Los motores térmicos transforman la energía calorífica del combustible en energía mecánica, aprovechando la fuerza expansiva de los gases inflamados en el interior de un cilindro, que es recogida en el árbol motor, cuyo giro es transmitido a las ruedas que dan impulso al vehículo. Mediante el proceso de la combustión desarrollado en el cilindro, la energía química contenida en el combustible es transformada primero en energía calorífica y seguidamente en energía mecánica, esto es, en trabajo útil aplicable a las ruedas propulsoras.

Los motores de estas características son llamados de combustión interna, dado que el combustible se quema en su interior. Según el movimiento de los órganos fundamentales, distinguiremos los motores alternativos y los rotativos. Los primeros(los más utilizados en automoción) emplean un pistón que se mueve alternativamente en el interior de un cilindro de arriba abajo y a la inversa. El movimiento rectilíneo es transformado en giratorio por medio de un sistema de biela y manivela. Los segundos (motores Wankel) utilizan un elemento rotatorio de giro excéntrico en el interior de una cámara, cuyo volumen varía en función del giro del rotor.

MOTORES ROTATIVOS


El motor Wankel (nombre de su inventor) es un tipo de motor de combustión interna que utiliza rotores en lugar de los pistones de los motores convencionales de movimiento alternativo. Desde su invención en 1924 hasta hoy se ha desarrollado de manera notable, resultando de ello un funcionamiento suave, silencioso y fiable, gracias a la simplicidad de su diseño. Está constituido esencialmente por una carcasa con forma ovalada, ligeramente estrecha en el centro, que constituye el cilindro, en cuyo interior se aloja un rotor triangular que realiza un giro de centro variable y comunica su rotación al eje motor, al que está unido.
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El piñón interno de este engranaje se fija a la carcasa, y la corona exterior, que forma parte del rotor, es la que gira, dando como resultado una rotación excéntrica, adaptando cada uno de sus vértices a la carcasa en cualquier posición del giro. La cámara formada en la carcasa tiene forma epitrocoidal (ovalada ligeramente estrechada en su parte media) para permitir esta adaptación de los vértices del rotor a sus paredes.
En este motor se desarrollan los mismos cuatro tiempos del ciclo de Otto que en un motor convencional alternativo de pistones, pero en lugares distintos de la carcasa o cilindro. El rotor sigue un recorrido en el que mantiene sus vértices en contacto permanente con las paredes del cilindro, delimitado así tres compartimentos separados, en cada uno de los cuales es admitida la mezcla fresca de aire y combustible, comprimida, quemada y expulsada al exterior en las distintas fases, que se muestra en la imagen, y que se realizan en cada una de las cámaras en una vuelta del rotor, lo cual supone, en principio, una equivalencia al trabajo realizado por tres cilindros del motor alternativo de pistones.

El rotor tiene forma de triángulo equilátero con los lados ligeramente convexos y, en su giro, produce las variaciones de volumen necesarias en las cámaras que se forman en cada uno de los lados, cuyas caras laterales están vaciadas. El giro es orbital debido al sistema de engranaje interno, que establece entre el rotor y el eje de arrastre una relación de desmultiplicación de tres a uno, generalmente. Para la entrada y salida de los gases se disponen lumbreras similares a las del motor de dos tiempos, y para el encendido de la mezcla se usan frecuentemente dos bujías.
Las vibraciones que se generan en el funcionamiento de este tipo de motor se contrarrestan utilizando dos rotores desfasados 180º, como es el caso del motor representado en la imagen de la derecha, aunque existen también motores que combinan tres y cuatro rotores.
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El motor Wankel presenta, frente al de pistón alternativo, la ventaja esencial de que se producen tres fases de trabajo (explosiones) por cada vuelta del árbol motor, dado que cada uno de los lados del rotor genera una cámara, en la que se producen las distintas fases del ciclo. Por ello, a igualdad de potencia, resultan de dimensiones menores y más compactos que los convencionales,aunque pres
entan problemas de estanqueidad de las cámaras formadas entre el rotor y la carcasa, fundamentalmente en las esquinas,donde es más difícil realizar el sellado.Para mejorar éste, se disponen segmentos especiales en los vértices y laterales del rotor, como los representados en la imagen de abajo,
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que muestra también la forma de éste.

