Un gran dispositivo de metal similar a una rueda llamado volante está unido a un extremo del cigüeñal, que funciona para mantener constante su movimiento. Esto es necesario en un motor de cuatro tiempos porque los pistones realizan una carrera de potencia solo una vez por cada cuatro carreras. Un volante proporciona el impulso para llevar el cigüeñal a través de su movimiento hasta que recibe la siguiente carrera de potencia. Para ello, utiliza la inercia, es decir, el principio de que un objeto en acción tenderá a permanecer en movimiento. Una vez que el volante se pone en movimiento al girar el cigüeñal, éste continuará moviéndose y hará girar el cigüeñal. Sin embargo, cuantos más cilindros tenga un motor, menos necesitará depender del movimiento de un volante porque la mayor cantidad de pistones harán que el cigüeñal se mantenga girando.
Una vez que el cigüeñal está girando su movimiento se puede adaptar a una gran variedad de usos, colocando así engranajes, cinturones u otros dispositivos. Con lo cual, se pueden hacer girar tanto las ruedas, como las hélices o el motor, así se puede usar simplemente para generar electricidad.
Cómo funciona un motor de combustión interna
Hoy os explicamos cómo funciona un motor de combustión interna. La gran mayoría de vehículos (turismos y vehículos comerciales) que se venden hoy en día están equipados con motores de combustión interna. En este artículo que te ofrece turbo3 te explicamos cómo funciona.
Los motores de combustión interna generalmente emplean movimiento alternativo, aunque los motores de turbina de gas, cohetes y rotativos son ejemplos de otros tipos de motores de combustión interna. Sin embargo, los motores alternativos de combustión interna son los más comunes y se encuentran en la mayoría de los automóviles, camiones, motocicletas y otras máquinas impulsadas por motores.
Los componentes más básicos del motor de combustión interna son el cilindro, el pistón y el cigüeñal. A estos se adjuntan otros componentes que aumentan la eficiencia del movimiento alternativo y lo convierten en el movimiento giratorio del cigüeñal. Se debe proporcionar combustible en el cilindro y el escape, formado por la explosión del combustible, y debe tener una salida del cilindro además de producirse el encendido del combustible. En el motor alternativo de combustión interna, esto se hace de dos formas.
Los motores diésel
Los motores diésel también se denominan motores de compresión porque utilizan la compresión para hacer que el combustible se encienda automáticamente. El aire se comprime, es decir, se empuja hacia un espacio pequeño en el cilindro. La compresión hace que el aire se caliente, por ese motivo, cuando se introduce combustible en el aire caliente comprimido, el combustible explota. La presión creada por la compresión requiere que los motores diésel sean más resistentes y, por lo tanto, más pesados que los motores de gasolina, sin embargo, son más potentes y requieren un combustible menos costoso. Los motores diésel se encuentran generalmente en vehículos grandes, como camiones y equipo pesado de construcción o en máquinas estacionarias.
Los motores gasolina
Los motores de gasolina también se denominan motores de encendido por chispa porque dependen de una chispa de electricidad para provocar la explosión de combustible dentro del cilindro. Más ligero que un motor diésel, el motor de gasolina requiere un combustible más refinado.
En un motor, el cilindro está alojado dentro de un bloque de motor lo suficientemente fuerte como para contener las explosiones de combustible. Dentro del cilindro hay un pistón que encaja con precisión en él. Los pistones generalmente tienen forma de cúpula en la parte superior y huecos en la parte inferior. El pistón está unido a un cigüeñal a través de una biela colocada en el fondo hueco que convierte el movimiento ascendente y descendente del pistón en un movimiento circular. Esto es posible porque el cigüeñal no es recto, sino que tiene una sección doblada (una para cada cilindro) llamada manivela.
Golpe de admisión
Una estructura similar impulsa una bicicleta. Al ir en bicicleta, la parte superior de la pierna de una persona es parecido al pistón. Desde la rodilla hasta el pie, la pierna actúa como una biela que está unida al cigüeñal mediante la manivela o el conjunto del pedal de la bicicleta. Estas partes están hechas para moverse cuando se aplica energía con la parte superior de la pierna. Con lo cual, el movimiento alternativo de la parte inferior de la pierna se convierte en el movimiento rotatorio o giratorio del cigüeñal.
