Tipos de motores de combustión interna y métodos para aumentar el rendimiento

 

 

Los motores de combustión interna de cuatro tiempos suelen clasificarse básicamente en dos grupos; así podemos decir que son de explosión cuando en los pistones se inyecta una mezcla de gasolina y aire en la fase de admisión a través de la válvula del mismo nombre, que es absorbida por el vacío que deja tras de sí el movimiento descendente del pistón, y que es comprimida en la fase de compresión, mientras sube el pistón. Una vez comprimida la mezcla en la cámara de compresión, se le aplica una chispa en el comienzo del tiempo de explosión, tras el cual el pistón desciende hacia abajo por mediación de la energía liberada en la oxidación de la gasolina, y vuelve a subir de nuevo expulsándose los gases resultantes de dicha reacción del carburante a través de la válvula de escape. Para reducir la barrera de potencial entre los reactivos de la reacción química –gasolina y aire- y el nivel energético del complejo activado –mezcla homogénea de los reactivos-, y así proporcionar la energía de activación, se utiliza la presión del aire inyectado, que a volumen de aire decreciente y presión creciente –crece al subir el pistón- consigue aumentar su temperatura, como se puede razonar por la ley que Robert Hooke, Boyle y Gay Lussac descubrieron en relación a las propiedades elásticas de los gases comprimidos. La detonación queda reservada para la chispa, y se libera una energía motriz eficaz que es igual a la diferencia entre el nivel de los reactivos y de los productos –gases que se expulsan en el tiempo de escape-, a la que se le deben sustraer las pérdidas por rozamientos y calor radiado en todo el motor. Debido al empleo de la chispa y a que la gasolina tiene un “poder anti-detonante” más bajo que el gasóleo, por ser más fácilmente inflamable, los cilindros de los motores de explosión tienen una cámara de compresión más grande que los motores de combustión de gasóleo, ya que de lo contrario la mezcla explotaría antes de aplicarse la chispa. Este ciclo completo se corresponde con dos emboladas –o movimientos baja-sube del pistón- y con dos vueltas del cigüeñal.

Por su parte, los motores de combustión de gasóleo funcionan esencialmente igual que los motores de explosión, con la gran salvedad de que en vez de aplicarse una chispa, se utiliza una cámara de compresión pequeña y un cilindro más grande, para que la mayor cantidad de aire en relación al motor de explosión, quede muy comprimida, de tal forma que simplemente con introducir el gasóleo muy pulverizado mediante un inyector en la cámara de compresión, y debido al alto calentamiento del aire por hallarse en gran cantidad en una pequeña cámara, es suficiente para que se inicie la reacción de oxidación del gasóleo.

Hoy en día para optimizar el rendimiento del motor, que va en relación directa con una cantidad de combustible no quemado y por tanto desperdiciado mínima, se usan fundamentalmente dos métodos, a saber, la inyección en lumbrera y la inyección directa. La inyección en lumbrera, que se aprecia en la figura superior, consiste en que el inyector rocía el combustible en la propia corriente de aire, que procede del filtro de aire y que pasa a través del estrangulador. De este modo la mezcla penetra en el cilindro, y una vez comprimida, la chispa de la bujía la inflama. Si queremos aumentar la potencia con este esquema debemos suministrar más cantidad de aire y gasolina, actuando sobre el estrangulador y el inyector.

 

 

Por su parte, en el mecanismo de inyección directa, el propio inyector introduce a alta presión la gasolina en la cámara de combustión, estando ya el aire comprimido, con lo que la gasolina se vaporiza y se quema en más plenitud que con el mecanismo de lumbrera, ahorrándose así combustible para una misma potencia entregada. La inyección directa requiere un mayor control que el mecanismo de lumbrera. Se representa este esquema en la segunda imagen.

La tendencia futura consiste en el encendido por compresión de mezcla homogénea, en el cual mientras el pistón asciende se inyectan el aire y el combustible, comprimiéndolos el primero, y así la combustión se arranca sin necesidad de chispa. De esta manera la mezcla arranca la explosión en muchos puntos diferentes, perdiéndose menos energía en forma de calor, con el consiguiente aumento de rendimiento. Para mayor potencia se podría usar también una bujía. Este mecanismo requiere concienzudos controles mediante sensores, lo que lo hace más difícil de implementar. En la siguiente imagen aparece la representación de este esquema de encendido.

 

 

Ahora bien, si lo que queremos es una alta potencia, debemos tener en cuenta que para poder quemar más combustible en un mismo intervalo de tiempo, habremos de aplicar más calor al mismo para poder encenderlo, y esto se consigue inyectando aire a alta presión en el cilindro. Una forma de hacerlo es mediante el turboalimentador o “turbo”, que aprovecha el ímpetu de los propios gases resultantes de la oxidación del combustible para acelerar una turbina solidaria –en el mismo eje- a un compresor, cuyas aspas sirven para acelerar a su vez el aire e inyectarlo a alta velocidad en el cilindro, consiguiéndose un gran volumen de aire comprimido en la cámara de combustión que lógicamente es capaz de entregar más energía térmica al combustible para el quemado de una mayor cantidad del mismo en menos tiempo –con el consiguiente aumento de potencia-. El inconveniente de este método de encendido es el tiempo de retardo que es indispensable para que los gases de escape logren acelerar la turbina, y por consiguiente son necesarios controles sofisticados en este mecanismo. La siguiente figura representa un turboalimentador.

 

 

Como remate de esta entrada, y como mejora del esquema del turboalimentador, hablaré del sobrealimentador, que es un mecanismo consistente en un rodete movido por una correa conectada al cigüeñal del motor, que absorbe el aire exterior y lo comprime, entregándolo comprimido al cilindro en el tiempo de admisión, de tal manera que no existe el retardo de tiempo que se producía en el esquema por turboalimentador, con la desventaja de conseguirse menos eficiencia que la que se conseguía con aquél.

 

 

Fuente de las imágenes de esta entrada : Revista de divulgación científica “Investigación y Ciencia”. Edición de mayo de 2010.

 

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