Fundamentos de Motores de Combustión Interna: Rendimiento, Potencia y Sistemas Auxiliares
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:
- 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%).
- 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).
- Rendimiento Mecánico (ɳm):
Relacionado con las pérdidas por rozamiento. Se calcula como: ɳm = (potencia efectiva) / (potencia indicada).
- 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:
- Régimen de par máximo (n1): Aproximadamente 4000 RPM.
- 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.