Motor de combustión interna

Un motor de combustión interna (MCI ou motor de CI) é unha máquina térmica na que a combustión dun combustible prodúcese cun oxidante (normalmente aire) nunha cámara de combustión que forma parte integrante do circuíto de fluxo do fluído de traballo. Nun motor de combustión interna, a expansión dos gases a alta temperatura e alta presión producida pola combustión aplica forza directa a algún compoñente do motor. A forza aplícase normalmente a pistóns (motor de pistón), palas de turbinas (turbina a gas), un rotor (motor Wankel), ou unha embocadura (motor a reacción). Esta forza move o compoñente ao longo dunha distancia, transformando a enerxía química en enerxía cinética que se utiliza para propulsar, mover ou dar potencia a calquera cousa á que estea axustado o motor.
O primeiro motor de combustión interna con éxito comercial foi creado por Étienne Lenoir cara ao 1860, e o primeiro motor de combustión interna moderno, coñecido como motor Otto, foi creado en 1876 por Nicolaus Otto. O termo motor de combustión interna adoita referirse a un motor no que a combustión é intermitente, como os máis coñecidos motores de pistón de dous tempos e catro tempos, xunto con variantes, como o motor de pistón de seis tempos e o motor rotativo Wankel. Unha segunda clase de motores de combustión interna utiliza a combustión continua: As turbinas de gas, os motores a reacción e a maioría dos motores foguete, que son motores de combustión interna baseados no mesmo principio descrito anteriormente. (As armas de fogo tamén son unha forma de motor de combustión interna, aínda que dun tipo tan especializado que adoitan tratarse como unha categoría á parte, xunto con armamento como os morteiros e os canóns antiaéreos). En cambio, nos motores de combustión externa, como as vapor ou os motores Stirling, a enerxía fornécese a un fluído de traballo que non está composto, mesturado ou contaminado por produtos de combustión. Os fluídos de traballo dos motores de combustión externa inclúen aire, auga quente, auga a presión ou mesmo sodio líquido quentado nunha caldeira.
Aínda que existen moitas aplicacións estacionarias, a maioría de MCIs utilízanse en aplicacións móbiles e son a fonte de alimentación principal de vehículos como coches, avións e barcos. MCIs adoitan funcionar con combustibles baseados en hidrocarburos como gas natural, gasolina, gasóleo ou etanol. Os combustibles renovables como o biodiésel utilízanse en motores de ignición por compresión (IC) e o bioetanol ou o ETBE (Éter etil-terc-butílico) producido a partir de bioetanol en motores de ignición por chispa (SE). Xa en 1900, o inventor do motor diésel, Rudolf Diesel, utilizaba aceite de cacahuete para facer funcionar os seus motores. Os combustibles renovables adoitan mesturarse con combustibles fósiles. O hidróxeno, que de cando en cando se utiliza, pode obterse a partir de combustibles fósiles ou de enerxías renovables. Historia
A invención pódese remontar a dous italianos: o padre Eugenio Barsanti, un sacerdote escolapio, e Felice Matteucci, enxeñeiro hidráulico e mecánico, que xa en 1853 detallaron documentos de operación e construción e patentes pendentes en varios países europeos como Gran Bretaña, Francia, Italia e Alemaña.
Os primeiros prototipos carecían da fase de compresión; é dicir, a fase de succión terminaba prematuramente coa pechadura da válvula de admisión antes de que o pistón chegase á metade, o que provocaba que a faísca que xeraba a combustión que empuxa a carreira do pistón fose débil. Como consecuencia o funcionamento destes primeiros motores era deficiente. Foi a fase de compresión a que deu unha eficiencia significativa ao motor de combustión interna, que lograría a substitución definitiva dos motores a vapor e impulsaría o desenvolvemento dos automóbiles, xa que lograba desenvolver unha potencia igual ou maior en dimensións considerablemente moito máis reducidas.
As primeiras aplicacións prácticas dos motores de combustión interna foron os motores fóra de borda. Isto foi debido a que o principal impedimento para a aplicación práctica do motor de combustión interna en vehículos terrestres era o feito de que, a diferenza da máquina de vapor, non podía comezar desde parado. Os motores mariños non sofren este problema, xa que as hélices son libres dun significativo momento de inercia.
