Motor de combustión interna de 4 tiempos: evolución y como funciona.

Motor de combustión interna de 4 tiempos: evolución y como funciona.

Quién inventó el motor de combustión interna?

Un motor de combustión interna es una máquina termodinámica que transforma en energía mecánica la energía química que proporciona la combustión de una mezcla de combustible y aire. Este movimiento es aprovechado parar realizar un trabajo útil. El motor de combustión interna fue diseñado a finales del siglo XIX. Es básicamente una máquina que mezcla oxígeno con combustible gasificado. Una vez mezclados íntimamente y confinados en un espacio denominado cámara de combustión, los gases son encendidos para quemarse (combustión). Debido a su diseño, el motor, utiliza la explosión generada por la combustión, como energía para producir el movimiento giratorio que conocemos.

La invención se puede remontar a dos italianos: el padre Eugenio Barsanti, un sacerdote esculapio, y Felice Matteucci, ingeniero hidráulico y mecánico, que ya en 1853 detallaron documentos de operación y construcción y patentes pendientes en varios países europeos como Gran Bretaña, Francia, Italia y Alemania.

Los primeros prototipos carecían de la fase de compresión; es decir, la fase de succión terminaba prematuramente con el cierre de la válvula de admisión antes de que el pistón llegase a la mitad, lo que provocaba que la chispa que generaba la combustión que empuja la carrera del pistón fuese débil. Como consecuencia el funcionamiento de estos primeros motores era deficiente. Fue la fase de compresión la que dio una eficiencia significativa al motor de combustión interna, que lograría el reemplazo definitivo de los motores a vapor e impulsaría el desarrollo de los automóviles, ya que lograba desarrollar una potencia igual o mayor en dimensiones considerablemente mucho más reducidas. El motor tal como lo conocemos hoy fue desarrollado por el alemán Nikolaus Otto, quien en 1886 patentó el diseño de un motor de combustión interna a cuatro tiempos, ciclos o etapas, basado en los estudios del inventor francés Alphonse Beau de Rochas de 1862, que a su vez se basó en el modelo de combustión interna de Barsanti y Matteucci.

El motor de cuatro tiempos de ciclo Otto (gasolina), tiene sus orígenes en los estudios del físico francés Nicolás Carnot en el siglo XIX, que completó su compatriota Alphonse Beau de Rochas en 1862. A nivel práctico se remonta a máquinas desarrolladas por Lenoir (Francia, 1860), Otto y Langen (Alemania, 1867) y, finalmente, Otto (Alemania, 1876), que se considera como el primer motor operativo y de ahí su nombre.

Durante tres siglos los motores han sido la máxima expresión de la búsqueda de la excelencia técnica. El motor moderno de gas fue inventado en 1860, pero habría que esperar a Nikolaus August Otto que en 1876 construyó el primer motor de gasolina de cuatro tiempos.  El gran acontecimiento del momento era la invención de un motor que funcionaba con gas natural. Estaba montado sobre una carreta y lograba moverla, pero era muy ineficiente y ruidoso. Otto creía que podía mejorar las cosas con un combustible líquido, así que empezó a experimentar. Construyó su primer motor de combustión interna en 1861.

Los siguientes cinco años los pasó afinando y desarrollando el diseño y finalmente, en el año 1867 nació el motor con pistones de cuatro tiempos, que constituye la base de los motores de los automóviles modernos. A cerca de 150 años de su invento, se podría decir que los motores han variada en muy poco. Gottlieb Daimler utilizando un nuevo motor inventado por el  ingeniero Nikolaus Augusto Otto, quien ideó el primer motor de combustión interna de cuatro tiempos en 1876. Lo llamó  "Motor de Ciclo Otto" y, tan pronto como lo completó, Daimler (antiguo empleado de Otto) lo ensamblo a una bicicleta y lo convirtió en una motocicleta que algunos historiadores consideran la primera de la historia.

Uno de los colaboradores de Otto, llamado Daimler, fue quien dio el paso definitivo introduciendo la gasolina como combustible. Daimler se asocia con Karl Benz para fundar Daimler Benz, o más conocida como Mercedes Benz, en honor a la esposa de Dailmer. Y en 1886 fabrican el primer auto del mundo con motor a gasolina de cuatro tiempos.

