JuanJo_FR
30/10/2009, 15:48
Un motor de combustión interna es básicamente una máquina que mezcla oxígeno con combustible gasificado. Una vez mezclados íntimamente y confinados en un espacio denominado cámara de combustión, los gases son encendidos para quemarse (combustión).
Debido a su diseño, el motor, utiliza el calor generado por la combustión, como energía para producir el movimiento giratorio que conocemos.
Motor de combustion interna
1er tiempo: carrera de admisión. Se abre la vávula de admisión, el pistón baja y el cilindro se llena de aire mezclado con combustible.
2do tiempo: carrera de compresión. Se cierra la válvula de admisión, el pistón sube y comprime la mezcla de aire/gasolina.
3er tiempo: carrera de expansión. Se enciende la mezcla comprimida y el calor generado por la combustión expande los gases que ejercen presión sobre el pistón.
4to tiempo: carrera de escape. Se abre la vávula de escape, el pistón se desplaza hacia el punto muerto superior, expulsando los gases quemados.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Aire y Presión Atmoférica
El aire atmosférico se compone de 78% de Nitrógeno, 21% de Oxígeno y concentraciones menores de dióxido de carbono, argón, neón, helio, criptón, xenón, hidrógeno, metano, óxido nitroso, ozono y vapor de agua. Cuando la presión atmosférica es mayor entonces el número de moléculas de oxígeno contenidas, por ejemplo en un litro, también es mayor. La mayor concentración de oxígeno por unidad de volumen permite quemar más combustible a la vez, por lo cual el motor aumenta su rendimiento volumétrico, genera más fuerza motriz y desarrolla mayor potencia.
El Motor Atmosférico
Para la alimentación de motor de pistones, se utiliza la presión atmosférica. Es decir, a medida que el pistón se desplaza en carrera de admisión, la presión atmosférica empuja el aire mezclado con gasolina hacia el interior del cilindro para llenar el espacio generado. La velocidad que alcanza el gas para llenar el cilindro depende absolutamente de la presión atmosférica. Si la presión atmosférica es mayor, la fuerza con que será empujado el gas hacia el interior del cilindro también será mayor.
Sobrealimentación de Motor
El motor de pistones también funciona con presiones superiores a la atmosférica. Para lograr mayor rendimiento volumétrico la alimentación de motor se puede realizar con un turbocargador. Este equipo empuja el aire de alimentación con una fuerza superior a la presión atmosférica. Como consecuencia se obtiene un motor capaz de quemar más gasolina, desarrollar más potencia y alcanzar mayor número de revoluciones.
Cómo funciona el Turbocargador
Con el propósito de incrementar la potencia de un motor, la eficiencia de éste dado su volumen también debe ser aumentada. Por lo tanto, el concepto denominado eficiencia volumétrica significa la cantidad de la mezcla de aire / combustible que un motor es capaz de "inhalar" en la carrera de admisión, y comparar este volumen de la mezcla con el resultado que se conseguiría si los cilindros se llenaran completamente. Sin embargo, no debemos olvidar que ningún motor tiene la capacidad de llenar los cilindros un ciento por ciento en la carrera de admisión, debido aciertas limitaciones. Entre estas limitaciones se encuentran el diámetro de las válvulas y las lumbreras, el diseño del múltiple de admisión, el tiempo de las válvulas, las revoluciones por minuto del motor y, desde luego, la presión atmosférica.
Uno de los métodos empleados para aumentar la habilidad de bombeo de un motor, para que desarrolle mayor rendimiento con menos combustible, consiste en incorporar un turbocargador que fuerce el aire dentro del motor a una presión atmosférica más alta. Un motor pequeño logra aumentar su salida de potencia en un 60% y más. Pues esto es precisamente lo que hace un turbocargador. No obstante, un turbocargador difiere de un supercargador en que ninguna energía mecánica del cigüeñal es utilizada para el funcionamiento del compresor de aire.
Un supercargador no es más que un compresor de aire. Pero como quiera que éste trabaja mediante su acoplamiento mecánico al cigüeñal del motor, el supercargador toma cierta fuerza del motor, al mismo tiempo que aumenta la potencia de salida de éste.
