que es un motor otto de combustión interna
Introducion:
En este presente trabajo se les mostrara unos contenidos
de los problemas principales que se dan en un motor otto, también se le
presentan algunas graficas sobre una encuesta y todo lo relacionado a los
problema del motor otto.
Justificación
El trabajo que se presenta es un proyecto de entrevistas
que se realizo con el propósito de saber el conocimiento mecanico que
Mazatenango tiene, para ello se le presenta una breve difinicion de que es un
motor otto y sus problemas principales que se dan diaria mente o anualmente.
Que es un motor Otto
Se denomina motor
de cuatro tiempos al motor de combustión interna alternativo tanto de ciclo Otto como ciclo del diésel, que precisa cuatro, o en ocasiones cinco, carreras del pistón o émbolo (dos vueltas completas del cigüeñal) para completar el
ciclo termodinámico de combustión. Estos cuatro tiempos son:
Tiempos
del ciclo
Aquí se detallan los diferentes tiempos (actividades
realizadas durante el ciclo) y sus características.
·
1-Primer tiempo o
admisión: en esta fase el descenso del pistón aspira la mezcla aire
combustible en los motores
de encendido provocado o el
aire en motores de encendido por compresión. La válvula de
escape permanece cerrada, mientras que la de admisión está abierta. En el
primer tiempo el cigüeñal gira 180º y el árbol de levas da 90º y la válvula de
admisión se encuentra abierta y su carrera es descendente.
·
2-Segundo tiempo o
compresión: al llegar al final de la carrera inferior, la válvula de
admisión se cierra, comprimiéndose el gas contenido en la cámara por el ascenso
del pistón. En el 2º tiempo el cigüeñal da 360º y el árbol de levas da 180º, y
además ambas válvulas se encuentran cerradas y su carrera es ascendente.
·
3-Tercer tiempo o
explosión/expansión: al
llegar al final de la carrera superior el gas ha alcanzado la presión máxima.
En los motores de encendido provocado o de ciclo Otto salta
la chispa en la bujía, provocando la
inflamación de la mezcla, mientras que en los motores diésel, se inyecta a
través del inyector el
combustible muy pulverizado, que se autoinflama por la presión y temperatura
existentes en el interior del cilindro. En ambos casos, una vez iniciada la
combustión, esta progresa rápidamente incrementando la temperatura y la presión
en el interior del cilindro y
expandiendo los gases que empujan el pistón. Esta es la única fase en la que se
obtiene trabajo.
En este tiempo el cigüeñal gira 180º mientras que el árbol de levas gira 90º
respectivamente, ambas válvulas se encuentran cerradas y su carrera es
descendente.
·
4 -Cuarto tiempo o
escape: en esta fase el pistón empuja, en su movimiento
ascendente, los gases de la combustión que salen a través de la válvula de
escape que permanece abierta. Al llegar al punto máximo de carrera superior, se
cierra la válvula de escape y se abre la de admisión, reiniciándose el ciclo.
En este tiempo el cigüeñal gira 180º y el árbol de levas gira 90º.
Motor antiguo, de aviación, con disposición radial de
los pistones.
Un motor de combustión interna, motor a
explosión o motor a pistón, es un tipo de máquina que obtiene energía mecánicadirectamente de la energía
química de un combustible
que arde dentro de la cámara de combustión. Su nombre se debe a que dicha
combustión se produce dentro de la propia máquina, a diferencia de, por
ejemplo, la máquina de
vapor.
Tipos principales
- Alternativos.
- El motor
de explosión ciclo Otto, cuyo nombre proviene del técnico alemán que lo
desarrolló, NikolausAugust Otto, es el motor convencional de
gasolina, aunque también se lo conoce como motor de ciclo Beau de Rochas debido al inventor francés
que lo patentó en 1862.
- El motor diésel, llamado así en honor del
ingeniero alemán nacido en Francia Rudolf Diesel, funciona con un principio
diferente y suele consumir gasóleo.
- La turbina de gas.
