1 introducción a los motores y su clasificación

1º Automoción Motores 1 Introducción a los motores y su clasificación

1 INTRODUCCIÓN A LOS MOTORES Y SU CLASIFICACIÓN

1.- Introducción a los motores

En la actualidad, los coches en nada se asemejan al triciclo con el que nacía el primer automóvil. Lo cierto es que han evolucionado de un modo imparable hasta llegar a ser elementos casi imprescindibles en la sociedad actual.La aparición del motor supuso una enorme revolución para la industria, y esto, junto con la evolución del comercio a lo largo de la historia, ha ido revolucionando los transportes por tierra, mar y aire, dando un impulso decisivo a la motorización de todo tipo de vehículos. Este desarrollo ha provocado que el uso de los motores se generalice para todos los usos industriales.No obstante, no se puede olvidar que las máquinas de vapor, los reactores, etc., también son motores de mucha importancia en la industria, pero de escasa aplicación en el transporte para automoción a día de hoy.En la primera mitad del siglo XIX, la necesidad de resolver dos problemas concretos provocó el nacimiento del motor de explosión:La máquina de vapor no se adaptaba bien para el transporte ligero.El coche de caballos era lento y pesado.Desde 1950 hasta hoy, la evolución está regida tanto por la integración de todos los elementos en un volumen único, como por la optimización de los sistemas de seguridad activa y pasiva, incluidas las modernas líneas aerodinámicas y las altísimas tecnologías utilizadas en los modernos motores.Al realizar el diseño de los vehículos actuales, no solo se tiene en cuenta la tecnología de sus motores, también se le da mucha importancia a la seguridad integral. En este sentido, es de destacar el cuidadoso diseño de la carrocería, en la que los exhaustivos estudios de laboratorio y pruebas de choque dan como resultado vehículos cada vez más seguros.La máxima tecnología desarrollada en los motores da como resultado un excelente rendimiento y un bajo consumo, tanto en los motores de gasolina como en los diesel: motores de aleación ligera, culatas de cuatro válvulas, inyección directa, bobina de encendido por cilindro, control de detonación, gestión electrónica del motor por bus CAN, etc.

Tecnología de Fórmula 1Un aspecto destacado en la evolución del automóvil es el desarrollo de nuevos materiales más ligeros y resistentes, y el control

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realizado a través de la electrónica. Este permite un ajuste de las condiciones del motor mucho más eficiente. En este sentido, el mundo de la competición ha supuesto un magnifico campo de pruebas para la evolución de los automóviles en general y de los motores en particular.

2.- Clasificación de los motores en función de la energía que transforman

Un motor es toda máquina capaz de transformar cualquier tipo de energía en energía mecánica.La energía mecánica obtenida a través de los motores se puede aprovechar de muchas maneras, entre ellas, en la propulsión de los vehículos. Los motores se pueden clasificar dependiendo del tipo de energía que transforman en energía mecánica. Las energías más utilizadas son:

Energía químicaEnergía mecánicaEnergía nuclearEnergía eléctricaEnergía térmica

De todas las máquinas motoras que existen en la actualidad, las que mayor interés tienen para las aplicaciones en automoción son aquellas que transforman las energías térmica y eléctrica en energía mecánica.Los motores que transforman la energía eléctrica en mecánica se han desarrollado e incorporado al mercado automovilístico durante los últimos años, dando lugar a los modernos motores eléctricos e híbridos, y se espera que la tecnología continúe evolucionando.Los motores térmicos son los que tienen mayor trascendencia para la automoción, y en especial, los motores de ciclo otto y diesel. El resto de los que aparecen en la siguiente clasificación tienen un uso muy restringido.

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Los motores eléctricos tienen un uso más extendido en automoción gracias a la aparición de los vehículos híbridos.

Motores híbridos: combinación de dos o más motores diferentes, generalmente un motor eléctrico y otro térmico.

