Tema 3: Motores de combustión

 Motores 

Un motor transforma la energía inicial en energía mecánica. Según la fuente de energía se clasifican en: hidráulicos, eólicos, térmicos, eléctricos, pneumáticos y muscular.

El motor térmico es aquel que convierte la energía térmica proveniente de los combustibles fósiles en energía mecánica, que a su vez puede utilizarse para mover otras máquinas, generar electricidad, bombear agua o propulsar vehículos. Según el lugar donde se produce la combustión, los motores térmicos pueden ser de combustión externa o interna.

 La máquina de vapor 

Los motores de combustión externa funcionan con el vapor que se produce al quemarse combustible en la caldera y calentar el agua. El vapor sale a presión hasta que llega al motor propiamente dicho. Una vez el vapor ha pasado por los elementos motrices se condensa de nuevo y el agua retorna a la caldera. La condensación es posible gracias a la circulación inversa de agua fría.

El típico ejemplo de motor de combustión externa es la máquina de vapor. El invento de la máquina de vapor, que en un principio se destinó a hacer mover las máquinas de las fábricas y, más adelante, a los sistemas de transporte, se atribuye al ingeniero James Watt hacia 1769. Watt tomó como punto de partida otras máquinas como la de Newcomen, que ya funcionaban con vapor.

Sin embargo, James Watt perfeccionó el mecanismo de forma que pudo ser usado ampliamente en las fábricas y en algunos medios de transporte.

La máquina de vapor consta de las siguientes partes:

• El vapor procedente de la caldera entra en el cilindro de forma alternativa por la derecha y por la izquierda gracias a un sistema de válvulas o bien mediante un distribuidor.
• El vapor, en el interior del cilindro, empuja el pistón de forma alternativa hacia la derecha e izquierda. 
• Una vez que el vapor ha perdido presión, retorna a la caldera reconvertido en agua tras pasar por un condensador.
• El movimiento del pistón se transmite a la biela y de ahí a la manivela. El mecanismo biela-manivela transforma el movimiento rectilíneo en circular. La manivela transmite el movimiento al volante de inercia.
• El enorme tamaño del volante sirve para mantener la velocidad constante gracias a la inercia que posee. Una vez puesto en funcionamiento es más fácil, por este motivo, mantenerlo en marcha que pararlo y volverlo a arrancar.
• La correa transmite el movimiento a la polea y ésta a un sistema de embarrado al que se conectan todas las poleas que moverán finalmente las máquinas de la fábrica.
• La máquina dispone además de otro mecanismo de regulación de su velocidad, el regulador de bolas, el primer sistema de control automático instalado en una máquina. Gracias a la fuerza centrífuga, cuando aumenta la velocidad de la máquina de vapor, las bolas giran a mayor velocidad y se separan del centro. Al separarse empujan el eje hacia abajo cerrando el paso de vapor a la máquina que reduce su velocidad. Entonces las bolas bajan y dejan pasar otra vez vapor. El sistema llega a un punto de equilibrio en el que la velocidad acaba por mantenerse constante.

 Motores de combustión interna 

En los motores de combustión interna la combustión se produce en el interior del motor, en la llamada cámara de combustión. En 1876 Nikolaus Otto diseñó un motor que fue la base del motor de explosión de gasolina aplicado después a los automóviles. En muchos de ellos la combustión se produce mediante una serie de explosiones controladas y por eso se denominan motores de explosión.

Clasificación de los motores.

• Según la manera como se produce la explosión: encendido por chispa u Otto (gasolina o gases licuados a presión) o explosión por compresión de los gases o Diesel (Aceites pesados; gasoil)
• Según el ciclo de funcionamiento: de dos tiempos o de cuatro tiempos. 
• Según la disposición de los cilindros:

Partes del motor. El motor consta, básicamente, de tres partes fundamentales: la culata, el bloque y el cárter.
Las tres partes están conectadas entre ellas mediante tornillos y perfectamente selladas mediante las denominadas juntas de estanqueidad, la más importante de las cuales es la junta de culata.

La culata es una pieza de hierro fundido o aleaciones ligeras de aluminio que hace de tapa de los cilindros. En su parte superior existen unas válvulas que permiten regular la entrada de la mezcla de combustible y aire y la salida de gases quemados.

El bloque es una pieza hecha de hierro colado y aleaciones que ofrece una gran resistencia a la deformación por efecto de temperaturas elevadas. Contiene los cilindros, y los puntos de soporte del cigüeñal, al cual se unen las bielas y los pistones. También las cámaras de agua que permiten la circulación del agua de refrigeración del motor, y los conductos del aceite de lubricación.

El cárter es una caja metálica que se fija mediante tornillos a la parte inferior del bloque. Sirve para proteger el cigüeñal y como depósito de aceite para lubricación y refrigeración del motor.

En el interior de los cilindros encontramos un sistema de pistón y biela que convierte el movimiento rectilíneo en rotativo en su unión con el cigüeñal.

El pistón es una pieza cilíndrica fabricada con una aleación de aluminio que tiene en su parte superior tres ranuras donde se acoplan los segmentos que cierran casi herméticamente el espacio entre el pistón y la pared del cilindro.

Las bielas acostumbran a ser de una aleación de acero. Su extremo superior denominado pie de bielas une al pistón mediante una articulación que permite al pistón pivotar lateralmente durante el movimiento alternativo que la biela realiza unida al pistón. El extremo inferior de la biela, denominada cabeza de biela, abraza al cigüeñal y describe con este un movimiento circular.

Un cigüeñal es un eje con codos y contrapesos de aleaciones capaces de soportar esfuerzos. El movimiento lineal de los pistones dentro de los cilindros se trasmite a las bielas y se transforma en un movimiento rotatorio del cigüeñal que, a su vez, se transmite a las ruedas y otros elementos.
El movimiento del cigüeñal se transmite mediante una correa o una cadena al árbol de levas que posibilita el cierre y abertura de las válvulas.

Las bujías son unos elementos instalados en la culata que disponen de dos terminales eléctricos denominados electrodos, que quedan situados en la cámara de combustión. Sistemas electrónicos proporcionan corriente de alta tensión para que salte una chispa entre los electrodos.
Las delgas o galgas permiten calcular de forma exacta la separación entre los electrodos.

En los motores de cuatro tiempos, un ciclo de trabajo se realiza en cuatro fases, denominadas ciclos térmicos. En el caso del motor de explosión Otto las cuatro fases son: admisión, compresión, explosión-expansión, escape.
La cilindrada es el volumen situado en el interior del cilindro entre el punto muerto inferior (PMI) y punto muerto superior (PMS), puntos entre los que se desplaza el pistón en su movimiento. La distancia entre estos dos puntos se denomina carrera. La cilindrada es, por tanto, el volumen que podrá ocupar el combustible en cada ciclo de trabajo.

En los motores de explosión de ciclo Diesel las fases son básicamente las mismas. En la fase de admisión, pero, tan solo entra aire dentro del cilindro, que es comprimido, y el carburante polvorizado se inyecta dentro del cilindro en la tercera fase. La fuerte presión a que es sometida la mezcla provoca la explosión.

En el motor de dos tiempos en lugar de válvulas en el cilindro existen 3 orificios que se abren y se cierran con el mismo movimiento del pistón: el de admisión, que permite la entrada de la mezcla en el cárter, el de carga, a través del cual entra la mezcla en el cilindro, y el de escape, por donde salen los gases después de la combustión.