- El motor rotatorio.
Clasificación de los
alternativos según el ciclo
- De dos
tiempos (2T): efectúan una carrera útil de trabajo en cada giro.
- De
cuatro tiempos (4T): efectúan una carrera útil de trabajo cada dos giros.
Existen los diesel y gasolina, tanto en 2T como en 4T.
Historia
La invención se puede remontar a dos italianos: el
padre Eugenio
Barsanti, un sacerdote escolapio, y
Felice Matteucci, ingeniero
hidráulico y mecánico, que ya en 1853 detallaron documentos de operación y
construcción y patentes pendientes en varios países europeos como Gran Bretaña,
Francia, Italia y Alemania.1
Los primeros prototipos carecían de la fase de
compresión; es decir, la fase de succión terminaba prematuramente con el cierre
de la válvula de admisión antes de que el pistón llegase a la mitad, lo que
provocaba que la chispa que generaba la combustión que empuja la carrera del
pistón fuese débil. Como consecuencia el funcionamiento de estos primeros
motores era deficiente. Fue la fase de compresión la que dio una eficiencia
significativa al motor de combustión interna, que lograría el reemplazo
definitivo de los motores a vapor e impulsaría el desarrollo de los automóviles,
ya que lograba desarrollar una potencia igual o mayor en dimensiones
considerablemente mucho más reducidas.
Las primeras aplicaciones prácticas de los motores de
combustión interna fueron los motores fuera de borda. Esto fue debido a que el
principal impedimento para la aplicación práctica del motor de combustión
interna en vehículos terrestres era el hecho de que, a diferencia de la máquina
de vapor, no podía comenzar desde parado. Los motores marinos no sufren este
problema, ya que las hélices son libres de un significativo momento de inercia.
El motor tal como lo conocemos hoy fue desarrollado
por el alemán Nikolaus Otto,
quien en 1886 patentó el diseño de un motor de combustión interna a cuatro
tiempos, basado en los estudios del inventor francés Alphonse Beau
de Rochas de 1862, que a su vez se basó en el modelo de
combustión interna de Barsanti y Matteucci.[cita requerida]
Aplicaciones más
comunes
Motor SOHC de moto de competición, refrigerado por
aire, 1937.
Las diferentes variantes de los dos ciclos, tanto en
diésel como en gasolina, tienen cada uno su ámbito de aplicación.
- 2T
gasolina: tuvo gran aplicación en las motocicletas, motores de
ultraligeros (ULM) y motores marinos fuera-borda hasta una cierta
cilindrada, habiendo perdido mucho terreno en este campo por las normas
anticontaminación. Además de en las cilindradas mínimas de ciclomotores y
scooters (50 cc), sólo motores muy pequeños como motosierras y pequeños
grupos electrógenos siguen llevándolo.
- 4T
gasolina: domina en las aplicaciones en motocicletas de todas las
cilindradas, automóviles, aviación deportiva y fuera borda.
- 2T
diésel: domina en las aplicaciones navales de gran potencia, hasta 100000
CV hoy día, y tracción ferroviaria. En su momento de auge se usó en
aviación con cierto éxito.
- 4T
diésel: domina en el transporte terrestre, automóviles y aplicaciones navales
hasta una cierta potencia. Empieza a aparecer en la aviación deportiva.
Estructura
y funcionamiento
Los motores Otto y
los diésel tienen los mismos elementos principales: (bloque, cigüeñal, biela, pistón, culata, válvulas) y
otros específicos de cada uno, como la bomba inyectora de
alta presión en los diésel, o antiguamente el carburador en
los Otto.
En los 4T es muy frecuente
designarlos mediante su tipo de distribución: SV, OHV, SOHC, DOHC. Es una referencia a la
disposición del (o los) árbol de levas.
Cámara de combustión
La cámara de
combustión es un cilindro, por lo general fijo, cerrado en un extremo y dentro
del cual se desliza un pistón
muy ajustado al cilindro. La posición hacia dentro y hacia fuera del pistón
modifica el volumen que existe entre la cara interior del pistón y las paredes
de la cámara. La cara exterior del pistón está unida por una biela al cigüeñal,
que convierte en movimiento rotatorio el movimiento lineal del pistón.
