Motor de gasolina

El motor térmico de gasolina fue el primer sistema de auto propulsión en el automóvil, tras un corto debate con la propulsión eléctrica con baterías. Se desestimó esta fuente de energía por la reducida autonomía y excesivo tiempo de recarga de las baterías, particularidades que se mantienen actualmente y que dificultan la utilización de la electricidad como fuente de movimiento para el automóvil que tenga que circular por carretera.

El funcionamiento del motor térmico de gasolina es bastante complejo, la mejor forma de explicar su funcionamiento, sobre todo a quienes no sepan nada sobre el tema, es recurrir a un modelo de movimiento muy conocido, la bicicleta.

De la bicicleta al motor

El movimiento de la bicicleta se basa en la energía muscular aportada por el ciclista que hace girar la corona del eje de pedales por el efecto manivela, esta corona mediante una cadena transmite el movimiento a otra más pequeña en el eje de la rueda trasera que la hace girar. Como idea para pasar de la bicicleta al motor veamos que se puede resumir el funcionamiento así; la rodilla baja y sube ejerciendo mediante la pantorrilla y pie un empuje sobre el pedal que actúa de manivela haciendo girar el eje de la corona. Se obtiene desde un movimiento alternativo de sube y baja de la rodilla otro circular para hacer girar la rueda. Así se produce el movimiento; la rodilla empuja hacia abajo y luego sube para repetir el ciclo, la pantorrilla transmite este efecto al pie – eje de pedales (manivela) y el eje de pedales hace girar la corona en movimiento circular.

Con esta base pasemos al motor de gasolina con la imagen animada:

    • Se ve el motor con sus elementos; se sustituye la fuerza muscular del ciclista por explosiones que aportan la energía para generar el movimiento, así se hace:
    • El pistón, que hace la función de la rodilla recibe la energía de la explosión de una mezcla de aire gasolina por su parte superior
    • Por la energía de la explosión el pistón desciende empujando a la biela, que hace la misma función que la pantorrilla del ciclista
    • En el extremo de la biela, donde estaría el pie del ciclista y el pedal, se acopla al cigüeñal que es como se denomina la manivela que transforma el empuje de la biela en movimiento circular
    • El cigüeñal hace girar la corona y esta con la cadena el piñón en la rueda trasera
    • La explosión del aire y gasolina se produce al entrar en el motor la mezcla por la válvula de admisión que le comunica con el exterior. Una vez quemados los gases son expulsados al exterior del motor al abrirse la válvula de escape
    •  Las válvulas actúan como puertas y como se ve en la animación son accionadas por los árboles de levas. Estos son a su vez movidos por unos piñones que engranan con otro asociado al cigüeñal. Las válvulas cierran tras el empuje de los árboles de levas por sus respectivos muelles
    • Cada válvula de entrada o admisión y salida o escape permiten la entrada de la mezcla de aire – gasolina y la salida de los gases quemados tras la explosión. Comunican con unos conductos hasta el exterior, son los colectores de admisión y escape
    • El pistón se desplaza abajo y arriba por el interior de un cilindro que recibe este nombre por su forma geométrica
    • El motor se divide genéricamente en tres partes;
      • Culata; en la parte superior. Contiene las válvulas y colectores, es la zona por donde “respira” el motor
      • Bloque; en el centro debajo de la culata. En su interior están el pistón, la biela y el cigüeñal que transforma el movimiento de sube y baja en circular. En el motor utilizado en la imagen están a los lados del bloque las válvulas, accionadas cada una de estas por un árbol de levas
      • Cárter; está en la parte inferior. Es el cierre hermético por la parte baja del motor y depósito del aceite de lubricación
      • Juntas de culata y cárter; por encima y por debajo del bloque hay dos juntas de estanqueidad entre este y la culata y cárter

Se ha representando un motor con la disposición más clásica de los elementos, las válvulas están al lado del bloque y los árboles de levas las accionan de abajo a arriba para abrirlas. Esta disposición ya no se utiliza por las pérdidas de energía que luego se explicarán. Su denominación es SV (válvulas laterales “side valves”).

