Motores. Distintos tipos de motor.

Motores. Distintos tipos de motor.

1. – Concepto  de motor:

– Sistema material que transforma una determinada clase de energía (hidráulica, Química, eléctrica, etc. ) en energía mecánica. Máquina destinada a producir  movimiento a expensas de otra fuente de energía.

 

2. – Antecedentes, Historia:

– Los motores hidráulicos son los más antiguos conocidos (Herón de Alejandría, S. I a. J.C.), utilizaban como fuerza motriz  la energía de una masa de agua que cae desde cierta altura, llamada salto. Esta energía se transforma en trabajo útil disponible en el eje de la máquina, que antaño era la rueda hidráulica, actualmente la turbina.

El motor nace por la necesidad de trabajos que, bien por duración, intensidad, manejabilidad o mantenimiento, no puede ser realizado por animales.

Cronología del motor:

1. Alrededor del 600 d. De J.C. aparecen los molinos de viento, que convierten la energía del viento en movimiento de máquinas.

 

1. En 1712 el inventor inglés Thomas Newcomen (1663-1729) construye una máquina de vapor con pistones y cilindros que resulta muy eficiente,

– En 1770  el militar francés Nicolás-Joseph Cugnot (1725-1804) consigue amoldar su motor a vapor a su carreta.

-1782. El ingeniero escocés James Watt (1736-1819) construye una máquina a vapor mucho más eficiente que la máquina de Newcomen.

– El ingeniero franco-belga Etienne Lenoir (1822-1900) construye en 1859 un motor de combustión interna.

– El alemán Nikolaus  Otto (1832-1892) construye un motor de 4 tiempos en 1877.

– Germán W. Daimler construye en 1883 un motor de combustión interna muy veloz.

– El ingeniero inglés Charles Parsons (1854-1931) diseña el primer generador electrónico de turbina a vapor.

– 1892. El alemán Rudolf Diesel  inventa un motor (llamado motor diesel posteriormente) que funciona con un combustible que se prende a gran presión. En la práctica el motor resulta ser mucho más eficiente que los motores de combustión interna existentes en aquel momento.

– 1903. Los hermanos Orville (1871-1948) y Wilbur (1867-1912) realizan el primer vuelo con motor con su Kitty Hawk que usa un motor de combustión interna.

– El ingeniero británico Frank Whittle (1907) construye en 1937 el primer motor a reacción que funciona.

– Hans von Ohain, ingeniero alemán, construye y pilota el Heinkel He 178, primer avión con motor a reacción. En 1939.

            – 1970.Se utiliza el motor a reacción con turboventilador, el más frecuente hoy en día en los aviones, sustituyendo a los antiguos motores 4 tiempos con hélices.

3. – Clases de motores:

 

Existe una gran variedad de motores distintos, con una finalidad distinta, para un tipo específico de vehículo, para un determinado uso, unos más caros, más ecológicos, etc. 

Estos son los más importantes: .

– Combustión interna: Motor en que la energía suministrada por un combustible es transformada directamente en energía mecánica.

– Explosión: transforma la energía obtenida por combustión de una mezcla gaseosa carburada, proveniente del carburador, en energía mecánica utilizada para propulsar un émbolo que actúa sobre una biela la cual mueve el cigüeñal y a través de transmisiones provoca el movimiento de las ruedas.

– De reacción o cohete: La acción mecánica se realiza mediante la expulsión de un flujo gaseoso a gran velocidad, que crea una gran cantidad de movimiento al ser expulsada  por la  parte posterior a una velocidad muy elevada.

– Eléctrico: Se dividen en tres categorías fundamentales: Asíncronos, Síncronos, y de colector. Los dos primeros funcionan solo con corriente alterna, monofásica, trifásica o polifásica, mientras que el tercer tipo se utiliza tanto con corriente alterna como continua.

– Térmico: Transforma la energía térmica en energía mecánica.

– Stirling: que obtiene potencia mecánica de la expansión de un gas encerrado a alta temperatura.