Su funcionamiento es, en algunos aspectos, similar al de la máquina de vapor: un pistón situado en un cilindro se expande y contrae ejerciendo una fuerza. El líquido introducido dentro del cilindro es un derivado del petróleo al que, a continuación, se prende fuego. Al estar sometido a presión, el combustible no arde normalmente, sino que estalla. Esta explosión empuja el pistón hacia afuera, ejerciendo un trabajo. Posteriormente, entra nuevo combustible en el cilindro y se vuelve a comprimir para empezar de nuevo el ciclo.

Los motores comerciales se fabrican con varios cilindros, ya que este sistema permite obtener más potencia y ofrece menos problemas que los que plantea un motor provisto de un único cilindro de mayor tamaño. En este dispositivo, la posición de los cilindros se calcula para que, en un momento dado, cada uno se halle en un ciclo distinto, uno en admisión, otro en compresión, otro en explosión y otro en escape. De este modo, se obtiene un funcionamiento más estable, sin vibraciones, y en el que cada cilindro, al hacer explosión, ayuda a los demás a moverse.

Los cilindros de un motor pueden estar dispuestos de varias formas, siempre en relación con su número y con las dimensiones del vehículo que deban impulsar. En el motor de los automóviles, se colocan generalmente en línea, si van todos paralelos; en y, si la mitad se halla inclinada en un pequeño ángulo con respecto a la otra mitad; y en Boxer o contrapuestos, si unos se encuentran enfrentados a los otros.

El motor de combustión interna ha sustituido a la gran mayoría de máquinas de vapor debido a sus considerables ventajas. En primer lugar, el aprovechamiento de la energía es mayor. El origen de la energía se sitúa en el interior del cilindro, y no en el exterior como en la máquina de vapor. Por otra parte, no es necesario cargar con grandes cantidades de agua. Los vapores empleados son los propios del combustible al explosionar. El tamaño del motor se reduce considerablemente y facilita su instalación en vehículos pequeños. Por último, este motor es capaz de realizar en poco tiempo una gran variación de energía, comparado con la máquina de vapor. Un motor de combustión interna ligero puede pasar en pocos segundos de una posición de reposo a otra en la que proporcione la máxima energía, tardando sólo unos minutos en sistemas de grandes dimensiones, como los barcos. Esta característica lo convierte en el mecanismo ideal para aplicaciones con cambios frecuentes de energía, como puede ser el motor de un automóvil, un tren o un barco.

El motor de 4 tiempos es el que se utilizan mayoritariamente en automoción. Mediante un sistema de transformación biela-manivela, este movimiento se transforma en el giro de una manivela o cigüeñal. Puede ser un motor de combustión interna alternativo tanto de ciclo Otto como ciclo del diésel. El ciclo de funcionamiento de estos motores se completa con cuatro desplazamientos del émbolo o tiempos, es decir, con dos vueltas completas. Este motor se compone por un cilindro, una biela, un cigüeñal, al menos dos válvulas, una bujía y muchos otros componentes que hacen que todo trabaje de forma coordinada.

Los cuatro tiempos de un motor de combustión interna:

A continuación  se detallan los diferentes tiempos (actividades realizadas durante el ciclo) y sus características.

En el primer tiempo, llamado de admisión, el pistón se encuentra en el punto muerto superior y empieza a bajar. En ese instante se abre la válvula de admisión, permaneciendo cerrada la de escape. Al ir girando el cigüeñal, el codo va ocupando distintos puntos de su recorrido giratorio, y, por medio de la biela, hace que el pistón vaya bajando y provocando una succión en el carburador a través del conducto que ha abierto la válvula de admisión, arrastrando una cantidad de aire y gasolina, que se mezclan y pulverizan en el carburador. Estos gases van llenando el espacio vacío que deja el pistón al bajar. Cuando ha llegado al punto muerto inferior, se cierra la válvula de admisión y los gases quedan encerrados en el interior del cilindro. Durante este recorrido del pistón, el cigüeñal ha girado media vuelta.

Al comenzar el segundo tiempo, llamado de compresión, el pistón se encuentra en el punto muerto inferior y las dos válvulas están cerradas. El cigüeñal sigue girando y, por tanto, la biela empuja al pistón, que sube. Los gases que hay en el interior del cilindro van ocupando un espacio cada vez más reducido a medida que el pistón se acerca al punto muerto superior. Cuando alcanza este nivel, los gases ocupan el espacio de la cámara de compresión y, por tanto, están comprimidos y calientes por efecto de la compresión. Al elevarse la temperatura, se consigue la vaporización de la gasolina y la mezcla se hace más homogénea, por lo que existe un contacto más próximo entre la gasolina y el aire. Durante esta nueva carrera del pistón, el cigüeñal ha girado otra media vuelta.