Pero, por otra parte, un turbocargador no necesita la energía mecánica que proviene del cigüeñal. La rueda de su turbina (la que está colocada en la parte caliente) es impulsada por la energía térmica y la presión que suministran los gases de desecho del escape. Por tal motivo, mientras la turbina se encuentra funcionando, al motor no se le suministra ninguna carga adicional ni se le roba fuerza.
Como quiera que la rueda del compresor está acoplada directamente al eje de la rueda de la turbina, las dos ruedas giran a una misma velocidad, la que puede ser tan alta como 120,000 rpm.
Luego que se produce la combustión, los gases del escape penetran en la caja donde se encuentra la turbina, y aplican fuerza a las hélices de la misma. Son pues esos gases los que hacen girar la turbina, debido al mismo principio de física que hace girar las aspas de un molino de viento cuando éste sopla. Los gases del escape actúan sobre el mismo centro de la turbina, y después continúan su camino hacia el sistema convencional de escape.
En el lado opuesto del eje de la turbina es que se encuentra el compresor del turbo. El compresor absorbe aire ala presión atmosférica y lo comprime para aumentar esta presión. Seguidamente, el aire comprimido es enviado al múltiple de admisión y a los cilindros.
De modo que, siempre que el motor se encuentre en funcionamiento, también la turbina estará girando. Sin embargo, a bajas revoluciones por minuto, el motor absorberá el aire con mayor rapidez que el compresor lo puede comprimir. Como resultado de esto, la presión en el múltiple será inferior a la presión atmosférica. Esto origina un vacío en el múltiple.
A medida que aumenta la velocidad del motor, también se incrementa el volumen de los gases del escape. Llegado cierto punto, el volumen de los gases del escape es tal que el compresor será capaz de bombearlo con mayor velocidad que el motor puede utilizarlo. Por lo tanto, el vacío existente en el múltiple desaparece y se presenta una condición de alta presión. Cuando en el múltiple de admisión se desarrolla esta presión, la condición se describe como la etapa de impulso.
Esta presión positiva contenida en el múltiple de admisión aporta ciertos beneficios para que el motor reciba un incremento de potencia.
Un momento antes de que se inicie la carrera de admisión, el aire limpio penetra en las cámaras de combustión. Esto contribuye a que desaparezca cualquier residuo de gas y se enfríen las cabezas de los cilindros, los pistones, las válvulas y, en cierta medida, los gases del escape. El que la explosión de la mezcla de aire y combustible resulte más limpia, unido esto al efecto de enfriamiento del motor, son factores que ayudan a prolongar la vida útil de cualquier motor.
A medida que el turbocargador comprime el aire, aumenta su temperatura. Es algo muy común, mientras el motor está en la etapa de impulso, que la temperatura del compresor aumente de 21° C (70° F) a tanto como 93.3° C (200° F). El calor producido por la compresión tiene sus ventajas, pero también ciertas desventajas. Mientras el incremento de la temperatura ayuda a una mayor vaporización del combustible, también aumenta la tendencia a detonaciones por parte de las bujías.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Expansión: Fuerza de Empuje
El calor que se genera en la cámara de combustión cuando se quema la mezcla produce fuerza de expansión en los gases presentes. Esta característica expansiva de los gases es lo que ejerce la fuerza para generar el movimiento del motor.
Presión Media Efectiva, corresponde a la presión promedio que ejercen los gases durante la carrera de expansión en un motor.
Comparando dos motores iguales, aquél que es capaz de quemar apropiadamente mayor cantidad de combustible, dispone de mayor presión de expansión para impulsar los pistones.
Rendimiento Volumétrico
Como el tiempo de admisión es demasiado breve, los gases de mezcla fresca dentro del cilindro nunca alcanzan el valor de la presión atmosférica. Comparando dos motores iguales, el que sea capaz de llenar en mejor forma sus cilíndros será el más eficiente.
Se denomina rendimiento volumétrico al porcentaje de presión de llenado de un cilindro. Por ejemplo, si la presión barométrica es de 1.000 milibares, el motor tendrá un 80% de rendimiento volumétrico cuando los gases en sus cilindros alcanzan una presión de 800 milibares, antes de comenzar la carrera de compresión. Entre dos motores iguales, el que tiene mayor rendimiento volumétrico genera más potencia puesto que dispone de mayor número de moléculas de oxígeno que le permiten quemar mayor cantidad de combustible.