Otra de las ventajas es su simplicidad de diseño, que suprime el sistema de distribución del motor convencional y simplifica el mecanismo de transmisión de esfuerzos, sustituyendo el clásico mecanismo de biela y manivela por el sistema de rotor, sometido a mínimos desequilibrios con el giro.

El inconveniente más destacado de este tipo de motor frente al convencional de pistones es que proporciona una menor eficacia termodinámica, debida a la forma alargada de la cámara de combustión y la baja relación de compresión, lo que supone un mayor consumo para la misma potencia y mayores emisiones de gases contaminantes.

MOTORES ALTERNATIVOS


Atendiendo a su ciclo de funcionamiento, en los motores alternativos se distinguen los de ciclo de Otto y los Diesel. Los motores de ciclo de Otto, también llamados de explosión o de encendido por chispa, introducen en el cilindro una mezcla de aire y combustible (gasolina) que posteriormente inflama por medio de una chispa eléctrica. En los motores Diesel, también llamados de encendido por compresión, se introduce y comprime solamente el aire en el cilindro, inyectando posteriormente el combustible (gasóleo), que el contacto con el aire caliente se inflama. A su vez, los motores Diesel pueden subdividirse en motores lentos (régimen de giro inferior a 2.500 r.p.m.) y rápidos, que alcanzan regímenes de hasta 5.600 r.p.m. Estos últimos son los empleados en automoción, mientras que los primeros se usan en aplicaciones industriales o marinas.

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De acuerdo con la manera de realizar el ciclo operativo, se dice que en los motores son de dos o cuatro tiempos, según que dicho ciclo se realice en dos o cuatro carreras del pistón.

CICLOS OPERATIVOS


Denominamos ciclo operativo a la sucesión de operaciones que se realizan en el interior del cilindro de un motor de combustión y se repiten con ley periódica. La duración de este ciclo se mide por el número de carreras del pistón necesarias para realizarlo. Así, se dice que los motores alternativos son de cuatro tiempos, cuando el ciclo completo se realiza en cuatro carreras del pistón; y de dos tiempos, cuando son suficientes dos carreras para completar el ciclo.

Funcionando en el ciclo de cuatro tiempos, en un motor se producen las cuatro fases o tiempos siguientes: a) admisión de la carga en el cilindro; b) compresión de la carga; e) combustión y expansión; d) expulsión o escape de los productos de la combustión.

A cada una de estas fases o tiempos le corresponde una carrera del pistón y, por tanto, media vuelta del cigüeñal.

  • Ciclo de cuatro tiempos, o 4T en los que el ciclo de trabajo se completa en cuatro carreras del émbolo y dos vueltas del cigüeñal. En estos motores, la renovación de la carga se controla mediante la apertura y cierre de las válvulas de admisión y escape.

  • Ciclo de dos tiempos, o 2T el ciclo de trabajo se completa en dos carreras del émbolo y una vuelta del cigüeñal. La renovación de la carga se logra por barrido, al desplazar la nueva mezcla los gases de la combustión previa, sin la necesidad de válvulas, (en los diesel lleva de escape) ya que es ahora el propio émbolo el que con su movimiento descubre las lumbreras de admisión y escape (sólo ciclo Otto) regulando el proceso.

CICLO OPERATIVO DE CUATRO TIEMPOS EN LOS MOTORES DE EXPLOSIÓN


Primer tiempo o admisión: en esta fase el descenso del pistón aspira la mezcla aire combustible en los motores de encendido provocado o el aire en motores de encendido por compresión. La válvula de escape permanece cerrada, mientras que la de admisión está abierta. En el primer tiempo el cigüeñal gira 180º y el árbol de levas da 90º y la válvula de admisión se encuentra abierta y su carrera es descendente.

Segundo tiempo o compresión: al llegar al final de carrera inferior, la válvula de admisión se cierra, comprimiéndose el gas contenido en la cámara por el ascenso del pistón. En el 2º tiempo el cigüeñal da 360º y el árbol de levas da 180º, y además ambas válvulas se encuentran cerradas y su carrera es ascendente.

Tercer tiempo o explosión/expansión: al llegar al final de la carrera superior el gas ha alcanzado la presión máxima. En los motores de encendido provocado o deciclo Otto salta la chispa en la bujía, provocando la inflamación de la mezcla, mientras que en los motores diésel, se inyecta a través del inyector el combustible muy pulverizado, que se auto-inflama por la presión y temperatura existentes en el interior del cilindro. En ambos casos, una vez iniciada la combustión, esta progresa rápidamente incrementando la temperatura y la presión en el interior del cilindro y expandiendo los gases que empujan el pistón. Esta es la única fase en la que se obtiene trabajo. En este tiempo el cigüeñal gira 180º mientras que el árbol de levas da gira, ambas válvulas se encuentran cerradas y su carrera es descendente.