Observa que al andar en bicicleta, la pierna realiza dos movimientos: uno hacia abajo y otro hacia arriba para completar el ciclo de pedaleo, los cuales se llaman accidentes cerebrovasculares. Debido a que un motor también necesita extraer combustible y expulsarlo nuevamente, la mayoría de los motores emplean cuatro tiempos por cada ciclo que realiza el pistón. La primera carrera comienza cuando el pistón está en la parte superior del cilindro, llamado culata. A medida que se extrae, crea un vacío en el cilindro. Esto se debe a que el pistón y el cilindro forman un espacio hermético. Cuando se tira del pistón hacia abajo, el espacio entre él y la culata de cilindros se agranda, mientras que la cantidad de aire permanece igual. Este vacío ayuda a llevar el combustible al cilindro, al igual que la acción de los pulmones. Por lo tanto, este golpe se denomina golpe de admisión.
Carrera de compresión
La siguiente carrera, llamada carrera de compresión, ocurre cuando el pistón se empuja hacia arriba nuevamente dentro del cilindro, apretando o comprimiendo el combustible en un espacio cada vez más estrecho. La compresión del combustible contra la parte superior del cilindro hace que el aire se caliente, lo que también calienta el combustible. La compresión del combustible también facilita el encendido y hace que la explosión resultante sea más poderosa. Hay menos espacio para que fluyan los gases en expansión de la explosión, lo que significa que empujarán más fuerte contra el pistón para escapar.
En la parte superior de la carrera de compresión el combustible se enciende, lo que provoca una explosión que empuja el pistón hacia abajo. Esta carrera se denomina carrera de potencia y es la carrera que hace girar el cigüeñal.
La carrera final, es decir, la carrera de escape, lleva el pistón hacia arriba nuevamente, lo que expulsa los gases de escape creados por la explosión del cilindro a través de una válvula de escape. Estos cuatro golpes también se denominan comúnmente «chupar, apretar, golpear y soplar».
Motores de dos tiempos
Los motores de dos tiempos eliminan las carreras de admisión y escape, combinándolas con las carreras de compresión y potencia. Esto permite un motor más ligero y potente, en relación con el tamaño del motor, que requiere un diseño menos complejo. Pero el ciclo de dos tiempos es un método menos eficiente para quemar combustible. Dentro del cilindro queda un residuo de combustible no quemado que impide la combustión. El motor de dos tiempos también enciende su combustible con el doble de frecuencia que un motor de cuatro tiempos, lo que aumenta el desgaste de las piezas del motor. Por lo tanto, los motores de dos tiempos se utilizan principalmente cuando se requiere un motor más pequeño como, por ejemplo, en algunas motocicletas y con herramientas pequeñas.
La combustión requiere la presencia de oxígeno, por lo que el combustible debe mezclarse con aire para que se encienda.
¿Cómo se genera la combustión?
Los motores diésel introducen el combustible directamente para reaccionar con el aire caliente dentro del cilindro. Los motores de encendido por chispa, sin embargo, primero mezclan el combustible con aire fuera del cilindro. Esto se hace mediante un carburador o mediante un sistema de inyección de combustible. Ambos dispositivos vaporizan la gasolina y la mezclan con aire en una proporción de alrededor de 14 partes de aire por cada parte de gasolina. Una válvula de estrangulamiento en el carburador controla la cantidad de aire que se mezcla con el combustible y, en el otro extremo, una válvula de mariposa controla la cantidad de mezcla de combustible que se enviará al cilindro.
El vacío creado cuando el pistón se mueve hacia abajo a través del cilindro empuja el combustible hacia el cilindro. El pistón debe encajar con precisión dentro del cilindro para crear este vacío. Los anillos de compresión de goma colocados en las ranuras del pistón garantizan un ajuste hermético. La gasolina ingresa al cilindro a través de una válvula de admisión. Luego, la gasolina se comprime en el cilindro mediante el siguiente movimiento del pistón a la espera del encendido.