El sistema de admisión de motores para vehículos de calle están diseñados de manera que el rendimiento volumétrico máximo se alcance a velocidades medias de alrededor de 3.000 a 4.000 RPM. Cuando el llenado de los cilindros es máximo entonces el torque es máximo. Esto último no significa que su potencia sea máxima.
Fuerza de Torsión
El torque o par es el nombre que se da a las fuerzas de torsión. Para que la torsión exista se requieren 2 fuerzas (par), que se ejercen en sentido opuesto.
El valor del par depende del radio de acción de la fuerza. La mayor o menor torsión que genera una fuerza depende de la distancia al punto de pivote. A mayor brazo mayor par
Par de Torsión
El par o torque es un número que expresa el valor de la fuerza de torsión. Se expresa en kilos x metros. Es decir, si ejercemos una fuerza de 1 kilo con un un brazo de 1 metro el torque o par será de 1 kilo x metro (1 kilográmetro).
En un motor de pistones la capacidad de ejercer fuerza de torsión es limitada. Depende de la fuerza de expansión máxima que logran los gases en el cilindro. El torque máximo se consigue cuando el rendimiento volumétrico es máximo y por lo tanto se dispone de mayor temperatura para expandir los gases.
Los motores de mayor tamaño están equipados con cigüeñal de brazo más largo. Esto les da la posibilidad de ejercer igual par de torsión con menos fuerza de expansión de los gases.
Compresión de Motor
La relación de compresión es el término con que se denomina a la fracción matemática que define la proporción entre el volumen de admisión y el volumen de compresión.
Fórmula para Calcular la Relación de Compresión Teórica
V1 + V2
V1 = Capacidad en centímetros cúbicos de la cámara de combustión de la culata.
V2 = Capacidad del cilindro, con el pistón en su punto muerto inferior.
En general, la eficiencia térmica (capacidad para transformar calor en movimiento), y la potencia, dependen de la relación de compresión.
Un motor gasta energía para comprimir los gases y aporta energía al quemar los gases. A medida que se aumenta la compresión, la diferencia entre gasto y aporte de energía crece. Es decir, a mayor compresión el motor es más eficiente.
Relación de Compresión Efectiva
Para calcular el valor real de la relación, el volumen del cilindro requiere ser medido, no con su pistón en punto muerto inferior, sino que a partir de la posición que tiene cuando termina el cierre de la válvula de admisión.
Presión de Cilindro
La presión de un cilindro se mide con un manómetro de presión (compresímetro), y es necesario tomar una muestra de ella para conocer el grado de estanqueidad (sello) de los cilindros. Como esta presión se mide a muy bajas revoluciones y con el motor frío, no se puede considerar como método de diagnóstico definitivo. Sin embargo, esta medición determina con precisión la diferencia de estanqueidad entre cilindros.
Utilización del Calor
La gasolina es la fuente de energía primaria de un motor. Quemarla significa generar la fuerza suficiente para mover partes móviles y además entregar un excedente para fuerza de giro.
Eficiencia Térmica de Motor
Un motor de pistones, alimentado con gasolina, no es capaz de alcanzar 100% de eficiencia térmica. Es decir, no puede aprovechar todo el calor generado por la combustión para transformarlo en fuerza motriz. Los motores de combustión interna a gasolina son derrochadores, su eficiencia térmica es bastante pobre. Alrededor de 30% de la energía calórica que disponen, la transforman en movimiento y la otra parte la disipan (pérdida), hacia la atmósfera. Su popularidad se basa en la agilidad de aceleración que presentan, a diferencia de otros tipos como el diesel, que arrojan mejor eficiencia térmica pero son más lentos.
Rendimiento Calórico
No todos desperdician igual cantidad de calor durante su funcionamiento. Comparando motores de características iguales, se considera más eficiente a aquel que utilice mejor porcentaje de calor para producir fuerza motriz. Variadas son las razones por la cual un motor puede cambiar su eficiencia térmica. Como ejemplo podemos mecionar un motor que está siendo refrigerado en exceso. Es decir, su sistema de refrigeración no es el apropiado ya que retira mayor calor que el adecuado. Como consecuencia de esto el conjunto opera a temperaturas menores y su fuerza motriz decae.
