Conceptos Fundamentales del Motor de Combustión Interna

El rendimiento y la eficiencia de un motor de combustión interna se definen por varios parámetros clave:

  • Consumo específico: Consumo de combustible en gramos por kilovatio-hora (g/kWh).
  • Rendimiento: Energía obtenida / energía aportada x 100.

Tipos de Pérdidas en el Motor

Las pérdidas de energía en un motor se clasifican en:

  • Calor: 60-65% en motores Otto / 50-60% en motores Diésel.
  • Mecánicas: 10-15% en motores Otto y Diésel.
  • Químicas: Relacionadas con la mezcla de combustión.

Rendimiento del Motor: Tipos y Cálculos

El rendimiento de un motor se puede desglosar en diferentes tipos:

  1. Rendimiento Volumétrico (ɳv):

    Mide la eficacia del llenado del cilindro. Se calcula como: ɳv = (masa de aire introducido en cilindro) / (masa de aire teórica que se podría introducir).

    Depende de:

    • Régimen de giro (RPM).
    • Densidad del aire.
    • Sección de válvulas y conductos de admisión.
    • Eficacia de barrido de los gases quemados (entre 70-90%).
  2. Rendimiento Térmico (ɳc):

    Relaciona la potencia efectiva con la energía del combustible. Se calcula como: ɳc = (potencia media efectiva) / (masa de combustible x tiempo x poder calorífico).

  3. Rendimiento Mecánico (ɳm):

    Relacionado con las pérdidas por rozamiento. Se calcula como: ɳm = (potencia efectiva) / (potencia indicada).

  4. Rendimiento Efectivo:

    Representa el balance entre todas las pérdidas y el 100% de la energía del combustible consumido. Suele ser del 25-30% en motores Otto y del 30-40% en motores Diésel.

Características Principales y Potencia del Motor

Par Motor, Potencia y Consumo Específico

  • Par motor: (Fuerza x Distancia) Es la fuerza aplicada sobre la biela en función de la longitud del codo del cigüeñal.
  • Potencia (P): (Fuerza x Velocidad = par motor / tiempo) Es la cantidad de trabajo realizado en una unidad de tiempo.
  • Consumo específico: (g combustible / kW x tiempo) Es la relación entre la masa de combustible consumido y la potencia entregada. Depende de ɳv y ɳc.

Cálculo y Factores de la Potencia

  • Velocidad lineal (m/s): π x 2 x r x RPM / 60.
  • Potencia expresada en vatios (P): (par motor en N·m x régimen del motor) / 9,55 (o en CV = … / 716).

Factores que Determinan la Potencia

La potencia de un motor está influenciada por:

  • Cilindrada.
  • Llenado de cilindros (más aire, más presión y más par motor, consiguiendo más potencia).
  • Régimen de giro.
  • Relación de compresión (mejora el rendimiento térmico y también la potencia).

Tipos de Potencia

  • Potencia al freno (efectiva): Calculada a partir del par motor.
  • Potencia específica: Relaciona la potencia máxima obtenida con su cilindrada o peso.

Rendimiento Óptimo y Curvas Caracterísitcas del Motor

Máximo Rendimiento del Motor

El motor alcanza su máximo rendimiento en dos regímenes principales:

  1. Régimen de par máximo (n1): Aproximadamente 4000 RPM.
  2. Régimen de potencia máxima (n2): Aproximadamente 6000 RPM.

Curvas de Potencia, Par y Consumo Específico

  • Curva de potencia: Un motor más potente, pero poco elástico, corresponde a una curva pronunciada con un pequeño aumento de RPM.
  • Curva de par: Muestra estabilidad entre 2000-4000 RPM. La curva asciende a medida que aumentan las RPM hasta el par máximo, que representa el máximo rendimiento volumétrico, el llenado óptimo y la presión media máxima; luego empeora.
  • La curva de par y la de consumo específico son simétricamente opuestas.

Obtención de Curvas

Las curvas características se obtienen mediante:

  • Par motor: En un banco específico oponiendo una fuerza de frenado.
  • Consumo específico: Midiendo el tiempo en consumir una cantidad ‘x’ de combustible.
  • Potencia: Calculada a partir del par motor y las RPM.

Renovación de Carga y Mejoras en el Motor

Rendimiento Volumétrico y Factores de Mejora

La renovación de carga busca un mejor llenado de los cilindros y reducir las pérdidas por bombeo (AAA y RCE).

El rendimiento volumétrico (ɳv) se calcula como: ɳv = (masa de aire real admitida en kg/s) / (VT (cilindrada total en cm³) x n (velocidad de giro en rev/s) x i (número de ciclos vuelta-giro) x ρref (densidad de la mezcla/aire en kg/m³)).

Factores que Contribuyen a la Mejora

  • Régimen de giro (RPM, coincide con el par máximo y consumo mínimo específico).
  • Forma de las secciones de válvulas y conductos.
  • Grados de admisión (estrangulación sobre la corriente de mezcla mediante mariposa de gases).
  • Colector de admisión.
  • Mejor diagrama de distribución (AAA y RCE).

