Motor de combustión interna


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Los motores de combustión interna (MCI) son la forma más común de motores térmicos, ya que se utilizan en vehículos, barcos, buques, aviones y trenes. Se denominan así porque el combustible se enciende para realizar un trabajo en el interior del motor.[1] La misma mezcla de combustible y aire se emite como escape. Esto puede hacerse mediante un pistón (llamado motor alternativo), o con una turbina.

La ley de los gases ideales

Los motores térmicos de combustión interna pueden entenderse mediante la reflexión sobre la ley de los gases ideales: [math]pV=nRT[/math]. El aumento de la temperatura de un gas aumenta la presión que hace que el gas quiera expandirse.[1] Un motor de combustión interna tiene una cámara a la que se le añade combustible que se enciende para aumentar la temperatura del gas.

Cuando se añade calor al sistema, se fuerza la expansión del gas en su interior. En un motor de pistón, esto hace que el pistón se eleve (véase la fig. 2). Al acoplar el pistón a un cigüeñal (o cigoñal, el motor es capaz de convertir una parte de la energía aportada al sistema en trabajo útil.[2] Para comprimir el pistón en un motor de combustión intermitente, el motor expulsa el gas. A continuación, se utiliza un disipador de calor para mantener el sistema en funcionamiento a una temperatura constante. Una turbina de gas, que utiliza la combustión continua, simplemente agota sus gases de forma continua en lugar de hacerlo en un ciclo. Los motores térmicos con turbinas de gas funcionan según un principio similar: el aire caliente se introduce en la cámara de la turbina, haciéndola girar (fig. 1).

Pistones vs turbinas

Fig. 1. Diagrama de un motor de turbina de gas.[3]

Un motor que utiliza un pistón se llama motor de combustión intermitente, mientras que uno que utiliza una turbina se llama motor de combustión continua. La diferencia en la mecánica es obvia debido a los nombres, pero la diferencia en el uso es menos obvia.

Un motor de pistón es extremadamente sensible, en comparación con una turbina, así como más eficiente en cuanto a combustible a bajas potencias. Esto los hace ideales para su uso en vehículos, ya que también se ponen en marcha más rápidamente. Por el contrario, una turbina tiene una relación potencia-peso superior a la de un motor de pistón, y su diseño es más fiable para rendimientos elevados y continuos. Una turbina también funciona mejor que un motor de pistón de aspiración natural a grandes altitudes y a bajas temperaturas. Su construcción ligera, su fiabilidad y su capacidad de altitud hacen que las turbinas sean el motor preferido para los aviones. Las turbinas también se utilizan habitualmente en las centrales eléctricas para la generación de electricidad.

Ejemplos de MCI

Motor de cuatro tiempos

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Fig. 2. Motor de combustión interna de 4 tiempos. 1: Inyección de combustible, 2: Encendido, 3: Expansión (se realiza el trabajo), 4: Escape.[4]

Aunque hay muchos tipos de motores de combustión interna, el motor de pistón de cuatro tiempos (Fig. 2) es uno de los más comunes. Se utiliza en varios automóviles (que utilizan específicamente gasolina como combustible) como coches, camiones y algunas motos. Un motor de cuatro tiempos proporciona una carrera de potencia por cada dos ciclos del pistón. A la derecha hay una animación de un motor de cuatro tiempos y una explicación más detallada del proceso.

  1. El combustible se inyecta en la cámara.
  2. El combustible se incendia (esto ocurre de forma diferente en un motor diésel que en uno de gasolina).
  3. Este fuego empuja el pistón, que es el movimiento útil.
  4. Los productos químicos residuales, por volumen (o masa), son principalmente vapor de agua y dióxido de carbono. También puede haber contaminantes como el monóxido de carbono de la combustión incompleta.

Motor de dos tiempos

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Fig. 3. Motor de combustión interna de 2 tiempos.[5]

Como su nombre indica, el sistema sólo requiere dos movimientos del pistón para generar potencia. El principal factor diferenciador que permite que el motor de dos tiempos funcione con sólo dos movimientos del pistón es que el escape y la admisión de los gases se producen simultáneamente,[6] como se ve en la fig. 3. El propio pistón se utiliza como válvula del sistema, junto con el cigüeñal, para dirigir el flujo de los gases. Además, debido a su frecuente contacto con los componentes móviles, el combustible se mezcla con aceite para añadir lubricación, lo que permite unas carreras más suaves. En general, el motor de dos tiempos contiene dos procesos:

  1. Se añade la mezcla de aire y combustible y el pistón se mueve hacia arriba (compresión). El orificio de admisión se abre debido a la posición del pistón y la mezcla de aire y combustible entra en la cámara de retención. Una bujía enciende el combustible comprimido y comienza la carrera de potencia.
  2. El gas calentado ejerce una alta presión sobre el pistón, el pistón se mueve hacia abajo (expansión) y el calor residual se expulsa.

Motor rotativo (Wankel)

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Fig. 4. El ciclo del motor rotativo. Admite aire/combustible, lo comprime, se enciende proporcionando trabajo útil, y luego agota el gas.[7]

En este tipo de motor, hay un rotor (círculo interior etiquetado como "B" en la Fig. 4) que está contenido en una carcasa de forma ovalada. Realiza los pasos comunes del ciclo de cuatro tiempos (admisión, compresión, encendido, escape), pero estos pasos se producen 3 veces por cada giro del rotor, creando tres carreras de potencia por rotación.

Ver lecturas adicionales

Referencias

  1. 1,0 1,1 R. D. Knight, "Heat Engines and Refrigerators" in Physics for Scientists and Engineers: A Strategic Approach, 3nd ed. San Francisco, U.S.A.: Pearson Addison-Wesley, 2008, ch.19, sec.2, pp.530
  2. R. A. Hinrichs and M. Kleinbach, "Heat and Work," in Energy: Its Use and the Environment, 5th ed. Toronto, Ont. Canada: Brooks/Cole, 2013, ch.4, pp.93-122
  3. Wikimedia Commons [Online], Available: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Jet_engine.svg
  4. Wikimedia Commons [Online], Available: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/dc/4StrokeEngine_Ortho_3D_Small.gif
  5. "File:Two-Stroke Engine.gif - Wikimedia Commons", Commons.wikimedia.org, 2018. [Online]. Available: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Two-Stroke_Engine.gif.[Accessed: 17- May- 2018].
  6. C. Wu, Thermodynamics and heat powered cycles. New York: Nova Science Publishers, 2007
  7. Wikimedia Commons [Online], Available: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fc/Wankel_Cycle_anim_en.gif

Autores y redactores

Bethel Afework, Alba Fano-trabanco, Jordan Hanania, James Jenden, Kailyn Stenhouse, Luisa Vargas Suarez, Jason Donev
Última actualización: 15 mayo, 2022
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