3.- Motores eléctricos

Los motores eléctricos convierten la energía eléctrica en energía mecánica o movimiento.Los motores eléctricos están muy desarrollados en todas las ramas de la industria, por lo que su implantación en automóviles no supondría un problema técnico si se dispusiese de un sistema de almacenamiento y generación de electricidad en el propio vehículo, que le diera suficiente autonomía.Este hecho es claramente visible en los trenes, cuyo medio de propulsión ha cambiado de los antiguos motores diesel a las modernas máquinas eléctricas, gracias a que disponen de alimentación eléctrica ininterrumpida y de infinita autonomía, salvo cortes en el suministro eléctrico.Los motores eléctricos se pueden clasificar en:

- Motores de corriente continua (CC).- Motores de corriente alterna (CA).

Antiguamente, los motores de corriente alterna se usaban en pocas aplicaciones, debido a la dificultad que presentaban para la regulación de la velocidad. Por otro lado, los motores de corriente continua eran muy pesados y caros, y necesitaban mucho mantenimiento.Durante los últimos años y gracias a los avances tecnológicos y al desarrollo de la electrónica de potencia aplicada a los elementos de consumo como los motores, se ha conseguido un funcionamiento aceptable de los motores de corriente alterna para regímenes de velocidad variable. Este hecho es de especial importancia, ya que los motores de corriente alterna son, en comparación con los de corriente continua, más baratos, su fabricación es más sencilla, pues se componen de un número menor de piezas y requieren menos mantenimiento. Por todo ello, los motores de corriente alterna son más fiables.Si se llegase a conseguir menor peso en las baterías y mayor autonomía, los motores eléctricos pueden llegar a ser grandes competidores de los motores alternativos en vehículos ligeros.

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Ventaja de la corriente alterna: El gran uso de la corriente alterna se debe fundamentalmente a que se genera y transporta más fácilmente que la corriente continua.

4.- Motores térmicos de combustión

Los motores térmicos queman combustible para aprovechar la energía liberada en forma de calor y transformarla en energía mecánica o movimiento.Debido al auge de los vehículos, al desarrollo industrial del siglo XX y al gran número de aplicaciones diferentes para las que pueden ser usados, hay una gran diversidad de motores térmicos. Todos estos tipos de motores se pueden incluir en dos grandes grupos:

- Motores de combustión externa.- Motores de combustión interna.

4.1.- Motores de combustión externa (MCE)En los motores de combustión externa se quema el combustible en el interior de una cámara, y el calor desprendido se aprovecha para calentar otro fluido que realizará el trabajo. La combustión en estos motores no se produce dentro del fluido que realiza el trabajo.Los motores de combustión externa se caracterizan por ser muy pesados, voluminosos y por tener un elevado rendimiento. A este tipo de motores pertenecen las turbinas de vapor de las grandes centrales termoeléctricas y las antiguas máquinas de vapor, entre otros.

4.2.- Motores de combustión interna (MCI)En los motores de combustión interna el fluido que realiza el trabajo es el mismo en el que se ha producido la combustión.Hay una gran variedad de motores de esta clase, pero se pueden subdividir en:

- Motores de flujo continuo: reactores.- Motores volumétricos de combustión interna.

Motores de flujo continuo: reactoresLos motores de flujo continuo son aquellos en los que la combustión se produce en el interior de una cámara de modo continuo mediante, por ejemplo, la existencia de una llama siempre encendida.Este tipo de motores se usan principalmente en aviación y para generar electricidad. Su uso en automoción no es habitual, salvo en aplicaciones específicas, por las siguientes razones:

- Son muy caros de desarrollar tecnológicamente debido a que los materiales, en algunas zonas de la máquina, están sometidos a temperaturas muy altas y grandes esfuerzos mecánicos.

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- No son útiles para potencias menores de 500 kW.- No se adaptan a grandes cambios de velocidad, par, etc.

Turborreactor.

Motores volumétricos de combustión interna

En los motores volumétricos de combustión interna el trabajo es realizado por un fluido que actúa sobre elementos móviles que ocupan un volumen variable, siempre acotado por un valor máximo y otro mínimo.Existen dos grandes grupos:-Motores alternativos. El pistón se mueve linealmente en el

interior de un cilindro y transforma su movimiento lineal en rotativo mediante un mecanismo biela-manivela.-Motores rotativos. Tienen órganos principales con movimiento

rotatorio y sin cambio en el sentido del mismo.