Debido a su diseño, el motor, utiliza el calor generado por la combustión, como energía para producir el movimiento giratorio que conocemos.
Motor de combustion interna
1er tiempo: carrera de admisión. Se abre la vávula de admisión, el pistón baja y el cilindro se llena de aire mezclado con combustible.
2do tiempo: carrera de compresión. Se cierra la válvula de admisión, el pistón sube y comprime la mezcla de aire/gasolina.
3er tiempo: carrera de expansión. Se enciende la mezcla comprimida y el calor generado por la combustión expande los gases que ejercen presión sobre el pistón.
4to tiempo: carrera de escape. Se abre la vávula de escape, el pistón se desplaza hacia el punto muerto superior, expulsando los gases quemados.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Aire y Presión Atmoférica
El aire atmosférico se compone de 78% de Nitrógeno, 21% de Oxígeno y concentraciones menores de dióxido de carbono, argón, neón, helio, criptón, xenón, hidrógeno, metano, óxido nitroso, ozono y vapor de agua. Cuando la presión atmosférica es mayor entonces el número de moléculas de oxígeno contenidas, por ejemplo en un litro, también es mayor. La mayor concentración de oxígeno por unidad de volumen permite quemar más combustible a la vez, por lo cual el motor aumenta su rendimiento volumétrico, genera más fuerza motriz y desarrolla mayor potencia.
El Motor Atmosférico
Para la alimentación de motor de pistones, se utiliza la presión atmosférica. Es decir, a medida que el pistón se desplaza en carrera de admisión, la presión atmosférica empuja el aire mezclado con gasolina hacia el interior del cilindro para llenar el espacio generado. La velocidad que alcanza el gas para llenar el cilindro depende absolutamente de la presión atmosférica. Si la presión atmosférica es mayor, la fuerza con que será empujado el gas hacia el interior del cilindro también será mayor.
Sobrealimentación de Motor
El motor de pistones también funciona con presiones superiores a la atmosférica. Para lograr mayor rendimiento volumétrico la alimentación de motor se puede realizar con un turbocargador. Este equipo empuja el aire de alimentación con una fuerza superior a la presión atmosférica. Como consecuencia se obtiene un motor capaz de quemar más gasolina, desarrollar más potencia y alcanzar mayor número de revoluciones.
Cómo funciona el Turbocargador
Con el propósito de incrementar la potencia de un motor, la eficiencia de éste dado su volumen también debe ser aumentada. Por lo tanto, el concepto denominado eficiencia volumétrica significa la cantidad de la mezcla de aire / combustible que un motor es capaz de "inhalar" en la carrera de admisión, y comparar este volumen de la mezcla con el resultado que se conseguiría si los cilindros se llenaran completamente. Sin embargo, no debemos olvidar que ningún motor tiene la capacidad de llenar los cilindros un ciento por ciento en la carrera de admisión, debido aciertas limitaciones. Entre estas limitaciones se encuentran el diámetro de las válvulas y las lumbreras, el diseño del múltiple de admisión, el tiempo de las válvulas, las revoluciones por minuto del motor y, desde luego, la presión atmosférica.
Uno de los métodos empleados para aumentar la habilidad de bombeo de un motor, para que desarrolle mayor rendimiento con menos combustible, consiste en incorporar un turbocargador que fuerce el aire dentro del motor a una presión atmosférica más alta. Un motor pequeño logra aumentar su salida de potencia en un 60% y más. Pues esto es precisamente lo que hace un turbocargador. No obstante, un turbocargador difiere de un supercargador en que ninguna energía mecánica del cigüeñal es utilizada para el funcionamiento del compresor de aire.
Un supercargador no es más que un compresor de aire. Pero como quiera que éste trabaja mediante su acoplamiento mecánico al cigüeñal del motor, el supercargador toma cierta fuerza del motor, al mismo tiempo que aumenta la potencia de salida de éste.
Pero, por otra parte, un turbocargador no necesita la energía mecánica que proviene del cigüeñal. La rueda de su turbina (la que está colocada en la parte caliente) es impulsada por la energía térmica y la presión que suministran los gases de desecho del escape. Por tal motivo, mientras la turbina se encuentra funcionando, al motor no se le suministra ninguna carga adicional ni se le roba fuerza.