En los motores de varios cilindros, el cigüeñal tiene
una posición de partida, llamada espiga de cigüeñal y conectada a cada eje, con
lo que la energía producida por cada cilindro se aplica al cigüeñal en un punto
determinado de la rotación. Los cigüeñales cuentan con pesados volantes y contrapesos
cuya inercia
reduce la irregularidad del movimiento del eje. Un motor alternativo puede
tener de 1 a 28 cilindros.
Sistema de
alimentación
El sistema de alimentación de combustible de un motor
Otto consta de un depósito, una bomba de
combustible y un dispositivo dosificador de combustible que
vaporiza o atomiza el combustible desde el estado líquido, en las proporciones
correctas para poder ser quemado. Se llama carburador al
dispositivo que hasta ahora venía siendo utilizado con este fin en los motores
Otto. Ahora los sistemas de inyección de combustible lo han sustituido
por completo por motivos medioambientales. Su mayor precisión en la
dosificación de combustible inyectado reduce las emisiones de CO2, y asegura
una mezcla más estable. En los motores diésel se dosifica el combustible gasoil de manera no proporcional al
aire que entra, sino en función del mando de aceleración y el régimen motor
(mecanismo de regulación) mediante una bomba inyectora de
combustible.
Bomba de inyección de combustible BOSCH para motor
diésel.
En los motores de varios cilindros el combustible
vaporizado se lleva a los cilindros a través de un tubo ramificado llamado colector de admisión. La mayor parte de los
motores cuentan con un colector de escape o de expulsión, que transporta fuera
del vehículo y amortigua el ruido de los gases producidos en la combustión.
Sistema de
distribución
Válvulas y árbol de levas.
Cada cilindro toma el combustible y expulsa los gases
a través de válvulas de cabezal o válvulas deslizantes. Un muelle mantiene
cerradas las válvulas hasta que se abren en el momento adecuado, al actuar las
levas de un árbol de
levas rotatorio movido por el cigüeñal, estando el conjunto
coordinado mediante la cadena o
la correa de
distribución. Ha habido otros diversos sistemas de distribución,
entre ellos la distribución por camisa
corredera
Cadena de distribución.
Encendido
Tapa del distribuidor.
Los motores necesitan una forma de iniciar la
combustión del combustible dentro del cilindro. En los motores Otto, el sistema
de encendido consiste en un componente llamado bobina de
encendido, que es un auto-transformador de alto voltaje al que
está conectado un conmutador que interrumpe la corriente del primario para que
se induzca un impulso eléctrico de alto voltaje en el secundario.
Dicho impulso está sincronizado con el tiempo de
compresión de cada uno de los cilindros; el impulso se lleva al cilindro
correspondiente (aquel que está en compresión en ese momento) utilizando un
distribuidor rotativo y unos cables que llevan la descarga de alto voltaje a la
bujía. El dispositivo que produce el encendido de la mezcla combustible/aire es
la bujía,
que, instalada en cada cilindro, dispone de electrodos separados unas décimas
de milímetro, el impulso eléctrico produce una chispa en el espacio entre un
electrodo y otro, que inflama el combustible; hay bujías con varios electrodos,
bujías que usan el proceso de 'descarga de superficie' para producir la chispa,
y 'bujías incandescentes ' (Glow-plug).
Si la bobina está en mal estado se recalienta; eso
produce pérdidas de energía, reduce la chispa de las bujías y causa fallos en
el sistema de encendido del automóvil. De los sistemas de generación de
electricidad en los motores, las magnetos dan un bajo voltaje a pocas rpm,
aumentando el voltaje de la chispa al aumentar las rpm, mientras los sistemas
con batería dan una buena chispa a bajas rpm, pero la intensidad de la chispa
baja al aumentar las rpm.