Cuarto tiempo o escape: en esta fase el pistón empuja, en su movimiento ascendente, los gases de la combustión que salen a través de la válvula de escape que permanece abierta. Al llegar al punto máximo de carrera superior, se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión, reiniciándose el ciclo. En este tiempo el cigüeñal gira 180º y el árbol gira 90º.



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PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE EXPLOSIÓN


En este tipo de motor, la energía se obtiene por dilatación brusca de una mezcla de aire y gasolina en la cámara de combustión. Para obtener la dilatación se provoca la explosión, realizada por medio de la mezcla de aire, combustible y la chispa de alta tensión, provocada por el sistema de encendido.

La termodinámica nos dice que el rendimiento de un motor alternativo depende en primera aproximación del grado de compresión. Esta relación suele ser de 8 a 1 o 10 a 1 en la mayoría de los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores, como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de octano para evitar el fenómeno de la detonación, que puede producir graves daños en el motor. La eficiencia o rendimiento medio de un buen motor Otto es de un 20 a un 25%: sólo la cuarta parte de la energía calorífica se transforma en energía mecánica.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DIESEL


Un motor diésel funciona mediante la ignición (encendido) del combustible al ser inyectado muy pulverizado y con alta presión en una cámara (o pre-cámara, en el caso de inyección indirecta) de combustión que contiene aire a una temperatura superior a la temperatura de auto-combustión, sin necesidad de chispa como en los motores de gasolina. Ésta es la llamada auto-inflamación.

La temperatura que inicia la combustión procede de la elevación de la presión que se produce en el segundo tiempo del motor, la compresión. El combustible se inyecta en la parte superior de la cámara de combustión a gran presión desde unos orificios muy pequeños que presenta el inyector de forma que se atomiza y se mezcla con el aire a alta temperatura y presión (entre 700 y 900 °C). Como resultado, la mezcla se inflama muy rápidamente. Esta combustión ocasiona que el gas contenido en la cámara se expanda, impulsando el pistón hacia abajo.

Esta expansión, al revés de lo que ocurre con el motor de gasolina, se hace a presión constante ya que continúa durante la carrera de trabajo o de expansión. La biela transmite este movimiento al cigüeñal, al que hace girar, transformando el movimiento rectilíneo alternativo del pistón en un movimiento de rotación.

Para que se produzca la auto-inflamación es necesario alcanzar la temperatura de inflamación espontánea del gasóleo. En frío es necesario pre-calentar el gasóleo o emplear combustibles más pesados que los empleados en el motor de gasolina, empleándose la fracción de destilación del petróleo fluctuando entre los 220 °C y 350 °C, que recibe la denominación de gasóleo o gasoil en inglés.

DISTRIBUCIÓN DE LOS CILINDROS

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La distribución de los cilindros en un motor, sería otra manera de clasificar los tipos de motor. Dentro de los motores alternativos, nos podemos encontrar diferentes distribuciones de los cilindros.

En V

Otra disposición es el motor en V. En él los cilindros se agrupan en dos bancadas o filas de cilindros formando una letra V que convergen en el mismo cigüeñal. En estos motores el aire de admisión es succionado por dentro de la V y los gases de escape expulsados por los laterales. L y R


En L

El motor en línea (L) normalmente disponible en configuraciones de 2 a 8 cilindros, el motor en línea es un motor con todos los cilindros alineados en una misma fila, sin desplazamientos. Es el motor más utilizado en automoción, con la configuración L4 ya que tiene como ventaja que es un motor bastante estable y sencillo.

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Cilindros en oposición

Existen tres tipos diferentes de motores con cilindros en oposición, comúnmente referidos al término en inglés flat-cylinder engine:

  • Motor Bóxer
  • V de 180º
  • Motor de cilindros horizontalmente opuestos.

Erróneamente se tiende a hablar indistintamente de estos tres tipos de motor con cilindros en oposición o a confundirlos entre sí. En Alemania, el término boxermotor es un grupo en el que el motor Boxer y el motor con V en 180º se toman como una misma disposición.