Renovación de Carga en Motores 2T y 4T

  • Motores 2T: Se logra un mejor barrido y mayor turbulencia (mejor mezcla) con lumbreras transversales, por lazo y uniflujo. Se puede independizar la apertura/cierre de lumbreras.
  • Motores 4T:
    • Colectores de admisión variable: Permiten la sobrealimentación por tubo de reverberación. Los colectores largos y estrechos son para entrega de par a bajas/medias revoluciones, mientras que los cortos y anchos mejoran la potencia a altas revoluciones. La conmutación entre ellos se realiza con acción neumática (centralita).
    • Multiválvulas: Aumentan la sección de paso de válvula.
    • Distribución variable: Permite variar el momento (tiempo) de apertura/alzado de válvula y el alzado de válvula (ángulo de apertura) para un régimen alto o bajo, con dos árboles de levas (escape + admisión) y menor contaminación. Ejemplos:
      • Variocam de Porsche: Mediante tensor desplazante.
      • VTEC de Honda: Tiene 3 levas por cilindro (2 para bajas y 1 para altas revoluciones) con dispositivo hidráulico para acoplamiento.
      • Valvetronic de BMW: No usa mariposa, con regulación variable de la carrera de las válvulas de admisión.
      • Multiair de Fiat: Controla la válvula de admisión (alzada) mediante electroválvula y solo hay el árbol de escape.
    • Sobrealimentación: Como el turbo.

Sistema de Engrase del Motor

Funciones y Tipos de Rozamiento

El sistema de engrase tiene como funciones principales:

  • Reducir el rozamiento y las pérdidas mecánicas.
  • Refrigerar.
  • Limpiar partículas.
  • Asegurar la estanqueidad.

Tipos de rozamientos:

  • Fluido: En apoyos, muñequillas del cigüeñal y árbol de levas.
  • Semifluido: En segmentos y cilindro.
  • Seco.

El Aceite Lubricante

El aceite puede ser de base mineral, sintética o semisintética, y contiene aditivos. Sus propiedades clave son:

  • Viscosidad.
  • Anticorrosivo.
  • Propiedad de quemarse sin dejar residuos.

Ventajas del Aceite Sintético

  • Más fluido a bajas temperaturas.
  • Viscosidad estable.
  • Resistencia a la oxidación.
  • Cualidades detergentes y dispersantes (especialmente para diésel que contiene azufre).

Clasificación de Aceites

  • Grados SAE: Relacionan la viscosidad con la temperatura externa.
    • Monogrado: Viscosidad constante para un rango de temperatura.
    • Multigrado: Dos diferentes grados de viscosidad en frío y caliente.
  • Clasificación de calidad:
    • API: Series para motor Otto = S y Diésel = C.
    • ACEA: Clases A/B, C, E. Cada nueva categoría de aceite supera en calidad la anterior y la sustituye.

Sistema de Lubricación y Bomba de Aceite

Los sistemas de lubricación pueden ser:

  • A presión: El más común.
  • Por mezcla con combustible: Típico en motores 2T.

Los elementos internos del motor se lubrican por impregnación (neblina o untuosidad). Para evitar fugas, se utilizan juntas de estanqueidad (retenes).

Bomba de Aceite

La bomba de aceite es la encargada de generar presión sobre el aceite. Tipos comunes:

  • De engranajes: Formada por dos piñones, uno conductor y otro conducido, mediante un árbol de impulsión.
  • De rotores: Uno interior y otro exterior que giran en el mismo sentido con dos cámaras: aspiración y presión.
  • De engranajes internos/hoz: Dos engranajes excéntricos que ofrecen buen caudal desde bajas revoluciones.

Comprobación de presión del sistema de engrase: Se realiza sacando el manocontacto (sensor-interruptor que actúa por presión) y en su sitio enroscar un manómetro con adaptador.

Sistema de Refrigeración del Motor

Transmisión de Calor y Tipos de Refrigeración

La refrigeración gestiona la transmisión de calor obtenida de la pérdida de energía. El balance energético típico es:

  • Trabajo útil: 25-30%
  • Gases de escape: 30-35%
  • Pérdidas mecánicas: 10%
  • Refrigeración: 30%

Los sistemas de refrigeración pueden ser:

  • Por aire: Con aletas sobre la culata o parte alta del cilindro. Puede ser por aire de la marcha o aire forzado (ventiladores).
  • Por agua: Circuito cerrado del líquido refrigerante dentro del motor e intercambiador de calor empujado por bomba.

Componentes del Sistema de Refrigeración por Agua

  • Radiadores: Pueden ser de flujo vertical o transversal.
  • Ventilador: Se conecta automáticamente mediante termocontacto (interruptor térmico) entre 90-98ºC y se desconecta entre 82-90ºC.
  • Anticongelante: Sus funciones son rebajar el punto de congelación, ser anticorrosivo y antiespumante.