MOTORES
MOTORES
Por Jorge Gonzalez Delfin
INTRODUCCION
Como es de observar en el diario vivir, el avance que han desarrollado las industrias automotrices referente a motores de combustión interna conlleva a un mejor entendimiento y conocimiento de las distintas tecnologías aplicables, para que así sea posible comprender el valioso y sofisticado motor de combustión.
Por ello que analizaremos los motores con una pequeña reseña histórica de cada uno, las ventajas y desventajas y además de las diferencias entre uno y otro; también se presentan diagramas de fácil entendimiento para el lector.
MOTORES
La definición de motor es clara, maquina apropiada para absorber energía de una fuente y transformarla en trabajo mecánico
Dependiendo del tipo de energía absorbida es su clasificación (motor eléctrico, térmico, hidráulico, etc.)
A continuación se verán los motores térmicos que es la clasificación donde caen los motores de combustión.
En los motores de combustión, la combustión se puede desarrollar en dos formas diferentes.
Las máquinas que trabajan a volumen constante, aspiran la mezcla de combustible al interior del cilindro la comprimen y en el momento oportuno salta una chispa eléctrica que quema rápidamente, en forma de explosión, la mezcla combustible. Durante la explosión, que se desarrolla en milésimas de segundo, el émbolo se desplaza en muy pequeña cantidad, por lo que estos motores se les conoce con el nombre de "motores a explosión o a volumen constante". Pertenecen a este grupo los motores a bencina usados en los automóviles, motores a gas, alcohol o a cualquier otro combustible, líquido, que por su volatilidad forme fácilmente una mezcla detonante o explosiva con el aire.
Los motores diesel y semi diesel pertenecen al grupo de los motores a presión constante. En éstos, se quema el combustible, generalmente petróleo, al entrar sucesivamente al cilindro donde esta con una atmósfera de aire caliente a una temperatura de 550
° a 600° C, superior a la de inflamación del petróleo se mantiene la presión de los gases en el cilindro de la máquina, mientras el émbolo se desplaza, aumentando el volumen de los gases, pero manteniéndolos a presión constante.Por esta razón a estos motores se les conoce con el nombre de "motores de presión constante o a combustión gradual".
Existen también motores puramente mecánicos que utilizan la energía mecánica potencial elástica de un muelle y la energía debida a la gravedad.
Según el movimiento del órgano principal, el motor puede ser giratorio o alternativo.
Los motores giratorios, si se consideran tales también las antiguas ruedas hidráulicas para la elevación del agua y para la molienda, son los más antiguos como concepción y realización.
El motor alternativo tiene la ventaja de ser robusto y de poder funcionar con altas presiones.
MOTOR DIESEL
Introducción histórica:
El inventor:
Rudolf Diesel (1858-1913), nació en París, Francia, de padres alemanes. Fue educado en Alemania, en la Universidad Técnica de Munich, en donde al familiarizarse con el ciclo de Carnot, comenzó sus investigaciones sobre la posibilidad de hacerlo realidad; gracias a esto le surgió la idea de construir un motor en el que se obtuviera la óptima utilización de la energía contenida en el combustible.
Con el paso del tiempo llegó a la conclusión de que no era factible llevar a la práctica el ciclo de Carnot; sin embargo tuvo éxito al concebir el motor de autoencendido.
El 23 de febrero de 1893 obtuvo la famosa patente DRP 67207 sobre este tipo de motor. Después de algunas dificultades para el financiamiento del proyecto, construyó un motor que explotó al producirse la primera inyección de combustible. Diesel se salvó milagrosamente de la muerte.
Cuatro años de experimentos transcurrieron antes de que fabricara un motor que se considerara listo para ser lanzado al mercado.
Diesel desapareció inexplicablemente en 1913 del barco en que viajaba al cruzar el Canal de la Mancha, durante una tormenta.
Ventajas:
Para la comunidad técnica a nivel mundial, el surgimiento de los motores Diesel reviste una gran importancia, ya que las aplicaciones actuales de este tipo de motores están sumamente diversificadas en todo el mundo.
La principal característica del motor Diesel, por la cual ha sido escogido como fuente de potencia en aplicaciones muy diversas, es su rendimiento de combustible, que resulta muy atractivo comparado con el de otras fuentes de potencia.
Los competidores del motor Diesel, en el rango de las bajas potencias, son los motores de gasolina, mientras que en el rango de las potencias elevadas son las turbinas de gas y de vapor.