Motor alternativo. Motor rotativo.

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A diferencia de los motores de flujo continuo, en los motores alternativos la combustión se produce a intervalos de tiempo.Las ventajas e inconvenientes de los motores rotativos, frente a los alternativos, se resumen en la siguiente tabla:

Los cuatro inconvenientes enumerados, junto con el desarrollo tecnológico de los motores alternativos, hacen que el uso de los rotativos no esté generalizado; pero no por eso hay que olvidar las importantes ventajas de los rotativos frente a los alternativos.Los motores rotativos usados en automoción son motores rotativos wankel.

5.- Motores de combustión interna alternativosLos motores alternativos son los motores de combustión interna con más aplicaciones debido a que son muy versátiles, abarcan potencias desde 0,1 kW a 32 MW, tienen un rendimiento bastante aceptable y pueden usar combustibles de alto poder calorífico.

Motor de barco. Motor de combustión interna alternativo para la generación de electricidad.

Este tipo de motores son los más importantes en automoción, fundamentalmente, porque usan combustibles líquidos con alto poder calorífico, lo que les otorga una gran autonomía.

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Su uso está muy generalizado. Aunque se usan en automoción, también se les da otros múltiples usos, como muestra la siguiente tabla:

A continuación se van a presentar una gran variedad de máquinas, todas ellas alternativas de combustión interna, pero que tienen particularidades importantes.Se presentan clasificadas en función de distintos criterios.

5.1.- Clasificación según el proceso de combustiónHay, principalmente, dos formas de provocar la combustión en los motores de combustión interna alternativos:- Motores de encendido provocado (MEP) o motores otto. Son motores donde al final de la compresión se tiene una mezcla de aire y combustible, y donde el proceso de combustión se inicia por una causa externa (generalmente una chispa), y se propaga por un frente de llama a toda la cámara de combustión.- Motores de encendido por compresión (MEC) o motores diesel. El fluido introducido, generalmente es aire, tras ser fuertemente comprimido alcanza unas condiciones de presión y temperatura, para que, cuando se inyecte el combustible, este se autoinflame.

5.2.- Clasificación según el número de carreras en el ciclo de trabajoLos ciclos termodinámicos en motores de combustión interna alternativos otto y diesel se pueden realizar en dos o en cuatro carreras del pistón.

Motores alternativos de cuatro tiemposLos motores alternativos de cuatro tiempos realizan un ciclo de trabajo por cada cuatro carreras del pistón y, por tanto, cada dos revoluciones o vueltas del cigüeñal.Durante las cuatro carreras del cilindro el motor realiza el siguiente proceso:- Primer tiempo o admisión.- Segundo tiempo o compresión.

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- Tercer tiempo o expansión.- Cuarto tiempo o escape.

Motores alternativos de dos tiemposEn los motores alternativos de dos tiempos el ciclo de trabajo se realiza cada dos carreras del pistón y, por tanto, en una revolución o vuelta de cigüeñal.Su uso se justifica en motores de pequeña potencia por su sencillez constructiva y, por tanto, por su valor más económico. Estos motores suelen ser de ciclo otto.En cambio, la configuración típica para grandes potencias es como la del motor diesel de dos tiempos trabajando a bajas revoluciones. Esta solución se adopta debido a que el peso de un motor de igual potencia de cuatro tiempos sería muy elevado. La complejidad de estos motores, parece a priori, que debería ser menor por el hecho de ser de dos tiempos, pero la realidad es que debido a la gran potencia que pueden desarrollar y a su posible tamaño, estos motores pueden ser muy complejos, incluso más que los de cuatro tiempos.