O motor tal como o coñecemos hoxe en día foi desenvolvido polo alemán Nikolaus Otto, quen en 1886 patentou o deseño dun motor de combustión interna a catro tempos, baseado nos estudos do inventor francés Alphonse Beau de Rochas de 1862, que á súa vez se baseou no modelo de combustión interna de Barsanti e Matteucci. Tipos principais
Os MCI divídense en:
Motores alternativos (MCIA): O motor de acendido provocado, ou de ciclo Otto cuxo nome provén do técnico alemán que o inventou, Nikolaus August Otto, é o motor convencional de gasolina que se emprega en automoción e aeronáutica.
O motor de ignición por compresión ou motor Diésel, chamado así en honra do enxeñeiro alemán Rudolf Diesel, funciona cun principio diferente e adoita consumir gasóleo. Emprégase en instalacións xeradoras de enerxía eléctrica, en sistemas de propulsión naval, en camións, autobuses e automóbiles. Tanto os motores Otto como os Diésel fabrícanse en modelos de dous (2T) e catro tempos (4T).
Motores rotativos (MCIR): O motor rotatorio Wankel.
A turbina de combustión ou turbina de gas. Aplicacións máis comúns
As diferentes variantes dos dous ciclos, tanto en diésel como en gasolina, teñen cada un o seu ámbito de aplicación. 2T gasolina: tivo grande aplicación nas motocicletas, motores de ultralixeiros (ULM) e motores mariños fora-borda ata unha certa cilindrada, perdendo moito terreo neste campo polas normas anticontaminación. Actualmente seguen en uso para as cilindradas mínimas de ciclomotores e scooters (50 cc), ou un pouco máis grandes de motocicletas de competición e motocross, pequenos motores de motoserras e outras máquinas portátiles lixeiras, e pequenos grupos electróxenos (2015).
4T gasolina: domina nas aplicacións en motocicletas de todas as cilindradas, automóbiles, aviación deportiva e fora borda.
2T diésel: domina nas aplicacións navais de gran potencia, ata 100000 CV hoxe en día, e tracción ferroviaria. No seu momento de auxe usouse en aviación con certo éxito.
4T diésel: domina no transporte terrestre, automóbiles e aplicacións navais ata unha certa potencia. Empeza a aparecer na aviación deportiva. Estrutura e funcionamento
Os motores Otto e os diésel teñen os mesmos elementos principais: (bloque, cegoñal, biela, pistón, culata, válvulas) e outros específicos de cada un, como a bomba inxectora de alta presión nos diésel, ou antigamente o carburador nos Otto.
Nos 4T é moi frecuente designalos mediante o seu tipo de distribución: SV, OHV, SOHC, DOHC. É unha referencia á disposición da (ou as) árbore de levas.
Cámara de combustión
A cámara de combustión é un cilindro, polo xeral fixo, pechado nun extremo e dentro do cal deslízase un pistón moi axustado ao cilindro. A posición cara a dentro e cara a fóra do pistón modifica o volume que existe entre a cara interior do pistón e as paredes da cámara. A cara exterior do pistón está unida por unha biela ao cegoñal, que converte en movemento rotatorio o movemento lineal do pistón.
Nos motores de varios cilindros, o cegoñal ten unha posición de partida, chamada espiga de cegoñal e conectada a cada eixe, co que a enerxía producida por cada cilindro aplícase ao cegoñal nun punto determinado da rotación. Os cegoñais contan con pesados volantes e contrapesos cuxa inercia reduce a irregularidade do movemento do eixe. Un motor alternativo pode ter de 1 a 28 cilindros.
Sistema de alimentación
O sistema de alimentación de combustible dun motor Otto consta dun depósito, unha bomba de combustible e un dispositivo dosificador de combustible que vaporiza ou atomiza o combustible desde o estado líquido, nas proporcións correctas para poder ser queimado. Chámase carburador ao dispositivo que ata agora viña sendo utilizado con este fin nos motores Otto. Agora os sistemas de inxección de combustible substituírono por completo por motivos medioambientais. A súa maior precisión na dosificación de combustible inxectado reduce as emisións de CO2, e asegura unha mestura máis estable. Nos motores diésel dosificase o combustible gasóleo de xeito non proporcional ao aire que entra, senón en función do mando de aceleración e o réxime motor (mecanismo de regulación) mediante unha bomba inxectora de combustible.
Nos motores de varios cilindros o combustible vaporizado lévase aos cilindros a través dun tubo ramificado chamado colector de admisión. A maior parte dos motores contan cun colector de escape ou de expulsión, que transporta fóra do vehículo e amortece o ruído dos gases producidos na combustión.