La economía de combustible del motor Diesel representa ventajas fundamentales, sin embargo, el hecho de que millones de motores se encuentren en servicio hoy en día, se debe en gran medida a las investigaciones realizadas por ingenieros experimentados en muy diversos campos, quienes durante los cien años que han pasado desde que la primera máquina Diesel funcionó, han realizado mejoras sustanciales al motor, de tal forma que en la actualidad su evolución es reconocida no sólo en lo que respecta a la economía de combustible, sino también en cuanto a la potencia, la confiabilidad, la durabilidad, la emisión de contaminantes, la emisión de ruido, el peso y el costo.
Además, este tipo de motor ha demostrado ser capaz de funcionar con una gran variedad de combustibles, haciéndolo sumamente versátil.
Aplicaciones:
Las primeras aplicaciones de los motores Diesel fueron necesariamente en plantas estacionarias, principalmente para generación de energía eléctrica, debido al gran tamaño y peso que presentaban los primeros motores, esto impedía su uso en aplicaciones móviles.
En el contexto del transporte, hoy resulta difícil imaginar que no existiera este tipo de motores, puesto que en la actualidad son utilizados ampliamente en los barcos, los ferrocarriles y el autotransporte.
La primera aplicación de los motores Diesel en propulsión marina fue en Francia, en la barcaza "Petit Pierre" y data de 1903. El motor principal era un Diesel con una potencia entre 25 y 30 HP.
Debido a que los motores Diesel no pueden arrancar con carga, estaban en desventaja respecto a las máquinas de vapor y a las eléctricas, para su aplicación a tracción ferroviaria.
A causa de esto, los primeros intentos por construir una locomotora con acoplamiento directo hechos separadamente por Diesel- Klose- Sulzer GmbH., compañía fundada en 1906, y por Sulzer y Deutz en 1912, no fueron coronados por el éxito.
No fue sino hasta aproximadamente 10 años después, que la primera locomotora Diesel- eléctrica fue construida por Maschinenfabrik Esslingen, y hasta 1935, que Krauss- Maffei realizó la primera locomotora Diesel- hidráulica.
La primera de estas locomotoras fue utilizada en un tren de carga de la Compañía Rusa de Ferrocarriles, demostrando su alta eficiencia; estaba equipada con un motor Diesel de la compañía MAN, con una potencia de 1000 HP y era capaz de jalar un tren de carga de 1000 Ton, alcanzando una velocidad máxima de 50 km/h.
Descripción preliminar.
El motor diesel es una máquina productora de fuerza al quemar un combustible en un volumen de aire, el cual se ha comprimido previamente a una presión elevada mediante el movimiento de un émbolo. Por ser un máquina que produce una fuerza se denomina motor, y como en su interior tiene lugar una combustión, son conocidos como motores de combustión interna. La máquinas de vapor, al emplear un vapor que es producido en calderas exteriores al motor, serán por lo tanto motores de combustión externa.
Fig.: Nueva generación de motores diesel.
Partes fundamentales de los motores diesel
Para la compresión del aire que se pondrá en contacto con el combustible y producirá una potencia, cada motor diesel deberá constar de ciertas partes fundamentales.
Debe tener una pieza cilíndrica hueca o cilindro, en el interior del cual se deslizará un movimiento de vaivén una pieza llamada émbolo y que se adapta perfectamente a las paredes internas del cilindro.
El movimiento del émbolo realiza carreras. Este émbolo debe estar conectado a un mecanismo que controle su deslizamiento.
Para este propósito el motor tiene un árbol o eje que gira en unas guías circulares o cojinetes.
Este eje tiene una parte doblemente acodada o manivela articulada a otra pieza recta o biela, la cual a su vez se articula el émbolo.
La manivela es un mecanismo también utilizado en otras maquinarias y que tiene por objeto transformar un movimiento rectilíneo de vaivén en movimiento circular. O sea, que el émbolo produce la rotación del eje por intermedio de la biela y la manivela.
Este eje puede constar de una o más manivelas según sea el número de cilindros a que atiende, y se denomina así, por su forma cigüeñal. Son además necesarias otras partes fundamentales.
Son precisas unas válvulas o lumbreras para permitir la entrada del aire en el interior del cilindro y también para la expulsión de los gases quemados una vez que han realizado su trabajo.
También es necesario un pulverizador o inyector de combustible para suministrar el combustible en forma de chorro muy dividido antes de quemarse.
El pulverizador trabaja de un modo semejante a los pulverizadores que se emplean en el riego de jardines.
Para conseguir que el combustible entre a presión se utiliza una bomba llamada bomba inyectora de combustible.
Cabe consignar que las partes mencionadas anteriormente son las más esenciales de un motor diesel.
Acciones esenciales en el interior de un motor diesel
Semejanzas y diferencias entre los motores diesel y de explosión
Semejanzas:
Diferencias :
Algunas aplicaciones de los motores diesel
Camiones, Autobuses, tractores, excavadoras, plantas de construcción de maquinaria y equipos mineros: Los motores diesel tiene todas estas aplicaciones. La razón principal es el ahorro de combustible, ya que estos motores gastan menos combustible y a un precio más económico que los combustibles utilizados en los motores de explosión.
