El motor de combustión interna

En esta sección explicaremos el principio y funcionamiento básico de un motor de combustión interna, En el caso de los ejemplos utilizamos un motor enfriado por agua Vw, pero el funcionamiento es básicamente el mismo en todos los  motores, las variantes serán el numero de cilindros, así como la disposición de los componentes  como en el caso del sedán que tiene las cabezas opuestas (Boxer) y el árbol de levas engranado directo al cigüeñal.

El motor de combustión interna

Antecedentes

Desde su presencia en la Tierra, el hombre se ha movido por la superficie del planeta, primero como un nómada y después, ya establecido, para comunicarse con otros asentamientos humanos. Los caminos y las rutas comerciales empezaron a surcar el mundo; las caravanas con productos a la espalda de porteadores y a lomo de animal dejaron su huella durante muchos años. Después, con la invención de la rueda y el carro, aquellos caminos se ensancharon; grandes volúmenes de mercancías comenzaron a fluir a la velocidad permitida por la tracción animal y esta historia se prolongó también por muchos años... hasta la invención de la máquina de vapor y su aplicación a la locomotora. Como ya sabemos, la máquina de vapor consistía básicamente en una caldera con agua a la que se le aplicaba el calor producido por un fogón en la parte exterior. El vapor generado por la ebullición del agua se conducía a unos grandes émbolos y su fuerza expansiva movía las ruedas de la locomotora que arrastraba así grandes convoyes. La máquina de vapor era pues, un motor de combustión externa que rápidamente evolucionó y logró ser aplicado en los primeros intentos por sustituir al caballo en la tracción de carros. Sin embargo, no fue sino hasta el desarrollo del motor de combustión interna, que se logró integrar el concepto moderno de automóvil; un vehículo que se mueve por sí mismo, impulsado por la fuerza generada al quemar su combustible dentro del motor.

Locomotora de Vapor (1813)

Motor Otto  (1893)

El motor de combustión interna ha conservado hasta la fecha sus características fundamentales, si bien ha sufrido en los últimos años modificaciones y refinamientos que lo han convertido en una máquina altamente sofisticada que incorpora los más avanzados sistemas de control electrónico, la mayoría de los cuales tiene por objeto el máximo aprovechamiento del combustible y la reducción consecuente de las emisiones contaminantes. El objetivo de este fascículo es el de familiarizar al lector con los órganos del motor y sus principios de funcionamiento.
 

Se conoce como cilindrada o desplazamiento a la suma de los volúmenes admitidos por los cilindros de un motor.

Si tomamos en cuenta que el cilindro es un cuerpo geométrico cuyo volumen se obtiene aplicando la fórmula b x a y que "b" es la superficie de la cabeza del pistón y que "a" es igual a la distancia que existe entre la cabeza del pistón en su punto muerto inferior y la cabeza de cilindros, podemos obtener fácilmente el volumen de un cilindro. Después, multiplicamos ese número por la cantidad de cilindros que tenga el motor y el resultado constituirá la cilindrada.

Este concepto se expresa generalmente en centímetros cúbicos (cc. o cm3) aunque también se emplean los litros (L). Los norteamericanos lo expresan en pulgadas cúbicas (cu.in. cubic inches).
 

Diagrama de un Cilindro Típico

Concepto de Cigüeñal

Antecedentes

Pistón y biela dando un giro al cigüeñal

AI efectuar su trabajo dentro del cilindro, el pistón se desplaza en forma rectilínea y reciprocante, es decir, va y viene en línea recta. Corresponde a la biela convertir ese movimiento del pistón en circular y continuo del cigüeñal.
Del mismo modo en que al operar una manivela puede hacerse girar un mecanismo, o igual que al aplicar fuerza sobre los pedales de una bicicleta, cada uno de los pistones, a través de su biela respectiva, transmite su energía al cigüeñal

Como se puede apreciar en el esquema anterior, en un motor de cuatro cilindros los pistones se encuentran dispuestos por pares, es decir, cuando dos de ellos están arriba, los otros dos están abajo. Esta disposición favorece el balance dinámico del motor ya que cuando las masas de dos pistones suben, otras dos masas equivalentes bajan. Cabe mencionar que todos los pistones de un motor deben pesar lo mismo y ese criterio se aplica también para las bielas. Hay que recordar que debe se simétrico.

