Cómo funciona un motor de combustión interna
Es imposible imaginar el mundo moderno sin los motores de combustión interna. Son ellos quienes nos ayudan a llegar al trabajo por la mañana o viajar cómodamente por el mundo. Pero a pesar de la popularidad de estos motores, no todo el mundo sabe cómo funcionan.
En Ideas en 5 minutos te contamos sobre el diseño y el principio de funcionamiento del motor de combustión interna.
Qué es un motor de combustión interna
Un motor de combustión interna (MCI) es un tipo de máquina que convierte el combustible en energía mecánica. Se clasifica como motor térmico, es decir, quema combustible para producir energía, con la ayuda de la cual se realiza un trabajo útil.
Los MCI se utilizan en vehículos aéreos, acuáticos, ferroviarios, automóviles y otros, así como en cortadoras de césped, motosierras, compresores de aire, etc.
El motor de combustión interna se llama así porque el combustible se enciende y se quema en su interior. Los MCI son actualmente los dispositivos de producción de energía más populares del mundo.
Motores de combustión interna de gasolina y diésel
Los motores de combustión interna más comunes son los de gasolina y diésel.
Esencialmente, son lo mismo. Ambos motores funcionan gracias al combustible, aire y proceso de combustión.
Sin embargo, hay diferencias entre ellos.
- En un motor de gasolina, el combustible se mezcla previamente con aire, luego se comprime mediante el pistón dentro del cilindro y se enciende con una chispa de la bujía.
- En un motor diésel, el pistón primero comprime el aire y solo después se inyecta el combustible. No se usan las bujías. El aire se calienta al comprimirse y el combustible se enciende por sí solo.
Qué partes integran el motor de combustión interna
El motor de combustión interna más común es el motor de gasolina de 4 tiempos.
Está compuesto de los siguientes elementos:
- Árbol de levas de escape
- Balancín de las válvulas de escape
- Bujía
- Balancín de válvulas de admisión
- Árbol de levas de admisión
- Válvula de escape
- Válvula de admisión
- La culata
- Pistón
- Pasador del pistón
- Biela
- Bloque de motor
- Cigüeñal
- PMS — punto muerto superior
- PMI — punto muerto inferior
Algunas partes del motor de combustión interna son inmóviles:
- culata
- cilindro
Otros componentes se mueven:
- árbol de levas
- pistón
- cigüeñal
- biela
- válvula
Cómo funciona el motor de combustión interna
Más arriba, enumeramos los componentes de un motor de combustión interna de 1 cilindro. En los motores de automóviles, a menudo se utilizan de 4 a 8 cilindros. Hay autos con 16 cilindros. Y los motores de pistón de aviación tienen hasta 28. Con un aumento en el número de cilindros, aumenta la potencia del motor.
El cilindro es la unidad de potencia del motor. Generalmente, los motores con más cilindros producen más potencia, mientras que los que tienen menos cilindros consumen menos combustible.
Muchos cilindros están equipados con más de 2 válvulas. Para aumentar la potencia del motor, a menudo se utilizan 4 válvulas por cilindro.
En todos los motores de combustión interna, el combustible se quema internamente. La cámara de combustión consta de un cilindro en el que corre un pistón ajustado. Se mueve dentro del cilindro desde el punto muerto inferior (PMI) hasta el punto muerto superior (PMS). El movimiento del pistón entre estos puntos se llama carrera o recorrido. El pistón está unido a una biela que está conectada al cigüeñal. De este modo, los movimientos hacia arriba y hacia abajo del pistón se convierten en movimientos de rotación.
La potencia del motor de combustión interna se obtiene quemando una mezcla de combustible y aire en un espacio confinado. Cuando el combustible se quema en el aire, se forma un gas caliente, cuyo volumen se expande. El gas empuja el pistón, que a su vez hace girar el cigüeñal. Si hablamos del automóvil, entonces, a través de la transmisión, este movimiento se transmite a las ruedas, que lo hacen moverse.
4 tiempos de funcionamiento del motor
El motor que analizamos anteriormente se denomina de cuatro tiempos porque el ciclo de trabajo se realiza en cuatro carreras del pistón.
- Admisión
- Compresión
- Combustión
- Escape
En 1 ciclo de trabajo, el pistón realiza 2 carreras completas en el cilindro y el cigüeñal, respectivamente, da 2 vueltas.
