Optimización y Funcionamiento de Motores de Combustión Interna

Principios Fundamentales y Factores de Potencia en Motores de Combustión

Comprender los elementos que determinan el rendimiento y la potencia de un motor de combustión interna es crucial para optimizar su funcionamiento. A continuación, se detallan los factores clave y conceptos esenciales.

Factores que Influyen en la Potencia del Motor

• Características Volumétricas: A mayor cilindrada, mayor es el calor aportado al ciclo, lo que generalmente se traduce en una mayor potencia.
• Grado de Alimentación: La potencia del motor está directamente relacionada con la cantidad de mezcla (aire-combustible) aspirada o combustible inyectado. Una mayor cantidad de mezcla o combustible se traduce en mayor potencia.
• Relación de Compresión y Calidad del Ciclo: Cuanto mayores sean estos rendimientos, mayor será la energía útil generada por el motor.
• Número de Cilindros: El trabajo total desarrollado por un motor es directamente proporcional al número de explosiones que se producen.
• Número de Revoluciones (RPM): Dado que la potencia de un motor es una función del trabajo desarrollado por unidad de tiempo, cuantos más ciclos se efectúen durante ese tiempo, mayor será el trabajo total desarrollado y, por ende, la potencia.

Conceptos Clave en el Rendimiento del Motor

• Grado de Dilución: Se define como la relación entre el peso de aire aspirado y el peso de aire en la relación teórica estequiométrica.
• Rendimiento Volumétrico: Representa la relación entre el peso de los gases aspirados y el peso de la cilindrada unitaria. La cantidad de combustible introducido y el calor aportado al ciclo están directamente en función de este rendimiento volumétrico.

Velocidad de Giro y Par Motor

• Velocidad de Giro: La velocidad de giro del motor está íntimamente ligada a la potencia. Para una cilindrada dada, al aumentar la velocidad de régimen (RPM), la potencia también se incrementa.
• Par Motor: Se refiere al trabajo instantáneo realizado por el émbolo a lo largo del recorrido del ciclo, midiendo el esfuerzo aplicado al volante motor.

Consideraciones sobre el Número de Revoluciones

El diseño y el tipo de combustible influyen significativamente en las revoluciones que un motor puede alcanzar:

• Motores de Gasolina: Debido a que disponen de toda la carrera de aspiración y compresión para la formación de la mezcla, los motores de gasolina pueden alcanzar elevadas revoluciones. Esto permite la construcción de motores de gran potencia con una estructura relativamente ligera.
• Motores Diésel: Al disponer de menos tiempo para la carburación y compresión de la mezcla, los motores Diésel no pueden alcanzar revoluciones tan altas como los de gasolina.

El número de revoluciones también limita el llenado correcto de los cilindros y, por lo tanto, el rendimiento volumétrico. A mayor velocidad de funcionamiento, la entrada de gases debe ser más rápida. Para evitar pérdidas de rendimiento, las válvulas deben ser de mayor tamaño, aunque su diseño está limitado por el espacio disponible en la cámara de combustión.

Funcionamiento del Motor de Dos Tiempos (2T)

El motor de dos tiempos es un tipo de motor de combustión interna que completa su ciclo termodinámico en solo dos movimientos del pistón (una vuelta del cigüeñal).

Primer Tiempo (Carrera Ascendente)

Durante la carrera ascendente del émbolo, se expulsan los gases residuales de la combustión anterior. Simultáneamente, se descubre la lumbrera de admisión, permitiendo la entrada de nueva mezcla al cárter. Mientras el émbolo continúa su ascenso, se efectúa la compresión de la mezcla en la cámara de combustión, y la admisión en el cárter continúa. Durante este primer tiempo, la muñequilla del cigüeñal ha efectuado un giro de 180°, correspondiente a media vuelta del árbol motriz.

Fases del Primer Tiempo:

• Barrido de gases residuales
• Compresión de la mezcla en la cámara
• Admisión de nueva mezcla en el cárter

Segundo Tiempo (Carrera Descendente)

Cuando el émbolo se encuentra en el Punto Muerto Superior (PMS), salta la chispa eléctrica (en motores de gasolina) o se inyecta el combustible (en diésel), produciéndose la combustión. La alta presión y temperatura resultantes empujan al pistón hacia abajo, generando la expansión y el trabajo útil.

Durante el descenso del pistón, se cierra en primer lugar la lumbrera de admisión. Poco antes de llegar al Punto Muerto Inferior (PMI), el émbolo descubre las lumbreras de carga y escape. A través de estas lumbreras, se produce simultáneamente el escape de los gases quemados y el llenado del cilindro con los gases precomprimidos del cárter.

La muñequilla del cigüeñal realiza otro giro de 180°, completando así una vuelta completa del cigüeñal para el ciclo.

Fases del Segundo Tiempo:

• Explosión y expansión
• Precompresión de la mezcla en el cárter
• Escape de gases quemados
• Llenado del cilindro con nueva mezcla

Comparativa: Motores de Dos Tiempos (2T) vs. Cuatro Tiempos (4T)

La principal diferencia entre los motores de dos y cuatro tiempos radica en cómo se gestionan las fases de admisión, compresión, combustión y escape.

Motores de Cuatro Tiempos (4T)

En los motores de cuatro tiempos, la admisión y el escape se realizan durante dos carreras completas del émbolo (una carrera para admisión y otra para escape), y la expansión (carrera de trabajo) se produce durante toda una carrera útil. Esto permite un llenado y vaciado más eficiente de los cilindros.

Motores de Dos Tiempos (2T)

En contraste, en los motores de dos tiempos, la admisión en el cilindro y el escape de gases se realizan durante un corto recorrido del émbolo, que depende del posicionamiento de las lumbreras con respecto al Punto Muerto Inferior (PMI).

El posicionamiento de las lumbreras es fundamental para el funcionamiento del motor 2T:

• Cuanto más próximas estén las lumbreras al PMI, mayor será el trabajo desarrollado, pero el tiempo disponible para el llenado y la evacuación de gases se reduce. Esto puede resultar en un llenado insuficiente y, por ende, en una menor potencia.
• Si las lumbreras se sitúan más alejadas del PMI, el llenado y la evacuación se efectúan en mejores condiciones, pero se acorta la carrera eficaz de trabajo, lo que puede aumentar el consumo de combustible.

Estos inconvenientes relacionados con el llenado y la evacuación de gases no se presentan en los motores de cuatro tiempos, ya que estos disponen de dos carreras completas dedicadas exclusivamente a estas fases, permitiendo una mayor eficiencia en el intercambio de gases.