Sistema de distribución
Cada cilindro toma o combustible e expulsa os gases a través de válvulas de cabezal ou válvulas deslizantes. Unha ponte mantén pechadas as válvulas ata que se abren no momento adecuado, ao actuar as levas dunha árbore de levas rotatorio movido polo cegoñal, estando o conxunto coordinado mediante a cadea ou a correa de distribución. houbo outros diversos sistemas de distribución, entre eles a distribución por válvula de camisa (sleeve-valve).
Aceso
Os motores necesitan unha forma de iniciar a combustión do combustible dentro do cilindro. Nos motores Otto, o sistema de aceso consiste nun compoñente chamado bobina de aceso, que é un auto-transformador de alta voltaxe ao que está conectado un conmutador que interrompe a corrente do primario para que se induza un impulso eléctrico de alta voltaxe no secundario.
Devandito impulso está sincronizado co tempo de compresión de cada un dos cilindros; o impulso lévase ao cilindro correspondente (aquel que está en compresión nese momento) utilizando un distribuidor rotativo e uns cables que levan a descarga de alta voltaxe á buxía. O dispositivo que produce o aceso da mestura combustible/aire é a buxía, que, instalada en cada cilindro, dispón de eléctrodos separados unhas décimas de milímetro, o impulso eléctrico produce unha faísca no espazo entre un eléctrodo e outro, que inflama o combustible; hai buxías con varios eléctrodos, buxías que usan o proceso de 'descarga de superficie' para producir a faísca, e 'buxías incandescentes ' (Glow-plug).
Se a bobina está en mal estado quentase; iso produce perdas de enerxía, reduce a faísca das buxías e causa fallos no sistema de aceso do automóbil. Dos sistemas de xeración de electricidade nos motores, os magnetos dan unha baixa voltaxe a poucas rpm, aumentando a voltaxe da faísca ao aumentar as rpm, mentres os sistemas con batería dan unha boa faísca a baixas rpm, pero a intensidade da faísca baixa ao aumentar as rpm.
Refrixeración
Dado que a combustión produce calor, todos os motores deben dispoñer dalgún tipo de sistema de refrixeración. Algúns motores estacionarios de automóbiles e de avións, e os motores foraborda, refrixéranse con aire. Os cilindros dos motores que utilizan este sistema contan no exterior cun conxunto de láminas de metal que emiten a calor producida dentro do cilindro. Noutros motores utilízase refrixeración por auga, o que implica que os cilindros se atopan dentro dunha carcasa chea de auga que nos automóbiles faise circular mediante unha bomba. A auga refrixérase ao pasar polas láminas dun radiador. É importante que o líquido que se usa para arrefriar o motor non sexa auga común e corrente porque os motores de combustión traballan regularmente a temperaturas máis altas que a temperatura de ebulición da auga. Isto provoca unha alta presión no sistema de arrefriamento dando lugar a fallas nos empaquetados e selos de auga, así como no radiador; úsase un refrixerante, pois non ferve á mesma temperatura que a auga, senón a máis alta temperatura, e que tampouco se conxela a temperaturas moi baixas.
Outra razón pola cal débese usar un refrixerante é que este non produce sarrio nin sedimentos que se adhiran ás paredes do motor e do radiador formando unha capa illante que diminuiría a capacidade de arrefriamento do sistema. Nos motores navais utilízase auga do mar para a refrixeración.
Sistema de arranque
Ao contrario que os motores e as turbinas de vapor, os motores de combustión interna non producen un par de forzas cando arrincan (véxase Momento de forza), o que implica que debe provocarse o movemento do cegoñal para que se poida iniciar o ciclo. Os motores de automoción utilizan un motor eléctrico (ou motor de arranque) conectado ao cegoñal por un embrague automático que se desacopla en canto arrinca o motor. Doutra banda, algúns motores pequenos arríncanse a man xirando o cegoñal cunha cadea ou tirando dun cordo que se enrola ao redor do volante do cegoñal.
Outros sistemas de aceso de motores son os iniciadores de inercia, que aceleran o volante manualmente ou cun motor eléctrico ata que ten a velocidade suficiente como para mover o cegoñal. Certos motores grandes utilizan iniciadores explosivos que, mediante a explosión dun cartucho moven unha turbina axustada ao motor e proporcionan o osíxeno necesario para alimentar as cámaras de combustión nos primeiros movementos. Os iniciadores de inercia e os explosivos utilízanse sobre todo para arrincar motores de avións. Tipos de motores
Motor convencional do tipo Otto
O motor convencional do tipo Otto é un motor de tipo alternativo de catro tempos (4T), aínda que en fóra borda e vehículos de dúas rodas ata unha certa cilindrada utilizouse moito o motor de dous tempos (2T). O rendemento térmico dos motores Otto modernos vese limitado por varios factores, entre outros a perda de enerxía pola fricción, a refrixeración e falta de constancia nas condicións de funcionamento.