El ciclo OTTO de cuatro tiempos.

Este ciclo recibe el nombre de su inventor, Nicolás Augusto Otto (izq.), quien Ilevó a la práctica un sistema de operación del motor a base de válvulas cuyo uso se ha generalizado y se aplica prácticamente en la mayoría de los diseños de motores para automóviles.

Tiempo de Admisión

A partir de su punto muerto superior, el pistón inicia su carrera descendente. AI mismo tiempo, la válvula de admisión se abre y permite la entrada de la mezcla aire-combustible que Ilenará la cavidad del cilindro. El tiempo de admisión y la carrera del pistón terminan cuando éste Ilega a su punto muerto inferior (PMI).

Tiempo de compresión

AI continuar girando el cigüeñal, el pistón inicia su carrera ascendente; la válvula de admisión se cierra y la mezcla aire-combustible queda confinada en el interior del cilindro donde es comprimida violentamente. Las partículas de combustible se encuentran entonces rodeadas apretadamente por partículas de oxígeno y en ese momento (PMS), tiene lugar la chispa entre los electrodos de la bujía de encendido.

La mezcla aire-combustible se enciende por la chispa, desarrollando una elevada presión de gases en expansión. Como las válvulas siguen cerradas, los gases impulsan al pistón en su carrera descendente y la biela comunica esa fuerza al cigüeñal haciéndolo girar. Esta carrera del ciclo Otto es la única que produce energía, mientras que las otras tres la consumen en mayor o menor medida.
 

Tiempo de escape

El tiempo de escape es el último del ciclo y tiene lugar en la carrera ascendente del pistón. La válvula de escape se abre y permite la expulsión de los gases quemados que serán conducidos al exterior a través del tubo del escape. El ciclo se reanuda de inmediato ya que a continuación sigue de nuevo el tiempo de admisión y así sucesivamente en forma indefinida.

En la página siguiente podrá observar el ciclo completo de cuatro tiempos. Con un poco de observación podremos darnos cuenta de que para efectuarlo, el cigüeñal tuvo que completar dos vueltas. Esto tendrá relevancia para poder entender más adelante la sincronización con las válvulas.
 

Ciclo OTTO de cuatro tiempos.

Orden de Encendido.

El orden de encendido es la secuencia en que tiene lugar la chispa de la bujía en cada cilindro. Esta chispa coincide con el inicio de la carrera de fuerza respectiva y se presenta, en motores de cuatro cilindros en línea, de la manera siguiente: 1 - 3 - 4 - 2, es decir, que encenderá primero el cilindro número uno, después el número tres, a continuación el cuatro y por último el número dos. Este ciclo, como ya sabemos, se repite continuamente de modo que habrá sólo un pistón en carrera de fuerza, otro en carrera de compresión, uno más en carrera de admisión y otro en carrera de escape, en cualquier momento de giro del cigüeñal, siguiendo siempre ese orden de encendido.

En el diagrama (izq.) encontramos al pistón número 1 al final de su carrera de fuerza, en su punto muerto inferior; por lo tanto, el pistón número 3 se encontrará al final de su carrera de compresión a punto de encender su mezcla, luego el pistón número 4 estará al final de su carrera de admisión y el pistón número 2 se encontrará al final de su carrera de escape.

Árbol de Levas.

El árbol de levas se encarga de abrir las válvulas de admisión y escape, para lo que dispone de un par de levas por cada cilindro del motor (en un motor de dos válvulas por cilindro). Las válvulas permanecen cerradas durante las carreras de compresión y fuerza por efecto de sus resortes que las mantienen en los asientos de la culata. Durante este periodo, las válvulas disipan su temperatura a través de la cabeza, que a su vez es enfriada por el liquido refrigerante que circula por ella.
 

Obviamente, el régimen de apertura de las válvulas está determinado por la sincronización que existe entre el árbol de levas y el cigüeñal. La válvula de admisión se abrirá en un cilindro solamente cuando éste se encuentre en su carrera de admisión, y la de escape se abrirá nada más en su carrera respectiva. Esta sincronización se logra por medio de los engranes respectivos del árbol de levas y del cigüeñal, que se encuentran comunicados entre sí (en la ilustración) por medio de una banda dentada. La relación de transmisión entre ambos engranes es de 2:1 (dos a uno), debido a que el engrane del árbol de levas tiene el doble de dientes que el del cigüeñal. Esto significa que mientras el engrane del cigüeñal da dos vueltas (¿recuerdan el ciclo de cuatro tiempos?) el del árbol de levas da sólo una.

