMI, trasmitiendo la fuerza longitudinal al cigüeñal a través de la biela, transformándose en fuerza de giro par motor. La cuarta fase es, al igual que en los motores Otto, la fase de escape, cuando vuelve el pistón al PMS.
     Algunos motores diesel utilizan un sistema auxiliar de ignición para encender el combustible al arrancar el motor y mientras alcanza la temperatura adecuada.
      La eficiencia o rendimiento (proporción de la energía del combustible que se transforma en trabajo y no se pierde como calor) de los motores diesel depende, de los mismos factores que los motores Otto, es decir de las presiones (y por tanto de las temperaturas) inicial y final de la fase de compresión. Por lo tanto es mayor que en los motores de gasolina, llegando a superar el 40% en los grandes motores de dos tiempos de propulsión naval. Este valor se logra con un grado de compresión de 20 a 1 aproximadamente, contra 9 a 1 en los Otto. Por ello es necesaria una mayor robustez, y los motores diesel son, por lo general, más pesados que los motores Otto. Esta desventaja se compensa con el mayor rendimiento y el hecho de utilizar combustibles más baratos.
      Los motores diesel grandes de 2T suelen ser motores lentos con velocidades de cigüeñal de 100 a 750 revoluciones por minuto (rpm), mientras que los motores de 4T trabajan hasta 2.500 rpm (camiones y autobuses) y 5.000 rpm (automóviles).


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   Con el objetivo de afianzar la información leída y la construcción del conocimiento, te propongo que observes el siguiente vídeo que muestra un MCI como, tal vez, nunca antes lo hayas visto.




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