Refrigeración
Dado que la combustión produce calor, todos los
motores deben disponer de algún tipo de sistema de refrigeración. Algunos
motores estacionarios de automóviles y de aviones, y los motores fueraborda, se
refrigeran con aire. Los cilindros de los motores que utilizan este sistema
cuentan en el exterior con un conjunto de láminas de metal que emiten el calor
producido dentro del cilindro. En otros motores se utiliza refrigeración por
agua, lo que implica que los cilindros se encuentran dentro de una carcasa
llena de agua que en los automóviles se hace circular mediante una bomba. El
agua se refrigera al pasar por las láminas de un radiador. Es importante que el
líquido que se usa para enfriar el motor no sea agua común y corriente porque
los motores de combustión trabajan regularmente a temperaturas más altas que la
temperatura de ebullición del agua. Esto provoca una alta presión en el sistema
de enfriamiento dando lugar a fallas en los empaques y sellos de agua, así como
en el radiador; se usa un refrigerante,
pues no hierve a la misma temperatura que el agua, sino a más alta temperatura,
y que tampoco se congela a temperaturas muy bajas.
Otra razón por la cual se debe usar un refrigerante es
que éste no produce sarro ni sedimentos que se adhieran a las paredes del motor
y del radiador formando una capa aislante que disminuiría la capacidad de
enfriamiento del sistema. En los motores navales se utiliza agua del mar para
la refrigeración.
Sistema de arranque
Al contrario que los motores y las turbinas de vapor,
los motores de combustión interna no producen un par de fuerzas cuando arrancan
(véase Momento de
fuerza), lo que implica que debe provocarse el movimiento
del cigüeñal para que se pueda iniciar el ciclo. Los motores de automoción
utilizan un motor
eléctrico (el motor de arranque)
conectado al cigüeñal por un embrague
automático que se desacopla en cuanto arranca el motor. Por otro lado, algunos
motores pequeños se arrancan a mano girando el cigüeñal con una cadena o
tirando de una cuerda que se enrolla alrededor del volante del cigüeñal.
Otros sistemas de encendido de motores son los
iniciadores de inercia, que aceleran el volante manualmente o con un motor
eléctrico hasta que tiene la velocidad suficiente como para mover el cigüeñal.
Ciertos motores grandes utilizan iniciadores explosivos que, mediante la
explosión de un cartucho mueven una turbina acoplada al motor y proporcionan el
oxígeno necesario para alimentar las cámaras de combustión en los primeros movimientos.
Los iniciadores de inercia y los explosivos se utilizan sobre todo para
arrancar motores de aviones.
Tipos de motores
Motor convencional
del tipo Otto
Motor Otto de 2T refrigerado por aire de una moto:
azul aire, verde mezcla aire/combustible, gris gases quemados.
El motor convencional del tipo Otto es de cuatro
tiempos (4T), aunque en fuera borda y vehículos de dos ruedas
hasta una cierta cilindrada se utilizó mucho el motor de dos
tiempos (2T). El rendimiento térmico de los motores Otto
modernos se ve limitado por varios factores, entre otros la pérdida de energía
por la fricción y
la refrigeración.
La termodinámica nos dice que el rendimiento de un
motor alternativo depende en primera aproximación del grado de compresión. Esta relación suele
ser de 8 a 1 o 10 a 1 en la mayoría de los motores Otto modernos. Se pueden
utilizar proporciones mayores, como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del
motor, pero este diseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de octano
para evitar el fenómeno de la detonación, que puede producir
graves daños en el motor. La eficiencia o rendimiento medio de un buen motor
Otto es de un 20 a un 25%: sólo la cuarta parte de la energía calorífica se
transforma en energía mecánica.
Funcionamiento
1. Tiempo de admisión - El aire y
el combustible mezclados entran por la válvula de admisión.
2. Tiempo de compresión - La mezcla
aire/combustible es comprimida y encendida mediante la bujía.
3. Tiempo de combustión - El
combustible se inflama y el pistón es empujado hacia abajo.