En el automóvil después del motor, como ya hemos estudiado en anteriores capítulos de esta sección, está el embrague, tras este la caja de cambios que hace la misma función que los platos y piñones de la bicicleta  con cambios, es decir trasformar la energía producida, y después la transmisión a las ruedas motrices a través del diferencial si es un automóvil (una motocicleta no lo precisa al tener una única rueda motriz). Para  repasar estos conceptos consulta estos capítulos del blog; 

“Elementos que componen el automóvil;

http://autastec.com/blog/tecnologia-automovil/elementos-del-automovil/#more-270

“Función de los elementos del automóvil”;

http://autastec.com/blog/tecnologia-automovil/funcion-de-los-elementos-del-automovil/#more-433

En el enlace siguiente del blog podrás conocer las diferentes disposiciones de las válvulas y árboles de levas donde se explican las pérdidas de energía de la disposición SV, que se verá con detalle en el siguiente capítulo de esta sección con más temas relacionados:

“Evolución de la distribución del motor”;

http://autastec.com/blog/organos-elementos/la-distribucion-del-motor/#more-1447

Los cuatro tiempos del motor de gasolina

Para lograr la explosión de la mezcla aire – gasolina se ha de seguir un proceso de funcionamiento determinado por cuatro fases o tiempos, que se reproducen en la siguiente animación:

    • 1- Admisión; el pistón desciende y se abre la válvula de admisión. La succión producida aspira la mezcla de aire – gasolina que está en el colector de admisión hacia el cilindro
    • 2- Compresión; al iniciar el pistón su ascenso la válvula de admisión se cierra aumentando la presión de la mezcla aire – gasolina
    • 3- Explosión; al llegar el pistón a su punto más alto, con la mayor presión de compresión, se produce la chispa en la bujía que inicia la combustión de la mezcla. La fuerza generada hace descender el pistón y este girar el cigüeñal. En el tiempo de explosión es cuando el motor genera el trabajo, por esto se le identifica con este nombre. La zona donde se produce la explosión es la cámara de combustión
    • 4- Escape; al llegar al final de la explosión el pistón sube de nuevo, se abre la válvula de escape y expulsa hacia el colector de escape a los gases quemados, dejando el cilindro vacío para un nuevo ciclo
    • Los puntos más alto y más bajo en el recorrido del pistón en el interior del cilindro son el Punto Muerto Superior PMS y el Punto Muerto Inferior PMI

Se denomina llenado a la cantidad de la mezcla que entra en el cilindro en el tiempo de admisión, cuanto mayor sea el llenado más energía se genera en la explosión.

Observando la forma de la cámara de combustión se aprecia que al producirse la explosión el empuje sobre el pistón tiene ciertas perdidas, en las zonas donde están las válvulas la presión generada no empuja al pistón, lo que supone que parte de la gasolina consumida no se aprovecha. En el siguiente capítulo de “Distribución” se explican las soluciones, que si quieres puedes ver en el enlace del blog antes mencionado.

Los segmentos del pistón

El rozamiento entre pistón y cilindro absorbe  parte de la energía producida, pero es necesario para evitar pérdidas de compresión. Además esta fricción desgasta las dos superficies metálicas. Hay que lograr estanqueidad a la vez que el menor rozamiento posible, se consigue con los segmentos del pistón que se ven a continuación:

    • El pistón “liso” se sustituye por otro con tres segmentos; son estos unos aros postizos (desmontables del pistón) abiertos para asumir las dilataciones por las temperaturas de funcionamiento del motor
    • Se ve un pistón con tres cajetines que serán los receptores de los tres segmentos, de arriba abajo:
      • En el primer cajetín se coloca el segmento de fuegoSF; es el que recibe el calor y fuerza de la explosión
      • En el siguiente cajetín se acopla el segmento de estanqueidadSE; trata de evitar las fugas de compresión que no ha podido contener el segmento de fuego
      • En el último cajetín se ubica el segmento de engrase SL; este es diferente a los anteriores, tiene unos orificios para permitir el paso del aceite desde el interior hueco del pistón al exterior lubricando el desplazamiento del pistón sobre el cilindro. Al subir el pistón aspira el aceite difuminado que está debajo y que es el que lubrica el pistón – cilindro. En el capítulo de “Lubricación” se verá con más detalle este proceso de engrase
      • El contacto de los segmentos con el cilindro tiene una superficie reducida, lo que disminuye el rozamiento y aumenta la presión mejorando la estanqueidad

La estar los segmentos abiertos han de situarse sus respectivas aberturas a 120º para evitar que coincidan, lo que favorecería la pérdida de compresión y paso de aceite a la cámara de combustión