A termodinámica dinos que o rendemento dun motor alternativo depende en primeira aproximación do grao de compresión. Esta relación adoita ser de 8 a 1 ou 10 a 1 na maioría dos motores Otto modernos. Pódense utilizar proporcións maiores, como de 12 a 1, aumentando así a eficiencia do motor, pero este deseño require a utilización de combustibles de alto índice de octano para evitar o fenómeno da detonación, que pode producir graves danos no motor. A eficiencia ou rendemento medio dun bo motor Otto é dun 20 a un 25 %: só a cuarta parte da enerxía calorífica transfórmase en enerxía mecánica.
Case todos os motores deste tipo fabrícanse para o transporte e deben traballar fornecendo diferentes potencias en cada momento.
Debido a isto o rendemento dos mesmos cae bruscamente ao traballar con carga parcial, xa que, cando isto sucede, a cámara de compresión mantén o seu volume, dando unha compresión final baixa e transformando gran parte da enerxía en calor.
Tamén existe unha variación do ciclo Otto que mellora a eficiencia do motor ao aumentar o tempo de expansión con respecto ao tempo de compresión coñecido como Ciclo Miller.
Motores diésel
En teoría, o ciclo diésel difire do ciclo Otto en que a combustión ten lugar neste último a volume constante no canto de producirse a unha presión constante. A maioría dos motores diésel son así mesmo do ciclo de catro tempos, salvo os de tamaño moi grande, ferroviarios ou mariños, que son de dous tempos. As fases son diferentes das dos motores de gasolina.
Na primeira carreira, a de admisión, o pistón baixa, absorbendo aire cara á cámara de combustión. Na segunda carreira, a fase de compresión, en que o pistón sobe. o aire comprímese a unha parte do seu volume orixinal, o cal fai que suba a súa temperatura ata uns 850 °C. Ao final da fase de compresión inxéctase o combustible a gran presión mediante a inxección de combustible co que se atomiza dentro da cámara de combustión, producíndose a inflamación por mor da alta temperatura do aire. Na terceira fase, a fase de traballo, os gases produto da combustión empuxan o pistón cara a fóra, transmitindo a forza lonxitudinal ao cegoñal a través da biela, transformándose en forza de xiro par motor. A cuarta fase é, do mesmo xeito que nos motores Otto, a fase de escape, cando volve o pistón cara a dentro.
Algúns motores diésel utilizan un sistema auxiliar de ignición para acender o combustible ao arrincar o motor e mentres alcanza a temperatura adecuada.
A eficiencia ou rendemento (proporción da enerxía do combustible que se transforma en traballo e non se perde como calor) dos motores diésel dependen, dos mesmos factores que os motores Otto, é dicir das presións (e por tanto das temperaturas) inicial e final da fase de compresión. Por tanto é maior que nos motores de gasolina, chegando a superar o 40 %. nos grandes motores de dous tempos de propulsión naval. Este valor lógrase cun grao de compresión de 20 a 1 aproximadamente, contra 9 a 1 nos Otto. Por iso é necesaria unha maior robustez, e os motores diésel son, polo xeral, máis pesados que os motores Otto. Esta desvantaxe compénsase co maior rendemento e o feito de utilizar combustibles máis baratos.
Os motores diésel grandes de 2T adoitan ser motores lentos con velocidades de cegoñal de 100 a 750 revolucións por minuto (rpm ou r/ min) (grandes barcos), mentres que os motores de 4T traballan ata 2500 rpm (camións e autobuses) e 5000 rpm. (automóbiles)
Motor de dous tempos
Cun deseño adecuado pode conseguirse que un motor Otto ou diésel funcione a dous tempos, cun tempo de potencia cada dúas fases no canto de cada catro fases. A eficiencia deste tipo de motores é menor que a dos motores de catro tempos, pero ao necesitar só dous tempos para realizar un ciclo completo, producen máis potencia que un motor de catro tempos do mesmo tamaño.