Instalaciones Fijas de fuerza: se utilizan en elavadoras de agua, servicios ferroviarios, instalaciones de fuerza en minas, perforación de pozos petrolíferos e instalaciones provisionales de emergencia.
Usos navales: Los motores diesel son muy utilizados en servicios marítimos de varias clases, tales como propusión de barcos de pasajeros, lanchas rápidas a motor, transbordadores, remolcadores, barcos de guerra y rompehielos. Las principales razones para emplear estos motores es como siempre el bajo costo de sus combustibles en comparación con el vapor.
EL MOTOR DIESEL DE DOS TIEMPOS
El motor diesel común funciona en cuatro etapas: admisión, compresión expansión y expulsión.
La idea de un motor de dos tiempos cosiste en completar el ciclo con sólo dos carreras del émbolo, esto es, con sólo una revolución del árbol motor.
De aquí que un motor de dos tiempos para una misma velocidad (revoluciones por minuto) que la de un motor de cuatro tiempos, será necesario que se doblen los tiempos de expansión.
De este modo se podrá obtener más potencia con el mismo tamaño de cilindro o conseguir la misma potencia con el mismo tamaño de cilindro o conseguir la misma potencia con motores más pequeños.
Función de la bomba de aire: En los motores de dos tiempos diesel es preciso que en la compresión y la expansión se logren estos dos tiempo.
Los otros tiempos que se precisaban en los de cuatro deben ser eliminados, es decir, desaparecen la admisión y la expulsión.
Durante estos dos tiempos el émbolo en un motor de cuatro tiempos actúa en realidad como una bomba de aire aspirante.
La forma de eliminar las emboladas de aspiración en un motor de dos tiempos es utilizando una bomba de aire independiente, la cual tomará el aire de la atmósfera, lo comprimirá ligeramente y lo introducirá al cilindro.
Válvula de escape de culata: Veamos lo que sucede en el funcionamiento de un motor de dos tiempos.
El motor va provisto de un insuflador rotativo que toma el aire de la atmósfera y lo introduce a baja presión dentro del cilindro.
Cuando giran los engranajes, los espacios entre los dientes y la cabeza aspiran el aire a través de un lumbrera de entrada para llevarlo a una lumbrera de salida, por donde sale a la presión requerida.
Lumbreras de escape: Debemos ahora decir que en los motores diesel de dos tiempos no siempre se hace uso de válvulas de escape para expulsar los gases ni tampoco es preciso que los insufladores rotativos se empleen para suministrar aire.
Muchos motores de dos tiempos están provistos de dos series de lumbreras. Además de servir de lumbreras o para la admisión, las primeras se emplean para la evacuación de gases.
Estas lumbreras de admisión están en la parte inferior del cilindro y quedan al descubierto cuando el émbolo está próximo al fondo de su carrera.
En lugar de insufladores rotatorios, muchos motores diesel de dos tiempos emplean lo que se denomina absorción por el cárter o caja del árbol motor.
Este cárter se encuentra en la parte inferior y lateral del émbolo actúa como una bomba aspirante de aire que es introducido y expulsado en la mencionada caja.
APLICACIONES DE LOS MOTORES DIESEL DE DOS TIEMPOS:
Aplicación a automóviles y vehículos comerciales.
En cuanto a su aplicación en automóviles, fue Peugeot, en Francia, quien en 1922 llevó a cabo los primeros experimentos, montando un motor Diesel de 2 tiempos, que producía 15 HP, en un automóvil tipo 156, alcanzando una velocidad máxima de 70 km/h.Desde 1893 Rudolf Diesel tenía la idea de aplicar su motor a los vehículos comerciales, pero debido a problemas tecnológicos con la inyección del combustible, no fue sino hasta 1922-1923 que Benz & Cie. presentó el primer camión de 5 Ton. con motor Diesel de 4 cilindros con precámaras, 8.8 Lts. de cilindrada y que producía una potencia de entre 45 y 50 HP.
La aplicación de los motores Diesel en vehículos comerciales probaría, con el paso del tiempo, ser la mejor opción económica para la explotación de la mayor eficiencia de este tipo de motores, reemplazando rápidamente a los motores de gasolina.
Aplicaciones a la minería.
Se tiene conocimiento de los primeros motores a combustión interna utilizados en minería subterránea desde 1910, pero éstos presentaban los siguientes problemas:
Los primeros motores diesel utilizados en ésta área fueron en Alemania (1927), ya que éstos emiten menos gases tóxicos y usan petróleo (combustible no volátil), es menor el peligro de incendio y explosión, por esto reemplazaron a los motores a gasolina y son los únicos utilizados en ésta área (minería subterránea), lo que protege la salud y seguridad de los mineros.