5.3.- Clasificación según el tipo de refrigeraciónLa refrigeración de los motores es necesaria para mantener dentro de unos márgenes aceptables los límites de temperatura de los materiales, el engrase de las piezas y las dilataciones térmicas.A medida que aumenta la cilindrada del motor, este se calienta más y, por tanto, necesita sistemas más eficientes de disipación del calor.Atendiendo a este criterio, los motores pueden estar:- Refrigerados por líquido. El calor sobrante se transmite al líquido refrigerante. Este líquido es transportado a través de unas tuberías a un intercambiador de calor o radiador, desde donde se expulsa al exterior.- Refrigerados por aire. Se inyecta aire en la superficie exterior del cilindro, o en el bloque. El cilindro es aleteado con el fin de aumentar la superficie de contacto del aire con el metal, y para que el proceso de refrigeración sea más eficiente. La inyección del aire puede ser:

Natural. Por ejemplo, en motocicletas o aviones, debido al movimiento del vehículo.Forzada. Mediante un ventilador que fuerza el paso de aire.

Bloque de motor refrigerado por aire.

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Hay que tener en cuenta que un motor con un cilindro de 1.000 cm3

se calienta más que otro con cuatro cilindros de 250 cm3, ya que las superficies de intercambio de calor son menores en las versiones de menos cilindros.

5.4.- Clasificación según el número y disposición de los cilindrosLos motores policilíndricos, es decir, aquellos que tienen más de un cilindro, también se pueden clasificar en función de las diferentes disposiciones de esos cilindros.

Los motores en línea no pueden ser muy largos, y están limitados por la longitud máxima del motor, y por problemas asociados a vibraciones torsionales. Las disposiciones de los cilindros más usadas en automoción son los motores en línea, motores en V y horizontales opuestos (boxer).

5.5.- Clasificación según el tipo de combustible utilizado

En función del combustible consumido, los motores pueden clasificarse en:- Motores de combustible gaseoso. En estos motores, el combustible quemado es un gas. La ventaja principal de estos motores es que contaminan menos, debido a que la mezcla es homogénea, y a que usan combustibles muy puros. Los gases más utilizados son propano, butano, GLP y éter.- Motores de combustible líquido. El combustible líquido tiene la ventaja de que se almacena en menor volumen y tiene un alto poder calorífico. La facilidad de almacenamiento para obtener un alto poder calorífico, por unidad de volumen, hace que estos combustibles sean los más usados. Los combustibles líquidos cuyo

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uso está más extendido son la gasolina, el gasóleo, el queroseno, el etanol y el fuel oil pesado.De especial interés, debido a los problemas con el efecto invernadero, son los biocombustibles, los cuales se obtienen de diferentes productos vegetales como: caña de azúcar, remolacha, maíz, colza, girasol, etc. Estos combustibles tienen menor poder calorífico, pero son menos contaminantes que los procedentes del petróleo.

5.6.- Clasificación según la presión de admisiónPor último, los motores alternativos pueden clasificarse en función de la presión de admisión del aire aspirado en:- De aspiración natural o atmosférica. La presión en el colector de admisión es la atmosférica o aún menor, debido a la estrangulación que se produce para la regulación de la carga.- Sobrealimentado. La presión en el colector de admisión es superior a la atmosférica. El aumento de presión se consigue con un compresor. El uso de un turbocompresor, que aproveche la energía residual de los gases de escape, mejora el rendimiento global del motor, por lo que su uso está muy extendido.

Turbocompresor.

Vocabulario- Autonomía: distancia o tiempo que un vehículo puede estar funcionando sin repostar.- Poder calorífico: energía liberada por unidad de masa.- rpm: revoluciones por minuto.

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- rps: revoluciones por segundo.-Equivalencias entre rpm y hertzios: 60 rpm = 1 rps = 1 Hz-Potencia especifica. Se trata de la relación entre la potencia del motor y su peso o volumen. En automoción interesa que sea lo más alta posible, es decir, se tratan de conseguir motores muy potentes que pesen y ocupen poco volumen. Se mide en kW/kg o en kW/litro.- Torsión: esfuerzo que aparece en un eje, cuando se intenta girar un extremo con respecto al otro.- Líquido refrigerante. No es adecuado decir que un motor está refrigerado por agua, pues el líquido de refrigeración de todos los motores es una composición de varias sustancias, y que por supuesto, tiene mejores propiedades que el agua.- GLP: gas licuado del petróleo.- Residuo de motores de hidrógeno. El hidrógeno es un combustible cuyo residuo después de la combustión es principalmente agua.

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