            – Diesel: motor que aspira aire puro, sin mezcla de combustible. En el tiempo de compresión, el aire se comprime, con lo que alcanza una temperatura extraordinariamente alta.
            – De arranque: Motor eléctrico adicional utilizado para efectuar la puesta en marcha del motor de explosión, mediante un sistema de acoplamiento de engranajes.

            – Émbolo rotativo: trabaja con un ciclo de 4 tiempos que realiza en una rotación de émbolos, el cual presenta un perfil triangular de lados curvos, en una cavidad con forma de elipse.

– De émbolos libres: Tiene dos émbolos desprovistos de biela y que se mueven en un mismo cilindro, uno frente a otro, con movimientos alternativos opuestos, teniendo lugar la inyección de combustible en la parte central.

1. De pólvora: Máquina en la que se prendía una carga de pólvora en el interior de un cilindro, para poder impulsar el pistón.

 

            – Vapor: El vapor penetra por un cilindro, por debajo de un émbolo, y se condensa con un chorro de agua fría. Este proceso genera un vacío parcial, y la presión atmosférica que actúa por encima del émbolo lo hace bajar.

            – Hidráulico: utiliza como fuerza motriz la energía de una masa de agua que cae desde cierta altura llamada salto.

            – Eólico: Utiliza el empuje del viento con ayuda de máquinas llamadas aeromotores.

 

4. – Motor térmico:

 

1. Concepto: Transforma la energía térmica en energía mecánica.

            Los motores térmicos se basan en un ciclo termodinámico  a que se halla sometido un fluido, en una de cuyas fases se produce un trabajo útil. Se clasifican en motores de combustión interna y motores de combustión externa, atendiendo a la localización de la combustión o generación del calor. También pueden clasificarse en rotativos, alternativos o de reacción según sea el movimiento primario que producen.

         Existen muchas variedades de motor térmico, las cuales se diferencian las unas de las otras por el combustible que utilizan, con lo cual varían los mecanismos interiores del motor. Pueden utilizar Gasolina (explosión), Gasóleo (Diesel), Queroseno (reacción), etc.

5. – Motor de explosión:

– Concepto: transforma la energía obtenida por combustión de una mezcla gaseosa carburada, proveniente del carburador, en energía mecánica utilizada para propulsar un émbolo que actúa sobre una biela, la cual mueve el cigüeñal y a través de transmisiones provoca el movimiento de las ruedas.

– Funcionamiento: Gasolina y aire forman una mezcla peligrosa. La más leve chispa basta para que se inflame en un instante y así funciona un motor. Los pistones de los cilindros se encargan de comprimir la mezcla, facilitando la ignición, provocada por la chispa eléctrica emitida por la bujía. Estalla en llamas con tal velocidad y violencia que hace descender el pistón por el cilindro. Este movimiento determina el giro del cigüeñal y da su fuerza al motor. En casi todos los motores de coches esta explosión tiene lugar en uno de los cuatro movimientos del pistón, por lo que se le denomina Motor de cuatro tiempos.

            Los cuatro tiempos del motor son así:

            1º. – Admisión: la válvula de entrada se abre. El pistón desciende por el cilindro dejando entrar una mezcla de combustible y aire previamente mezclada en el carburador y que se llama carga.

2º. – Compresión: la válvula de entrada se cierra de un golpe, y el pistón sube comprimiendo la carga en un pequeño espacio, en la parte superior del cilindro.

3º- Explosión: La chispa emitida por la bujía incendia la carga a presión. Los gases en expansión empujan el pistón hacia arriba. El pistón mueve el cigüeñal.

4º- Escape: la válvula de salida se abre. Los gases, a gran temperatura salen expulsados empujados por el pistón. El ciclo empieza de nuevo.