4. Tiempo de escape - Los gases de
escape se conducen hacia fuera a través de la válvula de escape.
Motores diesel
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Los cuatro tiempos del diesel 4T; pulsar sobre la
imagen.
Motor diesel 2T, escape y admisión simultáneas.
En teoría, el ciclo diesel difiere del ciclo Otto en
que la combustión tiene lugar en este último a volumen constante en lugar de
producirse a una presión constante. La mayoría de los motores diesel son
asimismo del ciclo de cuatro tiempos, salvo los de tamaño muy grande,
ferroviarios o marinos, que son de dos tiempos. Las fases son diferentes de las
de los motores de gasolina.
En la primera carrera, la de admisión, el pistón sale
hacia fuera, y se absorbe aire hacia la cámara de combustión. En la segunda
carrera, la fase de compresión, en que el pistón se acerca. el aire se comprime
a una parte de su volumen original, lo cual hace que suba su temperatura hasta
unos 850 °C. Al final de la fase de compresión se inyecta el combustible a
gran presión mediante la inyección de combustible con lo que se
atomiza dentro de la cámara de combustión, produciéndose la inflamación a causa
de la alta temperatura del aire. En la tercera fase, la fase de trabajo, los
gases producto de la combustión empujan el pistón hacia fuera, trasmitiendo la
fuerza longitudinal al cigüeñal a través de la biela, transformándose en fuerza
de giro par motor.
La cuarta fase es, al igual que en los motores Otto, la fase de escape, cuando
vuelve el pistón hacia dentro.
Algunos motores diésel utilizan un sistema auxiliar de
ignición para encender el combustible al arrancar el motor y mientras alcanza
la temperatura adecuada.
La eficiencia o rendimiento (proporción de la energía
del combustible que se transforma en trabajo y no se pierde como calor) de los
motores diésel dependen, de los mismos factores que los motores Otto, es decir
de las presiones (y por tanto de las temperaturas) inicial y final de la fase
de compresión. Por lo tanto es mayor que en los motores de gasolina, llegando a
superar el 40%. en los grandes motores de dos tiempos de propulsión naval. Este
valor se logra con un grado de compresión de 20 a 1 aproximadamente, contra 9 a
1 en los Otto. Por ello es necesaria una mayor robustez, y los motores diésel
son, por lo general, más pesados que los motores Otto. Esta desventaja se
compensa con el mayor rendimiento y el hecho de utilizar combustibles más
baratos.
Los motores diesel
grandes de 2T suelen ser motores lentos con velocidades de
cigüeñal de 100 a 750 revoluciones por minuto (rpm o r/min) (grandes barcos),
mientras que los motores de 4T trabajan hasta 2.500 rpm (camiones y autobuses)
y 5.000 rpm. (automóviles)
Motor de dos tiempos
Con un diseño adecuado puede conseguirse que un motor
Otto o diésel funcione a dos tiempos, con un tiempo de potencia cada dos fases
en lugar de cada cuatro fases. La eficiencia de este tipo de motores es menor
que la de los motores de cuatro tiempos, pero al necesitar sólo dos tiempos
para realizar un ciclo completo, producen más potencia que un motor cuatro
tiempos del mismo tamaño.
El principio general del motor de dos tiempos es la
reducción de la duración de los periodos de absorción de combustible y de
expulsión de gases a una parte mínima de uno de los tiempos, en lugar de que
cada operación requiera un tiempo completo. El diseño más simple de motor de
dos tiempos utiliza, en lugar de válvulas de cabezal, las válvulas deslizantes
u orificios (que quedan expuestos al desplazarse el pistón hacia atrás). En los
motores de dos tiempos la mezcla de combustible y aire entra en el cilindro a
través del orificio de aspiración cuando el pistón está en la posición más
alejada del cabezal del cilindro. La primera fase es la compresión, en la que
se enciende la carga de mezcla cuando el pistón llega al final de la fase. A
continuación, el pistón se desplaza hacia atrás en la fase de explosión,
abriendo el orificio de expulsión y permitiendo que los gases salgan de la
cámara.