Árbol de levas a la Cabeza

Acción de una leva sobre el buzo y la válvula.

El árbol de levas a la cabeza se encuentra instalado en la cabeza del motor o culata de cilindros, de donde deriva su nombre, para diferenciarlo de otras disposiciones mecánicas en las que dicho árbol va montado en el monobloque. La ubicación en la cabeza reduce al mínimo el número de partes móviles para transmitir el movimiento, así como los desgastes y el consumo de energía.

Buzos Hidráulicos.

Los buzos hidráulicos deben su nombre al hecho de utilizar el aceite del motor para Ilenar su cavidad interna y mantener contacto permanente con las levas durante todo su recorrido. Esta característica permite eliminar los entrehierros (espacios entre dos componentes que anteriormente existían y debían calibrarse periódicamente) y desde luego, eliminó también la necesidad de mantenimiento. Como resultado del contacto permanente entre la leva y el buzo, su funcionamiento es silencioso

El desarrollo de la tecnología en los motores de combustión interna ha traído como consecuencia una evolución extraordinaria de los sistemas de admisión. Si tomamos en consideración que en la medida en que un motor Ilene de una manera plena sus cilindros tendrá una compresión más elevada y una combustión más eficiente, resulta evidente que las válvulas de admisión juegan un papel preponderante en el logro de este objetivo. Uno de los logros más significativos en este campo es sin duda alguna el diseño de motores multiválvulas. Si en un motor típico nos encontramos con una válvula de escape y una de admisión por cada cilindro, un motor multiválvulas podrá tener tres válvulas de admisión y dos de escape por cada cilindro, es decir, tendrá cinco válvulas por cilindro. Si el motor es de cuatro cilindros, tendrá un total de veinte válvulas. Se dice fácil, pero esa cantidad de válvulas plantea problemas de diseño para hacerlas funcionar.

Por principio, se requerirán dos árboles de levas, uno para mover las de admisión y otro para mover las de escape. El que moverá las de escape tendrá ocho levas en cuatro pares y el que moverá las de admisión deberá tener doce levas en cuatro grupos iguales. Asimismo, el espacio disponible en la culata, por cada cilindro, es muy pequeño para alojar cinco válvulas de modo que se redujo el diámetro de éstas. Así, además de las válvulas se tuvo espacio suficiente para alojar la bujía de encendido.

Detalle de cabeza en un cilindro con 5 válvulas

Detalle de cabeza de 4 cilindros (20 válvulas)

Como podemos observar en la ilustración anterior, el espacio para las válvulas es crítico, sin embargo, el volumen de aire admitido y expulsado es muy superior al de sistemas con menos válvulas. Esto se traduce en una mayor eficiencia en el Ilenado del cilindro y en un escape de los gases prácticamente sin restricciones. Resultado: un motor de elevado rendimiento con muy bajas emisiones contaminantes.

Caballaje

El nombre de Caballo de Potencia se le dio a esta unidad física de medición para perpetuar la memoria del noble cuadrúpedo, al que el hombre debió su locomoción durante muchos años ubicándolo al frente de sus vehículos de ruedas. A fin de cuentas, a continuación se ilustran las constantes que determinan el Caballo de Potencia, CP o como se le conoce en inglés Hp (horse power).

Antecedentes

Según la ilustración tenemos tres elementos que determinan la unidad Ilamada Caballo de Potencia:
Una carga 76 Kg  una distancia 1 m  un tiempo 1 seg.

De aquí obtendremos la siguiente definición :
Un Caballo de Potencia es la energía necesaria para levantar un peso de 76 kilogramos, a la altura de 1 metro, en 1 segundo de tiempo.
Con cualquier variación en alguno de estos factores, obtendremos un resultado mayor o menor a un Caballo de Potencia.

