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El concepto de automóvil se basa en que se mueve por sí mismo sin precisar arrastre exterior.
De las dos energías que se aplicaron en los inicios del automóvil, eléctrica con baterías y motor térmico de gasolina, fue elegido este último por su mayor autonomía y menor tiempo de recuperación de energía, recarga o repostaje.
Actualmente se mantienen similares resultados comparativos entre ambas tecnologías, pero la necesidad de reducir hasta eliminar la contaminación del automóvil circulando, hace que se adopten soluciones en ambos sistemas de propulsión con sensibles mejoras, pero ninguna es determinante para todos los usos posibles del automóvil.
En el periodo de transición se utilizan las dos energías en el mismo automóvil, es el sistema híbrido.
Hay ya automóviles con pila de combustible de hidrógeno, pero su implantación depende de muchos factores, aunque podría ser la más adecuada.
En este capítulo se explica el motor de gasolina con sus tecnologías iniciales, para en los siguientes capítulos ir exponiendo los sistemas que han ido evolucionando para mejorar sus respuestas a las necesidades actuales, y también las otras tecnologías comentadas, automóvil eléctrico, híbrido y con pila de combustible, incluyendo en el camino a los sistemas de gas y biocombustibles.
De la bicicleta al motor
(imagen 6.1)
En la bicicleta el ciclista pedalea, transformando el movimiento alternativo cuando se baja y sube de la rodilla, en circular desde los pedales a la corona.
La fuerza desarrollada es la muscular del ciclista.
En el motor se logra el mismo objetivo utilizando la energía de la explosión de la mezcla de aire y combustible, gasolina en la imagen pues hay bujía.
La cantidad de mezcla que entra al motor la regula el conductor con el acelerador que actúa sobre una válvula de paso del aire al motor, es la mariposa de gases.
Comparando la bici con el motor llegamos a estas identificaciones de elementos de este último;
- La rodilla del ciclista es el pistón en el motor, que recibe la energía de la explosión y se desplaza por el interior de un cilindro.
- La pantorrilla del ciclista es la biela en el motor.
- El pedal, eje de pedales y corona de la bici es el cigüeñal en el motor, en ambos casos es una manivela.
En la bici la fuerza muscular del ciclista y la velocidad de pedaleo determinan el movimiento, en el motor se obtiene mediante el llenado de gases regulado por la mariposa en el colector de admisión accionada por el pedal del acelerador.
En el motor la energía la genera la fuerza de la explosión sobre el pistón.
Los elementos del motor son los siguientes.
- Culata; es la parte superior.
- Bloque; está debajo de la culata.
- Cárter; debajo del bloque, es el cierre inferior del motor y depósito de aceite de lubricación.
- Pistón; recibe la energía de la explosión de la mezcla de aire y gasolina.
- Biela; es empujada por el pistón en el que articula.
- Cigüeñal; recibe el empuje de la biela y le transforma en movimiento circular por su forma de manivela al girar en puntos de apoyo en el bloque.
- Colectores de admisión y escape; respectivamente para la entrada de aire y gasolina al motor y salida de los gases quemados al exterior.
- Válvulas de admisión y escape; abren y cierran la comunicación entre el motor y los colectores para la entrada de la mezcla y salida de gases quemados.
- Árbol/es de levas; accionan las válvulas para que abran mediante unas excéntricas, se cierran las válvulas por sus muelles.
Los cuatro tiempos del motor
(imagen 6.2)
Para provocar la explosión generadora de la energía, el funcionamiento del motor de gasolina se divide en cuatro tiempos o ciclo Otto, por su inventor Nicolaus Otto.
Está la mariposa de gases abierta a tope para facilitar la entrada de la mezcla.
- Admisión
- El pistón desciende y se abre la válvula de admisión.
- La succión producida aspira la mezcla de aire – gasolina que está en el colector de admisión hacia el interior del cilindro.
- La gasolina se aporta al aire en algún punto de su recorrido, en la imagen es antes de la mariposa de gases.
- Compresión
- Al iniciar el pistón su ascenso la válvula de admisión se cierra aumentando la presión de la mezcla aire – gasolina.