El motor Boxer es el utilizado en los Volkswagen Escarabajo, Volkswagen Kombi, el Porsche 911, y es muy usado actualmente por Subaru (en el Impreza, Legacy, etc.) y tienen por lo general entre 4 y 6 cilindros.

El motor con V de 180º, de configuración muy similar al motor Boxer, es usado por algunas ediciones especiales de Ferrari y Alfa Romeo. La diferencia básica consiste en que ocasionalmente, los motores con V en 180º no usan un muñón largo como en el Boxer, sino que las bielas comparten la misma posición en el cigüeñal, haciendo que mientras un pistón se acerca al cigüeñal el otro se aleje, opuesto a lo que sucede en el Boxer en el que los pistones se alejan y acercan al mismo tiempo. La V de 180º se usa en motores de más de 8 cilindros donde ha resultado más efectiva, mientras que el Boxer se usa en pares con menos de 6 cilindros y por ello se han asociado mutuamente como un mismo tipo de disposición.

El motor de cilindros horizontalmente opuestos otro nombre para bóxer.
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La ventaja de estos tres tipos de motores con cilindros en oposición es que tienen una altura menor y el centro de gravedad más bajo que el de sus pares en línea y en "V", tiene una disposición más compacta, y sus elementos al ser de menor longitud garantizan mayor estabilidad. La principal desventaja de los motores Boxer es su mayor costo de desarrollo y fabricación porque necesita mayor cantidad de piezas. Los motores Boxer presentan vibraciones menores a los motores en línea, ya que el centro de masa permanece invariable a través de una revolución del motor; solo los momentos de segundo orden se mueven al girar el volante.

Los motores Boxer se han montado en motocicletas además de coches. Se ha montado en toda la saga de motocicletas BMW y motos Ural

Mientras tanto y de forma menos exclusiva, los motores de cilindros horizontalmente opuestos se han usado desde finales de los años treinta en miles de aeronaves pequeñas, y han sufrido ligeras mejoras al igual que todos los motores a pistón, tales como el sistema de inyección o los cada vez más eficientes sistemas de sobrealimentación, sin embargo son motores que presentan una configuración de válvulas en la culata (OHV) y una relativa baja compresión (usualmente 6.6:1) en comparación con motores de automoción modernos, ya que son usados bajo otro tipo de condiciones; así mismo, no se han producido motores de aviación que tengan turbo-cargador de geometría variable como se viene desarrollando desde mediados de la década de los ochentas para automóviles, y el ciclo Diesel en estos motores se encuentra en fase experimental.
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Forma radial o en estrella

En este grupo se encuentran dos tipos de motores, ambos con disposición radial de los

cilindros: los motores de tipo radial y los motores de tipo rotativo, utilizados ambos principalmente en los motores de aviación y como motores estáticos. La difere
ncia entre ambos consiste en que los motores de tipo radial mantienen el bloque fijo, girando el cigüeñal en su interior, mientras que los de tipo rotativo, el cigüeñal permanece fijo y es el bloque entero el que gira.

Forma de H

También se encuentra la disposición en H, la cual es una especie de hibridación de dos motores con cilindros en oposición con el uso de dos cigüeñales, quedando una bancada por encima de la otra que generan potencia para un solo eje de transmisión intermedio entre los dos cigüeñales.

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Forma de W

Otra disposición es en W que es una especie de doble V combinada en tres o cuatro bancadas de cilindros y un cigüeñal, que data de la década de 1920, y son usadas en algunos vehículos modernos del Grupo Volkswagen, como el Audi A8, el Volkswagen Touareg, el Volkswagen Phaeton, o el Bentley Continental GT, que llevan un W12; mientras que el Bugatti Veyron monta el W16.


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MOTORES DE CARGA ESTRATIFICADA


Una variante del motor de encendido con bujías es el motor de carga estratificada, diseñado para reducir las emisiones sin necesidad de un sistema de re-circulación de los gases resultantes de la combustión y sin utilizar un catalizador. La clave de este diseño es una cámara de combustión doble dentro de cada cilindro, con una antecámara que contiene una
mezcla rica de combustible y aire mientras la cámara principal contiene una mezcla pobre. La bujía enciende la mezcla rica, que a su vez enciende la de la cámara principal.
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La temperatura máxima que se alcanza es suficientemente baja como para impedir la formación de óxidos de nitrógeno, mientras que la temperatura media es la suficiente para limitar las emisiones de monóxido de carbono e hidrocarburos.