Torque

El torque, par motor o torsión de un motor es la capacidad que éste tiene para realizar un trabajo, independientemente del tiempo que se tarde en hacerlo; es decir, si el motor puede hacerlo tendrá torsión suficiente, si no puede, no la tendrá aunque le demos todo el tiempo del mundo.
Para comprender el concepto de torque veamos la siguiente ilustración:

Antecedentes

Si tenemos un brazo de palanca de un metro de longitud y aplicamos sobre el mango una fuerza de un kilogramo, tendremos como resultado un torque de 1 Kg / m, es decir, un kilo por cada metro de palanca. En la práctica automovilística se utiliza una unidad Ilamada Newton / metro (Nm) para expresar el torque de un motor.

Para aplicar este concepto a un motor, observemos el siguiente diagrama:

Relación de compresión.

La relación de compresión es un concepto que aparece con frecuencia en las fichas técnicas de los vehículos y que amerita un poco de desarrollo para su asimilación.
Recordemos que cuando el pistón se encuentra en el punto muerto superior (PMS), al final de la carrera de compresión, queda un espacio entre él y la culata de cilindros. Este espacio recibe el nombre de cámara de combustión, debido a que es donde tiene lugar la inflamación de la mezcla aire - combustible. AI descender el pistón y Ilegar a su punto muerto inferior (PMI) tenemos el volumen total del cilindro. Pues bien, la relación de compresión no es sino el número de veces que la cámara de combustión cabe en el volumen total del cilindro. La ilustración siguiente explica claramente esta relación.

En el ejemplo de arriba la relación es de diez a uno. Esto nos indica que el volumen total del cilindro se comprime diez veces para reducirse al tamaño de la cámara de combustión. Esta característica nos da una idea de las prestaciones del motor, su eficiencia y su potencia; en la medida que el número de la izquierda sea mayor, la relación será más elevada y las prestaciones superiores... dentro de ciertos límites. La relación de compresión está relacionada directamente con la presión de compresión, concepto diferente que veremos a continuación.

Presión de Compresión

La presión de compresión se conoce simplemente como compresión y consiste en el nivel de presurización que la mezcla aire-combustible alcanza al ser confinada por el pistón en la cámara de combustión. Esta presión puede ser medida en diferentes unidades - libras sobre pulgada cuadrada (Ibs/sq.in.) o en kilogramos sobre centímetro cuadrado (Kg/cm2) - y se emplea para ello un compresómetro. Este instrumento de medición se instala quitando las bujías y aplicándolo en cada cilindro uno por uno al tiempo que se hace girar el motor con la marcha. La ilustración muestra el procedimiento.

A diferencia de la relación de compresión, que por ser una característica de diseño nunca cambia, la presión de compresión es un factor cambiante y generalmente decreciente pues el desgaste que afecta las paredes del cilindro y los anillos va permitiendo la fuga de presión hacia el cárter. De esa manera, un motor muy gastado registrará lecturas bajas al aplicar el compresómetro por lo que este aparato es una muy útil herramienta de diagnóstico.

Es posible que el lector haya escuchado la frase "ya está pasando aceite" cuando alguien se refiere a un coche muy usado. Eso significa que los desgastes del motor, específicamente entre los anillos y los cilindros, ya son muy grandes y esos componentes han Ilegado al límite de su vida útil. ¿Qué es lo que está pasando? Que el espesor de la película de lubricante entre anillos y pistones es cada vez mayor en la medida que avanza el desgaste en los anillos de control de aceite y por supuesto también en los de compresión. Por esta razón, al descender el pistón, queda en las paredes del cilindro más aceite de lo necesario que se quema también durante la combustión de la mezcla aire-combustible, provocando una cantidad de humo azul blanquecino tan espeso como sea el grado de desgaste.
 

Parte de estos humos pasa, a través de los anillos gastados, hacia el cárter del motor de donde son aspirados hacia el múltiple de admisión para ser ingresados y quemados junto con la mezcla nueva. Esto tiene como consecuencia más "humedad" en las cámaras de combustión, posible mojado de las bujías y una mayor emisión de hidrocarburos en el escape. Lubricantes de mayor viscosidad eran usados para reducir este problema e incrementar la compresión. Con el mismo objetivo se emplean ciertos aditivos restauradores de la compresión; sin embargo en ambos casos sólo se trata de un paliativo mientras se Ileva a cabo la reparación necesaria.