- Explosión
- Al llegar el pistón a su punto más alto, con la mayor presión de compresión, se produce la chispa en la bujía que inicia la explosión de la mezcla.
- La fuerza generada hace descender el pistón que empuja a la biela y esta hace girar el cigüeñal.
- En el tiempo de explosión es cuando el motor desarrolla el trabajo, por esto se le identifica con este nombre.
- La zona donde se produce la explosión es la cámara de combustión.
- En el motor de las imágenes la cámara de combustión está sobre el pistón y válvulas, pues están estas situadas a los lados del motor.
- Escape
- Al llegar al final de la explosión el pistón sube de nuevo, se abre la válvula de escape y expulsa hacia el colector de escape a los gases quemados, dejando el cilindro vacío para la admisión y comienza un nuevo ciclo.
Gráficos teóricos de presión – volumen
El funcionamiento del motor de explosión de cuatro tiempos se basa en variaciones de presión y volumen para generar la fuerza de empuje sobre el pistón.
En la imagen 6.3 se representan los cuatro tiempos del motor en un gráfico que relaciona la presión con el volumen.
Se indican las secuencias teóricas de actuación de las válvulas, en el siguiente capítulo 7 de distribución se explican los gráficos reales, para en el capítulo 8 ver su relación con el par y la potencia.
Partimos del pistón en el punto muerto superior PMS, momento en el que se abre la válvula de admisión AA.
El pistón desciende llenando el cilindro, es el tiempo 1 admisión.
Se indica en el gráfico que en este tiempo la presión es constante.
Cuando el pistón llega al punto muerto inferior PMI se cierra la válvula de admisión CA.
A continuación comienza a subir el pistón con las válvulas cerradas aumentando la presión de la mezcla, es el tiempo 2 compresión.
Cuando el pistón llega al PMS salta la chispa en la bujía CHB provocando la explosión con aumento brusco de presión.
El empuje de la explosión sobre el pistón le hace descender, es el tiempo 4 expansión (habitualmente se engloba la explosión y expansión como cuarto tiempo del motor).
Durante el descenso del pistón, expansión, la presión va disminuyendo a la vez que aumenta el volumen.
Al llegar el pistón al PMI abre la válvula de escape AE cayendo bruscamente la presión, el pistón comienza a subir con la válvula de escape abierta expulsando los gases quemados, es el tiempo 4 escape.
Al llegar el pistón al PMS se cierra la válvula de escape, abre la de admisión y se repite el ciclo de los cuatro tiempos.
Este funcionamiento es teórico, pues la velocidad de los gases en los colectores es sumamente elevada y al cerrar y abrir las válvulas se generan muy fuertes efectos de rebote de gases induciendo movimientos vertiginosos de vaivén.
Si se aprovechan estos efectos de los gases se puede mejorar apreciablemente el llenado de los cilindros y en consecuencia las prestaciones, consumo y contaminación.
En otros capítulos se van a desarrollar las formas de aprovechar las inercias de los gases en los colectores, estos son más ralacionados;
- Distribución.
- Par y potencia.
- Motor multiválvulas. Llenado variable.
- Alimentación y encendido del motor de gasolina.
- Motor diésel.
- Sobrealimentación.
- Sistemas de propulsión ecológicos.
Motor SV (válvulas laterales)
Originalmente el motor tenía las válvulas a los lados y el árbol de levas situado debajo de estas al lado del bloque, es el sistema Side Valves.
La combustión se desarrolla parte sobre el pistón Cp y el resto sobre las válvulas Cv.
Hay tres imágenes de motores SV:
- Motores con un cilindro, imágenes 6.4 resaltando las dos zonas de la explosión
- Sobre el pistón Cp y encima de las válvulas Cv, estas con pérdida de energía al no empujar directamente al pistón.
- Los segmentos, unos aros desmontables alrededor de los pistones, hacen lo más estanco posible el contacto de los pistones con los cilindros y tienen estas funciones; de fuego Sf, estanqueidad Se y engrase Sl.
- La estanqueidad no es total y menos con el motor frío.
- Motor con ocho cilindros en línea SV con los diferentes elementos, imagen 6.5
- Culata
- La parte superior del motor donde se desarrolla su respiración, admisión y escape.