La utilización general de los motores Diesel en minería subterránea fue a mediados de los años 50, y esto se debió principalmente a los nuevos diseños de motores, especialmente en el sistema de inyección del combustible, y al desarrollo de los lavadores y purificadores de los gases de escape, lo anterior ha disminuido la concentración de gases tóxicos en productos de escape de los motores diesel.
Aplicaciones marinas.
Aquí veremos las aplicaciones de los motores al caso de lanchas rápidas.
El problema fundamental, con los motores diesel y sus aplicaciones a las lanchas rápidas, es que el peso de la planta de propulsión se incrementa demasiado a altas potencias. (Suele ser dos veces el peso de una instalación equivalente en potencia con turbinas de gas).
La razón del incremento del peso del Diesel se debe a lo siguiente:
Conclusión : la potencia se incrementa a igual tasa que el peso del motor.
Estas limitantes pueden atenuarse, incrementando la densidad del aire de admisión, por medio de sobre alimentación mecánica con un turbo cargador accionado por los gases de escape, generando una razón peso/potencia mas aceptable. Por ejemplo: 0 cilindro, 230 mm, Potencia 6000 hp.
En la actualidad se desarrollan turbo cargadores más eficientes, de mayor presión y se espera para la próxima década la aparición de motores hasta 8000 hp.
Características mas relevantes del motor diesel marino para lanchas rápidas
Algunos ejemplos de motores famosos Diesel de dos Tiempos.
El motor "G M"
El modelo aplicado a tractores y camiones es análogo a los más potentes usados en barcos, ferrocarriles y centrales eléctricas, se produce en modelos de 2 a 24 cilindros, cada uno de 71" cúbicas, desde donde proviene su nombre.
Funciona en el ciclo de dos tiempos, pero tiene válvulas de escape (2).
Cuando el pistón está en el p.m.i. descubre las lumbreras de admisión, por las que entra el aire a 5 libras de presión, soplado por el compresor, del tipo Roots.
El aire adquiere un movimiento de torbellino a causa de la forma de las lumbreras, y empuja el resto de los gases quemados que salen por la válvula de escape abierta.
Al subir el pistón cierra las lumbreras y comprime el aire hasta 38 atmósferas y en ese momento sale el chorrito de combustible por el inyector a una presión entre 1000 y 1400 kg. por cm^2, la cual pulveriza al combustible, en forma de niebla finísima y difusa, que penetra a más velocidad que el sonido, y que se inflama íntegro en el cilindro(inyección directa) y produce el tiempo de trabajo.
Cuando el pistón desciende, antes de descubrir las lumbreras de admisión, se abre la válvula de escape y los gases quemados salen por ella, siendo luego empujados y barridos por el aire de la admisión forzada, repitiéndose el ciclo.
Cada cilindro lleva su inyector que a la vez es bomba de inyección, mandando, como las dos válvulas de escape, por medio de balancines accionados por empujadores desde un único árbol de levas.
El inyector- bomba es n cuerpo cilíndrico en cuyo interior se desliza el émbolo, ajustado con tal presión que la holgura admitida es de poco más de seis diez milésima de milímetro. Un resorte fuerte mantiene al pistón en lo alto de su carrera.
El combustible es enviado desde el depósito por una bomba de paletas, a kilo y medio de presión por el conducto.
Cuando llega el momento de la inyección el balancín empuja el pistón hacia abajo, éste tapa la entrada del conducto y comprime el combustible de la cámara, cuando alcanzan entre 1000 y 1400 kg. de presión, ésta actúa por la cara inferior del émbolo y lo levanta venciendo al muelle, como la cara inferior es el cuerpo de la aguja, ésta se levanta con aquel y descubre los orificios, por los que sale el combustible pulverizado en niebla.
En éste tipo de motor la relación de compresión ha sido elevada deI6 a I8 y la velocidad máxima ha subido de 2100 a 3000 r.p.m.
Motor Krauss- Maffei.
Este motor alemán lleva sus cuatro cilindros dispuestos en V a 90º, y fundidos individualmente.
El barrido de gases se hace con aire soplado por un compresor centrífugo a través de los dos juegos de lumbreras de admisión, cuya forma inclinada hace chocar el aire con la pared del cilindro y subir hasta la culata, para bajar y salir por las lumbreras de escape colocadas entre los dos juegos de las de admisión.
Motor Hesselmann.
Este motor sueco trabaja con una razón de compresión 9, mucho más baja que en los otros Diesel, por lo que el calentamiento de la compresión no inflamará el combustible, y se recurre a la chispa de una bujía corriente alimentada por magneto.