El tercer tiempo es el llamado de explosión. Cuando el pistón se encuentra en el punto muerto superior después de acabada la carrera de compresión, salta una chispa en la bujía, que inflama la mezcla de aire y gasolina ya comprimida y caliente, la cual se quema rápidamente. Esta combustión rápida recibe el nombre de explosión y provoca una expansión de los gases ya quemados, que ejercen una fuerte presión sobre el pistón, empujándolo desde el punto muerto superior hasta el inferior. A medida que el pistón se acerca al punto muerto inferior, la presión va siendo menor, al ocupar los gases un mayor espacio. En este nuevo tiempo, el pistón ha recibido un fuerte impulso, que transmite al cigüeñal, que por inercia seguirá girando hasta recibir un nuevo impulso. Cuando el pistón llega al punto muerto inferior, se abre la válvula de escape, y permanece cerrada la de admisión. Durante esta nueva carrera del pistón, denominada motriz por ser la única en que se desarrolla trabajo, el cigüeñal ha girado otra media vuelta.

Al comenzar el cuarto tiempo, llamado de escape, el pistón se encuentra en el punto muerto inferior, y la válvula de escape se ha abierto, por lo que los gases quemados en el interior del cilindro escaparán rápidamente al exterior a través de ella, por estar sometidos a mayor presión que la atmosférica. El cigüeñal sigue girando y hace subir al pistón, que expulsa los gases quemados al exterior. Cuando llega al punto muerto superior, se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión. Durante el tiempo de escape, el pistón ha realizado una nueva carrera y el cigüeñal ha girado otra media vuelta. Acabado el tiempo de escape, el ciclo se repite.

Como ha quedado expuesto, las válvulas se abren y cierran coincidiendo con el paso del pistón por el punto muerto superior e inferior. Para conseguir un mayor rendimiento en los motores, se hace que las válvulas se abran y cierren con un cierto adelanto o retraso respecto a los momentos indicados. Son las llamadas cotas de la distribución, cuyos valores son determinados por el fabricante y calculados para que el motor desarrolle la máxima potencia.

Todo este proceso se repite sin descanso y en unas milésimas de segundos. Además, esto ocurre en varios cilindros simultáneamente. Mientras más pistones tenga el motor, mayor será su capacidad para realizar un trabajo, mayor potencia.

En el ser humano, la combustión de la glucosa proveniente de los alimentos es la fuente de nuestra energía, entonces necesitamos un sistema digestivo para procesarla, se necesita también un sistema circulatorio y respiratorio para llevar la glucosa y el oxígeno necesarios para que ocurra la combustión en las células. Finalmente, se necesita un sistema de eliminación de los productos de la combustión (heces, orina, sudor) y un sistema nervioso que controle todo el proceso . Al igual que el cuerpo humano, la forma de producir energía de un motor de combustión debe estar acompañada por otros sistemas de soporte.

En síntesis se puede decir que la finalidad de un motor es la de realizar un trabajo lo más eficazmente posible, para eso varias personas idearon el motor de combustión interna que remplazaría a la máquina de vapor, de esta manera optimizarían el mundo del motor. En el caso de los motores de combustión interna, el trabajo a realizar se consigue gracias a una explosión, esa explosión se consigue gracias a la energía interna del combustible que se enciende. Todo combustible tiene una energía interna que puede ser transformada en trabajo, entonces, en los motores de combustión interna, la energía utilizada para que el motor realice un trabajo es la energía interna del combustible. Esta energía interna se manifiesta con un aumento de la presión y de la temperatura (explosión), que es lo que realizará un trabajo

FUENTE

Heil, M (2014). http://historiaybiografias.com/motor_explosion/Funcionamiento 

Quito, J (2013) Motor Diesel; (www.lym.com.mx/t4.html)

YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; ALCALÁ, J. (2012). Maquinaria auxiliar y equipos de elevación. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 200 pp.


Realizado por:
Yolyanne Mascia 
C.I:24.2282.264
Cátedra:
Máquinas Eléctricas