- Bloque
- Está debajo de la culata contiene los elementos que transforman el movimiento alternativo de sube y baja del pistón en circular.
- La junta de culata hace estancos el bloque y la culata.
- Cárter
- Situado bajo el bloque es el cierre del motor por su parte inferior y depósito del aceite de lubricación.
- La junta de cárter acopla este con el bloque.
- Cilindros
- Huecos con esta forma geométrica por donde se desplazan los pistones.
- Pistones
- Reciben la energía de la explosión y se desplazan por el interior de los cilindros.
- Para estanqueizar su contacto con los cilindros llevan los aros o segmentos.
- La combustión se inicia en el motor de gasolina por la chispa en la bujía.
- Bielas
- Transmiten el movimiento alternativo del pistón al cigüeñal.
- Cigüeñal
- Transforma el movimiento alternativo de sube y baja del pistón en circular por la acción de la biela.
- Válvulas
- Abren y cierran los pasos de admisión y escape por los respectivos colectores.
- En reposo los muelles las mantienen cerradas.
- Árbol de levas
- Abre las válvulas, gira movido por el cigüeñal, en este motor (8 cilindros en línea) el accionamiento es por piñones.
- El conjunto de elementos que coordinan la respiración del motor se denomina “distribución”; válvulas, árbol/es de levas y sistema de accionamiento de estos.
- Culata
Características del motor
El pistón se desplaza por el interior del cilindro.
En la parte superior de este se produce la explosión, es la cámara de combustión.
Se ven las características del motor en la imagen 6.6.
- Diámetro y carrera
- Corresponden a las medidas geométricas del cilindro por donde se desplaza el pistón.
- El diámetro es el del cilindro.
- La carrera es el recorrido o distancia entre el punto más bajo (punto muerto inferior PMI) y más alto (punto murto superior PMS), que no corresponde a la longitud total del cilindro.
- Diámetro y carrera se miden en milímetros.
- Cilindrada
- En el volumen del cilindro, cilindrada unitaria.
- Se ha de multiplicar por el número de cilindros para obtener la cilindrara (total) del motor.
- Se mide en centímetros cúbicos o litros.
- Relación de compresión Rc
- Es la relación entre el volumen de admisión Va y el de compresión Vc:
- Cuando está en pistón en el PMI el volumen sobre este es la suma de la cilindrada unitaria más el volumen de la cámara de combustión, y el total es el volumen de admisión Va.
- Estando el pistón en el PMS el volumen sobre él es el de la cámara de combustión, volumen de compresión, Vc.
- Es la relación entre el volumen de admisión Va y el de compresión Vc:
Ejemplos de características del motor
Se representan tres ejemplos de automóviles con diferentes motores resaltando las características de cada uno relacionadas con lo que se ha explicado.
Los motores tienen diferente número de cilindros y disposición, temas que se explican el capítulo “11. Disposición de los cilindros. Materiales del motor”.
Uno de los motores es de dos tiempos y se explica en el capítulo “10. Refrigeración”.
Otro de los motores está sobrealimentado por turbocompresor, se explica en el capítulo “15. Sobrealimentación”.
Imagen 6.7. Motor central transversal y propulsión (tracción trasera)
- 12 cilindros en V
- Diámetro D (mm) 82
- Carrera C (mm) 62
- Cilindrada unitaria CU = 327,4 cc
- Cilindrada total CT = 3.929 cc
- Relación de compresión RC 9,8:1
Imagen 6.8. Motor transversal delantero y tracción (delantera)
- 2 cilindros en línea
- Diámetro D (mm) 80
- Carrera C (mm) 76
- Cilindrada unitaria CU = 382 cc
- Cilindrada total CT = 764 cc
- Relación de compresión RC 6,6:1 (2 tiempos)
Imagen 6.9. Motor longitudinal delantero por delante del eje y 4×4
- 5 cilindros en línea
- Diámetro D (mm) 79,5
- Carrera C (mm) 86,4
- Cilindrada unitaria CU = 428,8 cc
- Cilindrada total CT = 2.144 cc
- Relación de compresión RC 8:1 (con turbocompresor)
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