Resulta un motor mixto entre el diesel y el explosión, y trabaja con combustible que suministra la bomba y el inyector, las presiones resultantes son menores, por lo que las piezas no son tan fuertes y voluminosas como el Diesel corriente.
El aire puro de la admisión que entra por el filtro es comprimido en una cavidad del pistón, donde adquiere la turbulencia necesaria para una buena pulverización e inflamación del combustible.
CONTAMINACION DE LOS MOTORES DIESEL
El principal agente contaminante que emite un motor diesel corresponde al material particulado, el cual es de bajo micronaje, con diámetros promedio del orden de dos micras, siendo así perfectamente respirable.
Además su composición mayoritaria es de hidrocarburos policíclicos aromáticos de alto poder cancerígeno, asociados a partículas de carbón por estar absorbidos a éstos.
Composición de los gases de escape y la razón de estos contaminantes:
Los productos normales de una combustión completa, como la que debería desarrollarse en el interior de un motor diesel, son el bióxido de carbono CO2 y el agua H2O. Sin embargo, existen una serie de productos contaminantes que se emiten debido a la combustión incompleta y a efectos secundarios.
Productos de la combustión incompleta.
Los productos son:
- Hidrocarburos no quemados: Parafinas, olefinas, materias aromáticas.
- Hidrocarburos parcialmente quemados: aldehidos, cetonas, ácidos carbónicos, monóxido de carbono.
- Productos térmicos de craqueo y productos resultantes: Acetileno, etileno, hidrógeno, hollín, hidrógenos de carbono policíclicos.
Productos secundarios de la combustión:
- Del nitrógeno del aire : óxidos azoicos.
- De los aditivos del combustible: Oxidos de plomo, haluros de plomo .
- De las impurezas del combustible: óxidos de azufre.
Oxidantes:
Mediante la reacción secundaria fotoquímica se forman, bajo la acción de la luz solar y a partir de los componentes de los gases de escape, los llamados oxidantes: próxidos orgánicos, ozono, nitratos de peroxiacilo.
MOTOR OTTO
Historia de los inicios del Motor Otto
Probablemente la idea de un motor que ocupase directamente los productos de la combustión, sin la necesidad de pasar por un fluido intermedio (vapor de agua), nació al observar las armas de fuego, en las cuales la energía química se transforma, mediante una explosión en energía mecánica.
En Inglaterra, en 1823, se fabricaron y vendieron maquinas que funcionaban en base a la combustión, sin previa compresión, de una mezcla de hidrogeno con aire, la cámara de combustión era enfriada con agua, lo que creaba un vacío que actuaba sobre un pistón.
Al año siguiente Carnot en Francia publica su clásico trabajo de maquinas térmicas.
En 1860 Etienne Lenoir (1822-1900), ingeniero francés, patentó un motor que operaba sobre la base de la combustión de gas de alumbrado.
Este utilizó una maquina a vapor de doble acción, arreglada de tal forma que en un lado del pistón se admitía la mezcla combustible, mientras por el otro lado se descargaban los gases quemados, utilizando un ciclo de dos tiempos.
Posteriormente en 1867, los ingenieros alemanes Nikolaus Otto (1832-1891) y Eugen Langen (1833-1895) inventaron una maquina de dos tiempos, consistente en un cilindro vertical, abierto en su parte superior, y provisto de un pesado pistón que podía desplazares libremente por el cilindro.
Este pistón se elevaba por la explosión de una mezcla combustible encendida por una llama de gas. La inercia del pistón lo frenaba paulatinamente, a viéndose producido un relativo vacío al interior del cilindro.
Al detenerse el pistón caía por su propio peso y por la presión atmosférica, enganchando en un eje conectado a un pesado volante de inercia.
La admisión, encendido y escape eran controlados por una válvula deslizante.
En 1862, el francés Alphonse Beau de Rochas (1815-1893) publicó un trabajo teórico donde se establecían los principios de un motor ideal.
La secuencia de procesos descritos en este trabajo es en esencia la misma utilizada en los motores a gasolina actuales de cuatro tiempos. Beau de Rochas nunca construyo esta maquina.
Fue Otto en 1876 quien diseño el prototipo de una maquina basada en el ciclo de Beau Rochas, aunque aparentemente sin estar en conocimiento del trabajo del francés.
Desde esa época a la fecha los avances han sido vertiginosos inicialmente en los componentes mecánicos y los materiales usados, para luego, en los últimos años darle paso al gran desarrollo electrónico que se a incluido en los motores principalmente para controlar las emisiones de estos.