– Partes del motor:

Al desmontar un motor se advierte que es realmente sencillo. Hay pistones en forma de tambor que suben y bajan, empujando y tirando de bielas de acero para hacer girar el cigüeñal de línea zigzagueante, impulsor de las ruedas; válvulas atrompetadas que vierten combustible en los cilindros y se llevan los gases de desecho; el sólido bloque del motor y la culata. Más, aunque simples, estas piezas han de ser muy duras para soportar el calor y la tensión. Dentro de los cilindros se alcanzan 1700º C (temperatura muy cercana a la temperatura de la lava fundida) y los pistones han de resistir presiones de hasta 15 toneladas y tener un buen acabado para que el motor funcione de un modo regular.

Estas son las partes fundamentales de un motor:

– Cilindro: Es el espacio donde la carga se presiona y explota comprimida por el pistón. De su capacidad de pende en gran parte la potencia del motor.

– Pistón: Está situado dentro del cilindro y es el encargado de presionar y expulsar la carga para que esta cumpla su cometido. Aguantan hasta 15 T de presión.

– Biela: Es la unión entre el pistón y el cigüeñal. Junto con el pistón se desplazan por el cilindro hasta 6000 veces por minuto a unos 500 Km/h o más.

– Válvula de salida: Es la compuerta por donde salen los gases resultantes al tubo de escape.

– Válvula de entrada : por esta compuerta  entra el combustible proveniente del carburador. Cuantas más válvulas, mas combustible, con lo que aumenta la potencia y el consumo.

            – Escape : Por aquí son conducidos los gases al silenciador del tubo de escape, los cuales pasan por un catalizador que disminuye los efectos negativos en el Medio Ambiente

            – Conducto del carburador : El carburador mezcla la gasolina con el aire (carga) y por aquí pasa al cilindro pasando por la válvula de entrada.

– Cigüeñal : eje que convierte el movimiento de subida y bajada de los pistones en movimiento rotatorio.

– Bujía : Inflama el combustible que hace descender el pistón por cilindro. Para que funcione bien un motor, la chispa debe llegar en el momento oportuno al cilindro, antes se quema  de forma desigual, mas tarde se pierde potencia.

– Volante : Pesado volante fijado al cigüeñal para coordinar el movimiento de los cilindros individuales.

 

6. – Características del motor:

 

Los motores de explosión han cambiado mucho desde aquel primer Mercedes-Benz de hace casi un siglo o el Ford-T, primer coche producido en serie. Antaño los motores tenían uno o dos cilindros enormes y lentos, en lugar de los pequeños y rápidos que se usan ahora.

Los modernos motores automovilísticos son compactos, muy revolucionados y potentes. La media alcanza 6.000 revoluciones por minuto y suelen tener 4 cilindros de unos 500 cc, que obtienen una potencia 40 veces superior a los Mercedes-Benz mencionados antes (el Benz de 1898 tenía un solo cilindro de 1.2 litros que lograba 1.200 r.p.m. con un funcionamiento muy irregular).

 

            La disposición de los cilindros más común hoy en día es:

 

                – Cuatro Horizontales: Los cilindros están dispuestos en dos filas. El motor es ancho, pero el aire fresco llega a los cilindros tan fácilmente que no siempre se requiere la refrigeración por agua.

– Seis en línea: Estos motores son muy largos y costosos, pero resultan muy regulares y potentes y se emplean especialmente en coches grandes y caros.

            – Seis en “V”: Los motores grandes y rectos son demasiado largos y altos para encajar en los estilizados deportivos. Por eso muchos deportivos tienen motores  en donde los cilindros se entrelazan formando una “V” y un cigüeñal más corto y rígido.

Estas son las más comunes, pero hay más variantes como el V8 que es el mismo fin que el V6, pero con 2 cilindros más y por consiguiente, mas potencia, o los V10, o V12, que son para coches en el límite entre la carretera y los circuitos, solo usados por marcas tan importantes como Ferrari, Lamborghini o Porsche. En competición se suelen usar motores de 12 en “V” o en línea ayudado de turbocompresores y una gran cilindrada, lo que da una gran potencia a dichos motores.          

