Funcionamiento de Motores a pistón (ciclo OTTO 4 tiempos).
La mas común de las explicaciones del funcionamiento de estos motores se realiza desde un punto de vista netamente mecánico, empero como se dijo, el estudio y el calculo de los mismos en cuanto a rendimiento, es puramente térmico.
Como verán el tema es complejo y requiere una serie de conocimientos previos de una especialidad no muy difundida entre el común de la gente, aquel que quiera podrá investigar el tema por su cuenta, puesto que existen numerosas monografías en internet.
Podemos recomendar Monografias.com, allí encontrarán una muy buena cuyo autor es el Sr Alberto Lavín Maldonado, la dirección de la página es http://www.monografias.com/trabajos/termodinamica2/termodinamica2.shtml
Nosotros veremos el funcionamiento mecánico, con el que se explica en forma clásica y comentaremos la transformación térmica que interviene, esto es especialmente importante un uno de los tiempos (expansión) puesto que allí es donde mas confusiones y errores se cometen.
En un motor encontraremos las siguientes partes principales:
1 - cilindro
2 - pistón o embolo
3 - bujía
4 - válvula de admisión
5 - válvula de escape
6 - biela
7 - cigüeñalEn la parte superior del cilindro se encuentra alojada, la bujía, es la encargada de generar una chispa para provocar el encendido de la mezcla de combustible. Ademas de las válvula de admisión y escape que permiten la entrada y la salida de los gases quemados y por quemar.
Dentro del cilindro se desplaza el pistón en un movimiento alternativo (no uniforme), este es transmitido por la biela al cigüeñal que lo convierte en circular (no uniforme), el ultimo es solidario al eje de salida del motor.El pistón realiza carreras entre dos puntos, el punto muerto superior (PMS) que es el el punto superior donde cambia de sentido el desplazamiento del pistón y el punto muerto inferior (PMI), idéntico al anterior pero en la parte inferior del cilindro. Los cuatro tiempos son:
Admisión: El pistón encontrándose en el PMS con la válvula de admisión abierta inicia su carrera hacia el PMI, simultáneamente ingresa la mezcla de aire y combustible atraves de la válvula antedicha.
Admisión
El pistón desciende hasta el PMI, con la válvula de admisión abierta ingresa la mezcla de aire y combustible.La carrera descendente del pistón provoca aspiración y una consiguiente depresión en los conductos de combustible (múltiple de admisión) facilitando el ingreso del mismo.
Al alcanzar el el PMI la válvula de admisión se cierra y comienza el segundo tiempo.
Compresión: Ya cerrada la válvula y con la cámara del cilindro sellada herméticamente, el pistón comienza una carrera ascendente hacia el PMS comprimiendo la mezcla. (aquí se produce en teoría una transformación adiabática).
Compresión
El pistón asciende hacia el PMS con ambas válvulas cerradas, lo que comprime la mezcla.
Al llegar al PMS sala la chispa en la bujía, lo que causa que se queme el combustible, generando calor, elevando aún mas la presión.Normalmente en un ciclo Otto la relación de compresión es de 1:8 aproximadamente, es decir que volumen de la cámara cuando el pistón se encuentra en el PMI es ocho veces mayor que el volumen cuando el pistón se encuentra en el PMS.
Al alcanzar el PMS se produce el salto de la chispa que inicia la combustión de la mezcla, esta combustión genera calor elevando la presión de los gases en el interior de la cámara (transformación a volumen constante o isocórica).
En realidad la chispa debe saltar momentos antes de alcanzar el PMS (3º a 5º) a esto se lo conoce como avance, su correcta regulación es fundamental, de lo contrario el motor tendrá perdida de rendimiento, sobrecalentamiento, detonaciones e incluso puede detenerse o no llegar a arrancar.
Expansión: Los gases comprimidos y calentados ya con alta presión se expanden y empujan al pistón hacia su PMI generando fuerzas sobre la cabeza del mismo. La transformación que aquí se da es otra adiabática.
Expansión
Ya comprimida y calentada, los gases con alta presión generan fuerzas en todas direcciones, entre ellas la cabeza del pistón, que es impulsado por estas fuerzas hacia el PMI.
En esta carrera el pistón entrega potencia mecánica y es en realidad la única carrera que se aprovecha.De las cuatro carreras que realiza el pistón esta es la única carrera útil, es decir que aquí es donde el pistón entrega energía, mientras que en las otras tres absorbe energía.
Escape: Al llegas al PMI se abre la válvula de escape, se produce el enfriamiento de los gases quemados en otra transformación a volumen constante.
Estando la válvula de escape abierta y el pistón en el PMI, este comienza su carrera ascendente empujando y expulsando los gases quemados, como es evidente en comparación con los conductos de escape (múltiple de escape) en el cilindro, la presión será levemente mas alta lo que facilita la salida de los gases.
Escape
Alcanzado el PMI, se abre la válvula de escape. El pistón comienza una carrera hacia el PMS expulsando los gases de combustión hacia el múltiple de escape.
Cuando el pistón llega al PMS la válvula de escape se cierra (en realidad lo hace un poco antes) y comienza el ciclo nuevamente.Al llegar al PMS la válvula de escape se cierra y se abre la de admisión dando comienzo a un nuevo ciclo.
Como puede intuirse el movimiento transmitido por el pistón al cigüeñal no es uniforme o parejo, por ende el del eje de salida tampoco lo será. Para solucionar esto, al eje se le agregan masas inerciales (volante) que uniformará el movimiento.
Esta es la explicación clásica de los cuatro tiempos del motor. Estrictamente los tiempos no los definen las carreras del pistón sino el comienzo y final de las transformaciones térmicas.
Térmicamente las carreras de admisión y escape no se consideran tiempos sino que son carreras de llenado y vaciado del cilindro. Siendo así, el ciclo queda como, una carrera de llenado del cilindro, al que le sigue el primer tiempo que es la comprensión (adiabática), una transformación isocórica donde se le agrega calor a los gases llamada combustión(segundo tiempo), luego una expansión de gases con una transformación adiabática (tercer tiempo), seguida de otra isocórica (volumen constante) cumpliéndose el cuarto tiempo, finalizando el ciclo con una carrera de vaciado del cilindro (escape) para comenzar el proceso nuevamente.
En los motores suele haber varios cilindros, por lo general en cantidades pares, entonces se construyen para que los pistones de cada cilindro no se encuentren en la misma carrera o el mismo tiempo que los demás, es decir que no hagan lo mismo simultáneamente, así es menos critica la compensación del movimiento por parte del volante inercial.
Según la disposición de los cilindros se los clasifica en, lineales, los que tienen los cilindros uno detrás del otro, en V, divididos en dos mitades posicionadas con forma de V, Boxer los que poseen cilindros opuestos y radiales si los cilindros están dispuestos en forma de estrella.
Por ultimo digamos que el combustible utilizado es un hidrocarburo perteneciente a la familia de las naftas, con complejos procesos de refinamiento y enriquecimiento.