Cabe destacar que la base de los motores de combustión interna no a variado mayormente, es el caso de las imágenes que se presentan, el motor naranjo de la GM V8 de 1955 y luego un motor Honda V6 de 1996, en particular se distingue una diferencia sustancial, el motor GM tiene un solo eje de levas y dos válvulas por cilindro, una de escape y una de admisión, en cambio el motor Honda tiene doble eje de levas sobre la culata y además posee cuatro válvulas por cilindro, dos de admisión y dos de escape, además, el motor de 1955 tenía carburador, el cual realizaba la mezcla de aire/combustible, el de la Honda posee inyectores electrónicos, los que permiten disminuir substancialmente las emisiones de gases contaminantes.
Fig.: Motor GM y Motor HONDA
Estos motores del tipo Otto son de 4 tiempos, en el cual el ciclo mecánico se completa con 4 carreras del émbolo y 2 revoluciones del cigüeñal.
Los tiempos consisten en:
Tiempo de aspiración: El pistón baja desde su punto muerto superior PMS al punto muerto inferior PMI, en esta carrera se produce la aspiración de aire con combustible, esta mezcla ingresa al cilindro por la válvula de admisión, durante este proceso la válvula de escape se encuentra cerrada.
Tiempo de compresión: El pistón comienza a ascender desde el PMI al PMS comprimiendo la mezcla que entró al cilindro en A, este proceso se desarrolla con ambas válvulas cerradas, la de escape como también la de admisión, este proceso teóricamente es adiabatico y requiere de trabajo negativo para que se produzca.
Tiempo de combustión: En esta carrera se produce el encendido de la mezcla de aire/combustible, debido a la chispa que entrega la bujía en el instante en que el pistón se encuentra en su punto muerto superior, es decir, al final de la carrera anterior. Al encenderse la mezcla se produce un aumento de la presión y se produce trabajo positivo, descendiendo el pistón a su punto muerto inferior, todo este proceso se desarrolla con las válvulas de escape y admisión cerradas.
Tiempo de expulsión: En esta carrera se produce la liberación de los gases a la atmósfera, la válvula de escape se abre y el pistón comienza a subir a su punto muerto superior liberando los gases.
EL MOTOR OTTO DE DOS TIEMPOS
Como su nombre lo dice, este motor necesita dos carreras del pistón para completar un ciclo: Admisión, compresión, trabajo y escape.
Este tipo de motor normalmente no lleva válvulas, sino lumbreras. Estas lumbreras de admisión y de escape que reemplazan las válvulas están situadas en la pared del cilindro.
Cuando el pistón desciende, abre estas lumbreras para que los gases de escape puedan salir y, al mismo tiempo, pueda entrar una carga fresca de mezcla aire- combustible.
El Ciclo:
(partiendo del punto muerto superior (PMS) del pistón con encendido de la mezcla)
La mezcla se enciende, la presión aumenta y el pistón se ve empujado hacia abajo, iniciando la carrera de potencia.
Al acercarse al punto muerto inferior (PMI), el pistón descubre las lumbreras de admisión y de escape, situadas en la pared del cilindro.
Los gases quemados, sometidos todavía a cierta presión, empiezan a ser expelidos a través de la lumbrera de escape.
Al mismo tiempo, la carga fresca de mezcla empieza a entrar en el cilindro, a través de la lumbrera de admisión.
Obsérvese que la parte superior del pistón presenta la forma adecuada para que la dosis de mezcla tenga un movimiento ascendente; lo cual ayuda a expulsar los gases de escape a través de la lumbrera de escape.
Una vez superado el PMI, el pistón empieza a subir y sobrepasa las lumbreras, encerrando la mezcla encima del mismo.
A medida que se aproxima al PMS, el pistón va comprimiendo la mezcla, hasta el punto en que se provoca la ignicion de ésta.
La elevada presión producida por la combustión de los gases empuja el pistón hacia abajo, terminando asi el ciclo de este motor.
Admisión de la mezcla
Para que la mezcla se introduzca en el cilindro, tiene que estar sometida a presión, la cual se consigue en el cárter.
Cuando el pistón sube se consigue vacío en el cárter, cuya única comunicación con el exterior es a través de una válvula de lengüeta o lámina.
Esta válvula es una lámina metálica que descasa sobre la superficie interior del cárter, encima de un agujero que comunica con el carburador.
Al subir el pistón y producirse el vacío en el cárter, la válvula se abre por acción de éste. Este vacío hace que la mezcla fluya desde el carburador al cárter.
Cuando el pistón empieza a descender, la presión en el cárter aumenta. Este incremento hace que la válvula caiga y cierre el orificio.
A medida que avanza el movimiento descendente del pistón, cada vez se va comprimiendo más la mezcla en el cárter. En el instante en que se pasa la lumbrera de admision en esta carrera descendente, la mezcla comprimida fluye al interior del cilindro.