Como quiera que la rueda del compresor está acoplada directamente al eje de la rueda de la turbina, las dos ruedas giran a una misma velocidad, la que puede ser tan alta como 120,000 rpm.
Luego que se produce la combustión, los gases del escape penetran en la caja donde se encuentra la turbina, y aplican fuerza a las hélices de la misma. Son pues esos gases los que hacen girar la turbina, debido al mismo principio de física que hace girar las aspas de un molino de viento cuando éste sopla. Los gases del escape actúan sobre el mismo centro de la turbina, y después continúan su camino hacia el sistema convencional de escape.
En el lado opuesto del eje de la turbina es que se encuentra el compresor del turbo. El compresor absorbe aire ala presión atmosférica y lo comprime para aumentar esta presión. Seguidamente, el aire comprimido es enviado al múltiple de admisión y a los cilindros.
De modo que, siempre que el motor se encuentre en funcionamiento, también la turbina estará girando. Sin embargo, a bajas revoluciones por minuto, el motor absorberá el aire con mayor rapidez que el compresor lo puede comprimir. Como resultado de esto, la presión en el múltiple será inferior a la presión atmosférica. Esto origina un vacío en el múltiple.
A medida que aumenta la velocidad del motor, también se incrementa el volumen de los gases del escape. Llegado cierto punto, el volumen de los gases del escape es tal que el compresor será capaz de bombearlo con mayor velocidad que el motor puede utilizarlo. Por lo tanto, el vacío existente en el múltiple desaparece y se presenta una condición de alta presión. Cuando en el múltiple de admisión se desarrolla esta presión, la condición se describe como la etapa de impulso.
Esta presión positiva contenida en el múltiple de admisión aporta ciertos beneficios para que el motor reciba un incremento de potencia.
Un momento antes de que se inicie la carrera de admisión, el aire limpio penetra en las cámaras de combustión. Esto contribuye a que desaparezca cualquier residuo de gas y se enfríen las cabezas de los cilindros, los pistones, las válvulas y, en cierta medida, los gases del escape. El que la explosión de la mezcla de aire y combustible resulte más limpia, unido esto al efecto de enfriamiento del motor, son factores que ayudan a prolongar la vida útil de cualquier motor.
A medida que el turbocargador comprime el aire, aumenta su temperatura. Es algo muy común, mientras el motor está en la etapa de impulso, que la temperatura del compresor aumente de 21° C (70° F) a tanto como 93.3° C (200° F). El calor producido por la compresión tiene sus ventajas, pero también ciertas desventajas. Mientras el incremento de la temperatura ayuda a una mayor vaporización del combustible, también aumenta la tendencia a detonaciones por parte de las bujías.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Expansión: Fuerza de Empuje
El calor que se genera en la cámara de combustión cuando se quema la mezcla produce fuerza de expansión en los gases presentes. Esta característica expansiva de los gases es lo que ejerce la fuerza para generar el movimiento del motor.
Presión Media Efectiva, corresponde a la presión promedio que ejercen los gases durante la carrera de expansión en un motor.
Comparando dos motores iguales, aquél que es capaz de quemar apropiadamente mayor cantidad de combustible, dispone de mayor presión de expansión para impulsar los pistones.
Rendimiento Volumétrico
Como el tiempo de admisión es demasiado breve, los gases de mezcla fresca dentro del cilindro nunca alcanzan el valor de la presión atmosférica. Comparando dos motores iguales, el que sea capaz de llenar en mejor forma sus cilíndros será el más eficiente.
Se denomina rendimiento volumétrico al porcentaje de presión de llenado de un cilindro. Por ejemplo, si la presión barométrica es de 1.000 milibares, el motor tendrá un 80% de rendimiento volumétrico cuando los gases en sus cilindros alcanzan una presión de 800 milibares, antes de comenzar la carrera de compresión. Entre dos motores iguales, el que tiene mayor rendimiento volumétrico genera más potencia puesto que dispone de mayor número de moléculas de oxígeno que le permiten quemar mayor cantidad de combustible.