O principio xeral do motor de dous tempos é a redución da duración dos períodos de absorción de combustible e de expulsión de gases a unha parte mínima dun dos tempos, no canto de que cada operación requira un tempo completo. O deseño máis simple de motor de dous tempos utiliza, no canto de válvulas na culata, lumbreiras, orificios (que quedan expostos ao ir subindo e baixando o pistón). Nos motores de dous tempos, case sempre lubricados engadindo aceite á gasolina, a mestura de combustible e aire entra no cilindro a través da lumbreira de admisión cando o pistón está na posición máis afastada da culata. O primeiro tempo é a compresión-aceso, na que se inicia a combustión da carga de mestura aire/combustible/aceite cando o pistón avanza ata o final dese tempo (PMS). Despois, o pistón retírase na fase de explosión, abrindo o orificio de expulsión e permitindo que os gases saian da cámara. Dos dous procedementos para o 'varrido' dentro dos cilindros dos motores de dous tempos, proceso polo cal entra a nova carga e expúlsanse ao escape os gases procedentes da combustión da mestura de traballo, demostrouse (SAE) que o chamado: 'varrido en lazo' ('Loop scavenging' en inglés) dá sempre mellores resultados que o sistema chamado: 'Unidireccional' ('Uniflow scavenging' en inglés).
Motor de catro tempos
Cara a 1879 Nicolaus August Otto deseñou e construíu un motor con dobre expansión, concepto proposto polos ingleses Jonathan Hornblower e Artur Woolf en 1781, antes de que Watt leva á práctica a máquina de vapor. A primeira expansión facíase no cilindro onde se realizou a combustión, e unha segunda noutro pistón, este a baixa presión, co obxectivo de lograr o aproveitamento da enerxía dos gases de escape; mesmo se construíron motores con tripla expansión, como o Troy, e o principio usouse en moitos motores mariños. En 1906 a empresa EHV radicada en Connecticut, Estados Unidos, fabricou un motor de combustión interna de tres cilindros e dobre expansión que montaron nun automóbil. Do mesmo xeito que o motor construído por Otto, cuxo comprador o devolveu, o motor de EHV non demostrou na práctica as vantaxes de menor consumo de combustible esperadas. En España hai dúas patentes concedidas de motores cun principio similar, unha de 1942 a Francisco Jimeno Cataneo ( Nº OEPM 0156621) e outra de 1975 a Carlos Ubierna Laciana ( Nº OEPM 0433850), no INTA construíuse un prototipo de motor de aviación con cilindros en estrela e un principio parecido, ideado polo enxeñeiro J Ortuño García, patentes 0230551 e 0249247 e ao que se atribuíu un consumo moi baixo de combustible, está exposto no Museo do Aire en Cuatro Vientos, Madrid. O ano 2009, a empresa británica ILMOR presentou nunha exposición internacional de motores en Stuttgart, un prototipo de motor de 5 tempos, segundo unha patente concedida nos Estados Unidos a Gerhard Schmitz. Para este motor anunciaron un consumo específico de 215 g/ kWh, unha relación de compresión efectiva de 14'5/1 e un peso inferior en 20 % aos motores convencionais equivalentes.
Motor Wankel
Na década de 1950, o enxeñeiro alemán Félix Wankel completou o desenvolvemento dun motor de combustión interna cun deseño revolucionario, actualmente coñecido como motor Wankel. Utiliza un rotor triangular- lobular dentro dunha cámara ovalada, en lugar dun pistón e un cilindro.
A mestura de combustible e aire é absorbida a través dun orificio de aspiración e queda atrapada entre unha das caras do rotor e a parede da cámara. A rotación do rotor comprime a mestura, que se acende cunha buxía. Os gases expúlsanse a través dun orificio de expulsión co movemento do rotor. O ciclo ten lugar unha vez en cada unha das caras do rotor, producindo tres fases de potencia en cada xiro.
O motor de Wankel é compacto e lixeiro en comparación cos motores de pistóns, polo que gañou importancia durante a crise do petróleo nas décadas de 1970 e 1980. Ademais, funciona case sen vibracións e a súa sinxeleza mecánica permite unha fabricación barata. Non require moita refrixeración, e o seu centro de gravidade baixo aumenta a seguridade na condución. Con todo salvo algúns exemplos prácticos como algúns vehículos Mazda, tivo problemas de durabilidade.
Motor de carga estratificada
Unha variante do motor de aceso con buxías é o motor de carga estratificada, deseñado para reducir as emisións sen necesidade dun sistema de re-circulación dos gases resultantes da combustión e sen utilizar un catalizador. A clave deste deseño é unha cámara de combustión dobre dentro de cada cilindro, cunha antecámara que contén unha mestura rica de combustible e aire mentres a cámara principal contén unha mestura pobre. A buxía acende a mestura rica, que á súa vez acende a da cámara principal. A temperatura máxima que se alcanza é suficientemente baixa como para impedir a formación de óxidos de nitróxeno, mentres que a temperatura media é a suficiente para limitar as emisións de monóxido de carbono e hidrocarburos.