Fig.: Tipos de válvulas de lengueta
MOTOR WANKEL
Historia de máquinas rotatorias
El motor de combustión rotatorio no se debe confundir con los motores de avión "rotatorios" que son cilindros del pistón dispuestos en un círculo. El motor entero rota. Estuvieron en voga durante la primera guerra mundial.
Hay tres tipos principales de motores rotatorios verdaderos: 1) tipos de Wankel basados en los rotores excéntricos, 2) tipos de la acción de Scissor usando las paletas o los pistones, y 3) tipos del bloque que giran (tipo del ' gato y del ratón').
Los motores se relacionan de cerca con las bombas y los compresores: se conduce los mecanismos impulsores anteriores y el último.
Los diseños para los motores rotatorios fueron propuestos desde 1588 por Ramelli, aunque hubo que esperar el desarrollo del motor del ciclo de Otto en 1876 y del advenimiento del automóvil en 1896 para fijar los comienzos para un motor de combustión rotatorio apropiado. Antes de 1910, más de 2000 patentes para los pistones rotatorios fueron clasificadas.
Otro temprano diseño fue hecho por Huygens en 1673 y Kepler. Vatio de James hizo un motor de vapor del pistón rotatorio en 1759, al igual que Ericsson.
El americano Juan Cooley hizo una invención de una clase de Wankel reverso en 1903, que Umpleby aplicó a la combustión interna en 1908, pero nunca se convirtió.
Alguna gente señala que Elwood Haynes inventó uno de 1893, pero pienso que esta confunde a aquel con su invención "de un motor de gas de la válvula rotatoria" en 1903. Frenchman Sensaud de Lavaud obtuvo una patente para un motor de pistón rotatorio de cuatro fases en 1938, dos años después de Felix Wankel.
Había también diseños por Pappenheim, Hornblower, Murdoch, Bramah, el pedernal, Poole, Wright, Marriott, el trotón, Galloway, Parsons, las raíces, Wallinder, Skoog, Baylin, Larsen, Ljungstrom, Behrens, el maillard, y Jernaes.
Los motores de Wankel utilizan el engranaje cicloidal, una vieja e inusual forma de engranaje usada en relojes, sopladores de las raíces, compresores del tornillo, y bombas.
A continuación se muestran dos vistas del engranaje utilizado.
¿Cómo funciona? Ventajas y Desventajas
El motor de Wankel es un tipo avanzado de motor de combustión interna desarrollado en 1956 por Felix Wankel, matemático alemán.
Se diferencia grandemente de los motores convencionales. Conserva el producto, la compresión, la potencia, y el ciclo familiar del extractor pero utiliza, en vez de un pistón, de un cilindro, y de válvulas mecánicas, un rotor triangular que gira alrededor del excéntrico.
Sigue habiendo los tres apexes, o las extremidades, de este rotor en contacto constante, ajustado con las paredes del combustor-chamber. La única otra pieza móvil es el cigüeñal.
El motor de Wankel tiene 40 por ciento menos piezas y una mitad del bulto y el peso de un motor comparable en intercambio.
Además de la simplicidad del diseño, hay poco o nada de vibración en el Wankel. No hay problemas con la disipación de calor, los puntos calientes, o la detonación, que son consideraciones en el motor convencional del intercambio.
Los motores de Wankel, la mayoría de los cuales son enfriados por líquido, son capaces de ejecutarse en las velocidades inusualmente altas por períodos del tiempo largos.
El motor exhibe una curva excepcionalmente alta de relación de transformación del potencia-a-peso y buena del esfuerzo de torsión a todas las velocidades del motor.
La ventaja más grande es que dentro del compartimento del rotor están ocurriendo los cuatro ciclos simultáneamente, dando un empuje constante.
También, el rotor da una mitad de vuelta de revolución para cada rotación completa del eje, comparada con una rotación del eje para un movimiento completo del pistón. Esto da más esfuerzo de torsión por ciclo de la ignición y también requiere menos revoluciones por minuto para obtener la misma potencia que en un motor de pistón.
Dentro del Wankel, tres compartimentos son formados por las caras del rotor y la pared de la cubierta.
Las dimensiones de volumen y la posición de estos compartimentos son alteradas constantemente por la rotación a la derecha del rotor y la rotación más rápida del excéntrico.
El ciclo de cuatro tiempos generalmente ocurre con la frecuencia simple de la válvula y del movimiento del motor de dos-tiempos.
El rotor abre el acceso de la mezcla de combustible y aire, que entran como en el motor convencional (1-4). El rotor continúa, cerrando el acceso de la mezcla pasando más allá de él; entonces la compresión comienza (5-7), seguido por la ignición (7), la combustión , y la extensión para el movimiento de potencia hasta que el sello del ápice en la extremidad del triángulo abre el acceso del extractor (8-10). El ciclo del extractor entonces ocurre, otra vez sin un mecanismo que sincronice la apertura de la válvula (11-12).