Motores de más de un cilindro

De dos vueltas del cigüeñal media es la correspondiente a la explosión. Estos empujes discontinuos provocan vibraciones al funcionar el motor. Para aumentar las prestaciones se ha de hacer mayor el cilindro, explosiones más fuertes, lo que implica aumentar las vibraciones. Se evita con mayor número de cilindros de pequeño tamaño, o medio. La forma inicial de posicionar los diferentes cilindros es en línea, uno a continuación de otro, tal como se representa en esta animación a continuación del motor de un cilindro con fuertes vibraciones:

    • Se ve un motor de lado con 1 cilindro, luego 2, después 3 para terminar con 4. Es un motor de 4 cilindros en línea. En teoría se obtendrían las prestaciones de un motor con 1 cilindro con tamaño equivalente a la suma de los 4, pero con muchas menos vibraciones al ser explosiones más pequeñas y próximas. Cada cilindro sigue el ciclo de cuatro tiempos explicado, reproduciendo los tiempos de forma equilibrada para aportar uniformemente sobre el cigüeñal la fuerza de las explosiones
    • Los colectores de admisión y escape hacen la función ya explicada
    • Características del motor
      • Diámetro del cilindro DC; es la dimensión que indica su nombre y se mide en milímetros (mm)
      • Carrera del pistón CP; el recorrido del pistón desde el PMS al PMI dentro del cilindro, se mide en mm
      • Cilindrada unitaria; es el volumen de un cilindro con los datos de diámetro DC y carrera CP como base para su cálculo. También se puede medir experimentalmente. Se da el valor en litros o centímetros cúbicos (cc). La cilindrada total de un motor resulta de multiplicar la cilindrada unitaria por el número de cilindros, en el caso de la imagen serian 4
      • Se denomina relación de compresión RC el resultado de dividir el volumen de admisiónVA, con el pistón en el PMI, entre el volumen de compresión VC con el pistón en el PMS. El VA es la cilindrada unitaria CUmás el volumen de la cámara de combustión VCC y el VCes la cámara de combustión VCC. El resultado da un valor así por ejemplo 10:1, indicando que el volumen de compresión VC es 10 meces menor que el de admisión VA
    • Mariposa de gases
      • En el motor de gasolina se regula la aceleración mediante la mariposa de gases, como se ve en la animación. Al acelerar desde el pedal un sistema acciona la mariposa que es una válvula que controla la cantidad de masa de admisión que pasa por el colector de admisión a los cilindros. A más apertura de mariposa más caudal de admisión, llenado, explosiones más fuertes que aumentan la velocidad de giro del motor, revoluciones por minuto, RPM (1 RPM es una vuelta del cigüeñal)
    • En el colector de admisión está el filtro de aire para limpiar el aire de impurezas antes de entrar en los cilindros
    • En el colector y línea de escape se incorpora el silenciador para reducir el ruido del funcionamiento del motor. Puede haber más de uno y antes se sitúan los elementos anticontaminantes

Motores de 8 cilindros en línea y de 4 cilindros en línea

En las imágenes animadas que se ofrecen a continuación se representan los elementos del motor que se han explicado con la implantación de válvulas laterales (SV)

En el motor de 8 cilindros en línea se ven todos los elementos explicados.

En el motor de 4 cilindros en línea se resaltan, además de algunos de los elementos, las características del motor.

El final de la vida útil del motor es por la ovalización de los cilindros y desgastes de los segmentos, con pérdida de compresión, prestaciones, y consumo de aceite de lubricación. El rodaje del motor influye en su duración, al final hay un enlace en el blog.

Gráfico presión – volumen

En la siguiente imagen, del libro “Tecnología del automóvil” que puedes conocer si te interesa en una sección del blog, se ve el gráfico de las relaciones entre la presión y el volumen en el interior de los cilindros en los cuatro tiempos del motor, siguiendo el proceso teórico de funcionamiento; las válvulas se abren y cierran en los puntos muertos inferior y superior y la chispa se produce al final de la compresión, sin tener en cuenta las inercias de los gases, tiempo de combustión ni los demás aspectos relacionados. En el capítulo siguiente de esta sección, “Distribución”, se verá el gráfico real adaptando las secuencias de funcionamiento a las variaciones dinámicas. No es el objetivo de este artículo tratar este tema a fondo, solamente proponer a quién le interese un camino de estudio.

gasolina

 

Motores SV

http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_SV

Los cuatro tiempos

http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_cuatro_tiempos

http://motos.about.com/od/mecanica-basica/ss/Como-Funciona-Un-Motor-De-4-Tiempos.htm

En el blog

 

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