Admisión
- Al comienzo de la primera carrera, el pistón está en la posición cercana al PMS.
- La válvula de admisión se abre y el pistón se mueve hacia abajo al PMI. En este momento, el cilindro aspira una mezcla de aire y combustible, o simplemente aire, si hablamos de un motor diésel.
La carrera de admisión termina cuando el pistón alcanza PMI. Durante la 1.ª carrera, el motor consume energía.
Compresión
- Al comienzo de la segunda carrera, el pistón se encuentra en PMI.
- Las válvulas de admisión y escape están cerradas durante esta carrera.
- El pistón comienza a moverse hacia arriba, a PMS, comprimiendo la mezcla de aire y combustible en los motores de gasolina o solo aire en los motores diésel. La presión máxima se alcanza cuando el pistón está a punto de alcanzar el PMI. Aproximadamente al mismo tiempo, se produce una chispa en un motor de gasolina y se inyecta combustible en un motor diésel.
En la carrera de compresión, el motor sigue consumiendo energía, incluso más que en la carrera de admisión.
Combustión
- Al comienzo de la 3ra carrera, el pistón se encuentra en PMS.
- Las válvulas de admisión y escape están cerradas.
- La combustión de la mezcla de aire y combustible comienza al final de la carrera de compresión. Este proceso da como resultado un aumento repentino de la presión dentro del cilindro, lo que empuja el pistón hacia abajo hasta el PMI.
Es en este momento que el pistón a través de la biela hace girar el cigüeñal. La fuerza que actúa sobre el cigüeñal se denomina torque.
Durante la carrera de combustión (carrera de potencia), el motor produce energía
Escape
- Durante el comienzo de la 4.ª carrera, el pistón está en PMI, donde fue empujado por la presión aumentada de los gases producidos por la combustión del combustible.
- Durante la carrera de escape, la válvula de escape está abierta.
- El pistón comienza a moverse de PMI a PMS, empujando la mayoría de los gases de escape fuera del cilindro hacia los tubos de escape.
Durante la carrera de escape, el motor vuelve a consumir energía.
Eficiencia de un motor de combustión interna
Apenas todo el combustible que recibe el motor se convierte en energía útil. La mayor parte de la energía se convierte en calor, que es neutralizado por el sistema de refrigeración.
El coeficiente de rendimiento de los motores de 4 tiempos es del 20 al 25 %. Solo este porcentaje de la energía del combustible se convierte en energía mecánica. El resto va al sistema de refrigeración y escape.
Los motores diésel son más eficientes. En los más grandes, llega al 42 %, y en motores de turismos y camiones se mantiene en torno al 25-30 %.
Un poco de historia
El primer motor de combustión interna comercial fue inventado por el ingeniero Jean Joseph Etienne Lenoir. En 1860, Lenoir instaló un motor de combustión interna de 1 cilindro de gas en un vehículo de 3 ruedas y lo patentó.
El primer motor de combustión interna funcionó bastante bien, pero era demasiado ruidoso y, a menudo, se sobrecalentaba. Había que enfriarlo con agua. Además, uno de los inconvenientes del invento de Lenoir residía en el alto consumo.
En 1863, el ingeniero presentó un vehículo de 3 ruedas que funcionaba con gasolina. Durante su exposición en París, recorrió 11,2 km en 3 horas. Aunque el vehículo se movía muy lentamente, causaba una impresión bastante fuerte, porque no era impulsado por un caballo o una mula, sino por un motor.
Los motores Lenoir eran bastante populares. En total, fabricaron unas 500 piezas.
En 1876, Nikolaus Otto inventó el motor de gas eficiente. Fue el primer motor de combustión interna de pistón de 4 tiempos. El motor fue instalado inmediatamente en una motocicleta. El motor Otto utilizaba el principio de admisión, compresión, combustión y escape. Así es como funcionan ahora la mayoría de los motores de combustión interna en automóviles o motocicletas.
En 1885, Carl Benz creó el primer automóvil con motor de combustión interna que funcionaba con gasolina, y en 1886 lo patentó. Benz fabricó su motor basándose en la experiencia de Otto, quien a su vez, utilizó los diseños de Lenoir.