Este motor es el único en que el impulso de la potencia está extendido por aproximadamente 270 grados de rotación del cigüeñal, con respecto a 180 grados para el motor convencional de dos tiempos.
Aunque sigue siendo un motor experimental para la mayoría de los fabricantes, el fabricante auto japonés Mazda ha utilizado al Wankel para accionar algunos de sus modelos deportivos.
Los problemas principales con Wankels -- o motores rotatorios, pues se llaman a menudo -- han sido su eficacia de combustible baja y la dificultad de diseñar los motores más grande que de dos-rotores.
A el final de los '80, sin embargo, un motor del tres-rotores fue introducido.
Otro problema con el motor rotatorio que no ha sido tratado completamente por la industria es una tendencia hacia " dieseling".
Puesto que la punta de la combustión del rotor es tan exacta, cuando la sincronización no es adecuada la combustión puede ocurrir antes de que el rotor haya llegado al lugar adecuado.
Esto significa que la ignición empuja el rotor contra el ciclo de vuelta y puede causar daño al motor.
Aunque el motor rotatorio tiene algunas desventajas, ofrece muchas ventajas en comparación con el motor de combustión en varias aplicaciones.
Pasados 60 años de su invención, el motor de Wankel todavía se está utilizando y se está mejorando sobre en tecnologías modernas de hoy.
Desarrollo Presente y Futuro del motor Wankel
Desde que Karl Otto inventó el primer motor de pistón en 1876, no ha habido otra revolución en el diseño del motor, a excepción de la invención 1934 de Felix Wankel, del motor de Wankel (o rotatorio).
En comparación con los motores de pistón y diesel, el Wankel utiliza una relación de transformación más baja que la compresión en el motor de pistón (alrededor 4:1, en comparación con 8:1 en el motor de pistón).
El diseño revolucionario de Wankel tuvo que esperar de la tecnología adecuada para obtener los requisitos determinantes de la combustión apropiada. El motor entonces floreció en los años 70, con varios prototipos creados para probar su potencia, después decayó su auge nuevamente.
Pero el Wankel no ha muerto de ninguna manera. De hecho, el motor Wankel es aún revolucionario, no porque se obtenga una potencia diferente, sino porque este motor tiene un manejo más eficiente de conversión potencia cuando se le compara a un motor de pistón.
El diagrama anterior muestra el motor seccionado transversalmente. Las paletas del rotor separan los diversos ciclos de la combustión. Las flechas a la derecha indican accesos de la mezcla y extracción de los gases de combustión.
En los años 70 Mazda ha ofrecido el modelo de RX apagado y encendido, actualmente ofrece Mazda el RX-7. El Mazda RX-7 utiliza dos rotores que trabajan síncrono para la mayor potencia, y los cargadores gemelos de turbo para el retroceso agregado más bien que la aplicación tradicional del rotatorio para la economía. Con sus cargadores gemelos de turbo (uno para las velocidades corrientes bajas, el otro para el colmo) el motor puede generar 255 caballos de fuerza con 1,3 litros de capacidad (comparada con la dislocación de Chevrolet Camaro de 3,8 litros para 200 caballos de fuerza con cilindros, o 285 caballos de fuerza en los 5,7 litros V8).
Mazda no es la única compañía que maximiza el diseño de Wankel. El motor rotatorio del motor B de leva™del rand es un prototipo del registro Technologies, es una ramificación del diseño rotatorio que elimina el engranaje complejo de Wankel. Este motor representa nueve años de trabajo y ofrece la última tecnología en materiales: hierro y cerámica de altas temperaturas de fundido.
El objetivo del proyecto de la leva™del rand era diseñar un motor rotatorio diesel que destacada simplicidad, potencia y eficacia. Las tecnologías del registro han logrado esto manejando una relación de transformación de peso-a-caballos de fuerza de cerca de 3/4 libra a un caballo de fuerza (comparados a seis libras por caballos de fuerza en un motor de pistón), y teniendo un total de siete piezas móviles para reducir al mínimo la fricción (seis paletas y un rotor).
El motor también maneja el esfuerzo de torsión máximo en solamente 1.700 revoluciones por minuto. La versión diesel del motor está siendo diseñada por Alliant Techsystems y la universidad de Virginia Occidental, y será el primer motor rotatorio diesel en el mundo.
Estos éxitos no significan que el Wankel está sin sus problemas. Los motores RX-7 generalmente se consideran confiables por los primeros seis años, pero entonces los sellos comienzan a fallar y las piezas necesitan ser substituidas. Las demandas terminantes de mantener los compartimentos aislados el uno del otro eran el desafío más grande de Felix Wankel
BIBLIOGRAFIA