Los cilindros
El momento del disparo de los cilindros es controlado por el distribuidor. Cuando la corriente ingresa al distribuidor, se envía a las bujías a través de cables, uno para cada bujía. Los distribuidores mecánicos son esencialmente rotores giratorios que envían corriente a cada cable uno a uno. Asimismo, los sistemas de encendido electrónico utilizan componentes de computadora para realizar esta tarea.
El pistón
Los motores más pequeños utilizan una batería que, cuando se agota, simplemente se reemplaza. La mayoría de los motores, sin embargo, tienen disposiciones para recargar la batería, utilizando el movimiento del cigüeñal giratorio para generar corriente de regreso.
El pistón o los pistones empujan hacia abajo y hacia arriba el cigüeñal haciendo que gire. Esta conversión del movimiento alternativo del pistón al movimiento rotatorio del cigüeñal es posible porque para cada pistón del cigüeñal tiene una manivela, es decir, una sección que forma un ángulo con el movimiento hacia arriba y hacia abajo de la posición. En un cigüeñal con dos o más cilindros estas manivelas también se colocan en ángulos entre sí, lo que les permite actuar en conjunto. Cuando un pistón empuja su manivela hacia abajo, una segunda manivela empuja su pistón hacia arriba.
El volante
Un gran dispositivo de metal similar a una rueda llamado volante está unido a un extremo del cigüeñal, el cual funciona para mantener constante el movimiento del cigüeñal. Esto es necesario en un motor de cuatro tiempos porque los pistones realizan una carrera de potencia solo una vez por cada cuatro carreras. Un volante proporciona el impulso para llevar el cigüeñal a través de su movimiento hasta que recibe la siguiente carrera de potencia. Para ello, utiliza la inercia, es decir, el principio de que un objeto en movimiento tenderá a permanecer en movimiento. Una vez que el volante se pone en movimiento al girar el cigüeñal continuará moviéndose y hará girar el cigüeñal. Sin embargo, cuantos más cilindros tenga un motor, menos necesitará depender del movimiento de un volante ya que la mayor cantidad de pistones mantendrá el cigüeñal girando.
Una vez que el cigüeñal está girando, su movimiento se puede adaptar a una gran variedad de usos, colocando así engranajes, cinturones u otros dispositivos. Con lo cual, se puede hacer que tanto las ruedas giren, como las hélices o el motor para generar electricidad.
Árbol de levas
Además, acoplado al cigüeñal hay un eje adicional, llamado árbol de levas, que opera para abrir y cerrar las válvulas de admisión y escape de cada cilindro en secuencia con el ciclo de cuatro tiempos de los pistones. Una leva es una rueda que tiene más o menos forma de huevo, con un extremo largo y otro corto. Varias levas están fijadas al árbol de levas, dependiendo del número de cilindros que tenga el motor. En la parte superior de las levas hay varillas de empuje, dos para cada cilindro, que abren y cierran las válvulas. A medida que el árbol de levas gira, los extremos cortos permiten que las varillas de empuje se retiren de la válvula. De esta manera, hace que la válvula se abra, los extremos largos de las levas empujan las varillas hacia la válvula cerrándola nuevamente. En algunos motores, llamados motores de árbol de levas, éste descansa directamente sobre las válvulas, eliminando así la necesidad del conjunto de varilla de empuje. Los motores de dos tiempos, debido a que la admisión y el escape se logran mediante el movimiento del pistón sobre puertos u orificios en la pared del cilindro, no requieren el árbol de levas.
El cigüeñal
El cigüeñal puede accionar dos componentes más: los sistemas de refrigeración y lubricación. La explosión de combustible crea un calor intenso que rápidamente provocaría que el motor se sobrecaliente e incluso se derrita si no se disipa o se retira adecuadamente. El enfriamiento se logra de dos formas: a través de un sistema de enfriamiento y, en menor medida, a través del sistema de lubricación.