El sistema de admisión de motores para vehículos de calle están diseñados de manera que el rendimiento volumétrico máximo se alcance a velocidades medias de alrededor de 3.000 a 4.000 RPM. Cuando el llenado de los cilindros es máximo entonces el torque es máximo. Esto último no significa que su potencia sea máxima.
Fuerza de Torsión
El torque o par es el nombre que se da a las fuerzas de torsión. Para que la torsión exista se requieren 2 fuerzas (par), que se ejercen en sentido opuesto.
El valor del par depende del radio de acción de la fuerza. La mayor o menor torsión que genera una fuerza depende de la distancia al punto de pivote. A mayor brazo mayor par
Par de Torsión
El par o torque es un número que expresa el valor de la fuerza de torsión. Se expresa en kilos x metros. Es decir, si ejercemos una fuerza de 1 kilo con un un brazo de 1 metro el torque o par será de 1 kilo x metro (1 kilográmetro).
En un motor de pistones la capacidad de ejercer fuerza de torsión es limitada. Depende de la fuerza de expansión máxima que logran los gases en el cilindro. El torque máximo se consigue cuando el rendimiento volumétrico es máximo y por lo tanto se dispone de mayor temperatura para expandir los gases.
Los motores de mayor tamaño están equipados con cigüeñal de brazo más largo. Esto les da la posibilidad de ejercer igual par de torsión con menos fuerza de expansión de los gases.
Compresión de Motor
La relación de compresión es el término con que se denomina a la fracción matemática que define la proporción entre el volumen de admisión y el volumen de compresión.
Fórmula para Calcular la Relación de Compresión Teórica
V1 + V2
V1 = Capacidad en centímetros cúbicos de la cámara de combustión de la culata.
V2 = Capacidad del cilindro, con el pistón en su punto muerto inferior.
En general, la eficiencia térmica (capacidad para transformar calor en movimiento), y la potencia, dependen de la relación de compresión.
Un motor gasta energía para comprimir los gases y aporta energía al quemar los gases. A medida que se aumenta la compresión, la diferencia entre gasto y aporte de energía crece. Es decir, a mayor compresión el motor es más eficiente.
Relación de Compresión Efectiva
Para calcular el valor real de la relación, el volumen del cilindro requiere ser medido, no con su pistón en punto muerto inferior, sino que a partir de la posición que tiene cuando termina el cierre de la válvula de admisión.
Presión de Cilindro
La presión de un cilindro se mide con un manómetro de presión (compresímetro), y es necesario tomar una muestra de ella para conocer el grado de estanqueidad (sello) de los cilindros. Como esta presión se mide a muy bajas revoluciones y con el motor frío, no se puede considerar como método de diagnóstico definitivo. Sin embargo, esta medición determina con precisión la diferencia de estanqueidad entre cilindros.
Utilización del Calor
La gasolina es la fuente de energía primaria de un motor. Quemarla significa generar la fuerza suficiente para mover partes móviles y además entregar un excedente para fuerza de giro.
Eficiencia Térmica de Motor
Un motor de pistones, alimentado con gasolina, no es capaz de alcanzar 100% de eficiencia térmica. Es decir, no puede aprovechar todo el calor generado por la combustión para transformarlo en fuerza motriz. Los motores de combustión interna a gasolina son derrochadores, su eficiencia térmica es bastante pobre. Alrededor de 30% de la energía calórica que disponen, la transforman en movimiento y la otra parte la disipan (pérdida), hacia la atmósfera. Su popularidad se basa en la agilidad de aceleración que presentan, a diferencia de otros tipos como el diesel, que arrojan mejor eficiencia térmica pero son más lentos.
Rendimiento Calórico
No todos desperdician igual cantidad de calor durante su funcionamiento. Comparando motores de características iguales, se considera más eficiente a aquel que utilice mejor porcentaje de calor para producir fuerza motriz. Variadas son las razones por la cual un motor puede cambiar su eficiencia térmica. Como ejemplo podemos mecionar un motor que está siendo refrigerado en exceso. Es decir, su sistema de refrigeración no es el apropiado ya que retira mayor calor que el adecuado. Como consecuencia de esto el conjunto opera a temperaturas menores y su fuerza motriz decae.