Otra forma de aumentar la potencia del motor es con supercargadores y turbocargadores, los cuales aumentan la fuerza de la explosión en la fase de power stroke. Son bombas que inyectan la mezcla de gasolina y aire en los cilindros. La Postcombustión, otro dispositivo, inyecta combustible extra en el escape a reacción y dan al motor un impulso añadido, casi como un cohete. Los aviones a reacción utilizan la Postcombustión para despegar o para maniobras muy rápidas o repentinas. Consumen mucho mas combustible y hacen mucho ruido.

7. – Efectos del motor  de explosión sobre el medio ambiente. Medidas correctoras:

            El Dióxido de Carbono y demás partículas nocivas emitidas por los tubos de escape de los vehículos con motor de combustión contribuyen en gran manera, al ser tan elevado su número. Contribuye al Efecto Invernadero, a la Lluvia Ácida y la capa de Ozono (esta en muy poca medida):

            – Efecto Invernadero: La quema de combustibles fósiles aumenta la cantidad de Dióxido de Carbono  en la atmósfera, que atrapa calor extra. Si continua así subirá la temperatura de la Tierra ocasionando muchos problemas.

            – Lluvia Ácida: Causada principalmente por el nitrógeno despedido por los tubos de escape. Cuando esta contaminación se mezcla con el vapor de agua y el oxígeno de la atmósfera,  se producen ácido nítrico y sulfúrico. Esta mezcla cae con la lluvia incrementando la acidez de lagos, ríos y sustrato en general, incluyendo plantas y animales.

            Aunque los vehículos tienen obligación de tener catalizadores en la salida del silenciador en el tubo de escape, esta medida no es suficiente. En el año 2000 se quitará del mercado la gasolina “super” y pasará a ser la “Sin Plomo” la única disponible para vehículos con motor de explosión. La gasolina “Sin Plomo” aporta menos energía al no producir la misma intensidad de la explosión dentro del motor, pero es más ecológica y menos contaminante. Tendremos que realizar pequeñas modificaciones en el motor para adaptarlo.

7. Soluciones alternativas al motor de térmico:

Hay diversas soluciones alternativas que o bien modifican al motor, o bien no es un motor térmico, sino uno eléctrico, solar, eólico, etc.

En este final de siglo se plantean nuevos retos al automóvil: por un lado se intenta mantener el nivel de prestaciones conseguidas hasta ahora (Comodidad, velocidad, autonomía…), y por otro se trata de reducir al máximo el consumo de energía, y la contaminación ocasionada por la emisión de gases.

El coche eléctrico es, en este sentido, una clara alternativa. Se están creando prototipos de vehículos impulsados por motores eléctricos.

            Una alternativa es el motor con partes de cerámica en lugar de aleaciones. El motor cerámico dura 10 veces más porque el desgaste es prácticamente nulo. No necesita refrigeración ni lubrificación del motor porque es capaz de trabajar a más altas temperaturas sin fugas de calor. Aprovecha mucho mejor la energía porque la combustión es perfecta, produciendo mejores prestaciones con menos consumo y sin emitir gases contaminantes como el monóxido de carbono. La razón de que no se utilice salvo en los prototipos es que la cerámica es muy frágil y puede romperse con un pequeño golpe, pero se está buscando soluciones para este problema.

            Otro tipo de automóvil es el denominado coche híbrido, representado por el  prototipo Opel Twin, que funciona con motor eléctrico en la ciudad y de combustión en carretera, donde es necesaria mayor autonomía. Es un vehículo con un motor de “ quita y pon”.

            También hay que tener en cuenta al Sol, la energía más abundante y menos contaminante de que disponemos en nuestro planeta. Se han diseñado ya cientos de modelos de coches que se mueven mediante la electricidad generada por células solares fotovoltaicas. Cada año se baten récords de velocidad y distancias recorridas por estos vehículos, capaz de lanzarse a más de 120 Km/h durante miles de kilómetros sin pararse a repostar. Unos acumuladores de electricidad les permiten funcionar incluso mientras el sol está oculto.