Motor de 5 tiempos
Hacia 1879 NicolausAugust Otto diseñó y construyó un
motor con doble expansión, concepto propuesto por los ingleses Jonathan
Hornblower y Artur Woolf en 1781, antes de que Watt llevase a la práctica la
máquina de vapor. La primera expansión se hacía en el cilindro donde se realizó
la combustión, y una segunda en otro pistón, este a baja presión, con el
objetivo de lograr el aprovechamiento de la energía de los gases de escape;
incluso se han construido motores con triple expansión, como el Troy, y el
principio se usó en muchos motores marinos. En 1906 la empresa EHV radicada en
Connecticut, EEUU, fabricó un motor de combustión interna de tres cilindros y
doble expansión que montaron en un automóvil. Al igual que el motor construido
por Otto, cuyo comprador lo devolvió, el motor de EHV no demostró en la
práctica las ventajas de menor consumo de combustible esperadas. En España hay
dos patentes concedidas de motores con un principio similar, una de 1942 a
Francisco Jimeno Cataneo (Nº OEPM 0156621) y otra de 1975 a Carlos UbiernaLaciana
(Nº OEPM 0433850), en el INTA se construyó un prototipo de motor de aviación
con cilindros en estrella y un principio parecido, ideado por el ingeniero J
Ortuño García, patentes 0230551 y 0249247 y al que se atribuyó un consumo muy
bajo de combustible, está expuesto en el Museo del Aire en Cuatro Vientos,
Madrid. El año 2009, la empresa británica ILMOR presentó en una exposición
internacional de motores en Stuttgart, un prototipo de motor de 5 tiempos,
según una patente concedida en EEUU a Gerhard Schmitz. Para este motor
anunciaron un consumo específico de 215 g/kWh, una relación de compresión
efectiva de 14'5/1 y un peso inferior en 20% a los motores convencionales
equivalentes.234
Motor Wankel
Motor Wankel.
En la década de 1950,
el ingeniero alemán Félix Wankel
completó el desarrollo de un motor de combustión interna con un diseño
revolucionario, actualmente conocido como Motor Wankel. Utiliza un rotor
triangular-lobular dentro de una cámara ovalada, en lugar de un pistón y un
cilindro.
La mezcla de combustible y aire es absorbida a través
de un orificio de aspiración y queda atrapada entre una de las caras del rotor
y la pared de la cámara. La rotación del rotor comprime la mezcla, que se
enciende con una bujía. Los gases se expulsan a través de un orificio de
expulsión con el movimiento del rotor. El ciclo tiene lugar una vez en cada una
de las caras del rotor, produciendo tres fases de potencia en cada giro.
El motor de Wankel es compacto y ligero en comparación
con los motores de pistones, por lo que ganó importancia durante la crisis del
petróleo en las décadas de 1970 y 1980.
Además, funciona casi sin vibraciones y su sencillez mecánica permite una
fabricación barata. No requiere mucha refrigeración, y su centro de gravedad
bajo aumenta la seguridad en la conducción. No obstante salvo algunos ejemplos
prácticos como algunos vehículos Mazda, ha tenido problemas de
durabilidad.
Motor de carga
estratificada
Una variante del motor de encendido con bujías es el
motor de carga estratificada, diseñado para reducir las emisiones sin necesidad
de un sistema de re-circulación de los gases resultantes de la combustión y sin
utilizar un catalizador.
La clave de este diseño es una cámara de combustión doble dentro de cada
cilindro, con una antecámara que contiene una mezcla rica de
combustible y aire mientras la cámara principal contiene una mezcla pobre.
La bujía enciende la mezcla rica, que a su vez enciende la de la cámara principal.
La temperatura máxima que se alcanza es suficientemente baja como para impedir
la formación de óxidos de nitrógeno, mientras que la temperatura media es la
suficiente para limitar las emisiones de monóxido de carbono e hidrocarburos.
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