Hay dos tipos de sistemas de refrigeración. Un sistema de refrigeración líquida utiliza agua, que a menudo se mezcla con un anticongelante para evitar la congelación. El anticongelante reduce el punto de congelación y también aumenta el punto de ebullición del agua. El agua, que es muy buena para acumular calor, se bombea alrededor del motor a través de una serie de pasillos contenidos en una chaqueta. Luego, el agua circula hacia un radiador, que contiene muchos tubos y placas de metal delgadas que aumentan la superficie del agua. Un ventilador conectado al radiador pasa aire sobre la tubería, lo que reduce aún más la temperatura del agua. Tanto la bomba como el ventilador son operados por el movimiento del cigüeñal.
Sistemas de refrigerado
Los sistemas refrigerados por aire utilizan éste mismo, en lugar de agua, para extraer calor del motor. La mayoría de las motocicletas, muchos aviones pequeños y otras máquinas donde se produce una gran cantidad de viento por su movimiento utilizan sistemas refrigerados por aire. En estos, las aletas metálicas están unidas al exterior de los cilindros, creando una gran superficie. A medida que el aire pasa sobre las aletas, el aire arrastra el calor conducido a las aletas metálicas desde el cilindro.
Lubricación
La lubricación de un motor es vital para su funcionamiento. El movimiento de piezas entre sí provoca una gran fricción, lo que aumenta el calor y hace que las piezas se desgasten. Los lubricantes, como el aceite, proporcionan una capa delgada entre las partes móviles. El paso del aceite a través del motor también ayuda a eliminar parte del calor producido.
El cigüeñal en la parte inferior del motor descansa en un cárter. Esto puede llenarse con aceite, o un cárter de aceite separado debajo del cárter sirve como depósito para el aceite. Una bomba lleva el aceite a través de pasajes y orificios a las diferentes partes del motor. El pistón también está equipado con anillos de aceite de goma, además de los anillos de compresión, para llevar el aceite hacia arriba y hacia abajo por el interior del cilindro. Los motores de dos tiempos utilizan aceite como parte de su mezcla de combustible, lo que proporciona lubricación al motor y elimina la necesidad de un sistema separado.
Motor de combustión interna
Un motor de combustión interna puede tener entre uno y doce o más cilindros, todos actuando juntos en una secuencia sincronizada con precisión para impulsar el cigüeñal. El ciclista en una bicicleta puede describirse como un motor de dos cilindros, cada pierna ayudando a la otra a crear la potencia para impulsar la bicicleta y a tirarse mutuamente a través del ciclo de carreras. Los automóviles generalmente tienen motores de cuatro, seis u ocho cilindros, aunque también están disponibles motores de dos y doce cilindros. El número de cilindros afecta la cilindrada del motor, es decir, el volumen total de combustible que pasa a través de los cilindros. Un desplazamiento mayor permite que se queme más combustible, creando más energía para impulsar el cigüeñal.
La chispa se introduce a través de una bujía colocada en la culata. La chispa hace que la gasolina explote. Las bujías contienen dos extremos de metal, llamados electrodos, que se extienden hacia el interior del cilindro. Cada cilindro tiene su propia bujía. Cuando la corriente eléctrica pasa a través de la bujía, la corriente salta de un electrodo a otro, creando la chispa.
Esta corriente eléctrica se origina en una batería, sin embargo, la corriente de la batería no es lo suficientemente fuerte como para crear la chispa necesaria para encender el combustible. Por lo tanto, se pasa a través de un transformador, que amplifica en gran medida su voltaje o fuerza. Luego, la corriente se puede enviar a la bujía.
Sin embargo, en el caso de un motor con dos o más cilindros, la chispa debe dirigirse a cada cilindro por turno. La secuencia de encendido de los cilindros debe cronometrarse de manera que mientras un pistón esté en su carrera de potencia, otro pistón esté en su carrera de compresión. De esta manera, la fuerza ejercida sobre el cigüeñal se puede mantener constante, permitiendo que el motor funcione sin problemas. El número de cilindros afecta la suavidad del funcionamiento del motor. Con lo cual, cuantos más cilindros, más constante será la fuerza sobre el cigüeñal y más suavemente funcionará el motor.
