CRITERIOS DE CLASIFICACIÓN Y CARACTERÍSTICAS DIFERENCIADORAS

     Podemos hacer una clasificación de los motores atendiendo a varios factores.

     Proceso de combustión

• Motores de encendido provocado (MEP): también llamado motor Otto o de encendido por chispa, aunque esto último no es del todo correcto, ya que no siempre el encendido es provocado por salto de chispa. Su característica fundamental es que el inicio de la combustión se produce mediante un aporte de energía externo al ciclo termodinámico; en los motores modernos se consigue haciendo saltar una chispa entre los dos electrodos de una bujía, cuando la chispa salta, es el momento óptimo para conseguir que el proceso de combustión sea lo más eficiente posible. La mezcla de aire-combustible puede ser homogénea, si la mezcla se realiza fuera del cilindro durante el proceso de admisión; o heterogénea si se introduce aire durante la admisión y después el combustible durante la compresión (motores de inyección directa y mezcla estratificada). El proceso de combustión se produce por el avance de un frente de llama que recorre la cámara de combustión, llendo desde la bujía y separando 2 zonas, una con gases frescos y la otra con gases quemados.
• Motores de encendido por compresión (MEC): también llamado motor Diesel. La combustión se inicia mediante un proceso de autoencendido de la mezcla de combustible al conseguirse temperaturas suficientemente altas en la cámara de combustión (debido al proceso de compresión). Para controlar el encendido, el aire se inyecta durante la admisión y el combustible al final de la carrera de compresión. La mezcla aire-combustible es heterogénea, y la combustión se realiza en las zonas más adecuadas, es decir, donde el dosado sea más cercano al estequiométrico. Aparecen muchos frentes cuya evolución depende del chorro de combustible inyectado y del movimiento del aire en la cámara de combustión. Por tanto, el proceso de combustión depende espacial y temporalmente del proceso de inyección. No lleva bujías porque la combustión no necesita ser provocada. El HCCI es un MEC de mezcla homogénea.

     Ciclo de trabajo

     Los dividimos en motores de 2 y 4 tiempos, cuya única diferencia es el proceso de renovación de la carga, es decir, el escape y la admisión.

     MOTORES DE 4 TIEMPOS: como su propio nombre indica, tienen 4 fases:

• Fase de admisión(1ªcarrera): las válvulas de admisión están abiertas y las de escape cerradas, el émbolo se desplaza desde el punto muerto superior (PMS) al inferior (PMI), lo que hace que se cree una pequeña depresión para permitir la entrada de gases (aire o mezcla de aire-combustible) a través del conducto de admisión. Cuando el émbolo llega al PMI, las válvulas de admisión se cierran y empieza la siguiente fase.
• Fase de compresión (2ªcarrera): las válvulas de admisión y escape están cerradas y el émbolo se desplaza desde el PMI al PMS, comprimiendo el fluido que hay en el cilindro. Cuando el émbolo se aproxima al PMS, se produce el salto de chispa (MEP) o se inyecta el combustible (MEC) para que se produzca la combustión.
• Fase de expansión(3ªcarrera): la combustión produce un aumento de presión de los gases contenidos, obligando al émbolo a retroceder hacia el PMI, siendo este el único desplazamiento del que se obtiene trabajo.
• Fase de escape (4ªcarrera): se abre la válvula de escape y el émbolo comienza a desplazarse desde el PMI al PMS, expulsando los gases quemados hacia el exterior del cilindro. Cuando llega el émbolo al PMS, se cierra la válvula de escape y comienza de nuevo el ciclo.

     Debido a la compresibilidad del aire y a que la combustión no se hace a volumen constante, hay que hacer algunos cambios respecto al tiempo de apertura y cierre de las válvulas, produciéndose adelantos y retrasos con respecto a la llegada al PMS y al PMI. Estos son:

• Avance de apertura de admisión (AAA): es el ángulo girado por el cigueñal desde el inicio de la apertura de la válvula de admisión hasta el PMS.
• Retraso en el cierre de admisión (RCA): ángulo girado por el cigueñal desde el PMI hasta que se cierra la válvula de admisión.
• Avance al encendido (AE) o avance a la inyección (AI): ángulo girado por el cigueñal desde el salto de la chispa en la bujía o desde el inicio de la inyección de combustible hasta que el émbolo llega al PMS.
• Avance en la apertura de escape (AAE): ángulo girado por el cigueñal desde el incio de la apertura de la válvula de escape hasta el PMI.
• Retraso en el cierre de escape (RCE): ángulo girado por el cigueñal desde el PMS hasta que se cierra la válvula de escape.

     El ángulo durante el que permanecen abiertas las válvulas de admisión y escape se llama ángulo de cruce de válvulas, y es la suma de los valores de AAA y RCE.

     La conveniencia de los ángulos de avance y retraso es debido a efectos como la no estacionariedad y la compresibilidad de flujo, y por razones mecánicas, ya que no se puede abrir y cerrar las válvulas instantáneamente, así que para conseguir una abertura en los puntos muertos, hay que abrir antes y cerrar más tarde. El valor óptimo de estos ángulos dependerá de las condiciones de operación del motor y de sus características constructivas.

     MOTORES DE 2 TIEMPOS: 

     Su diferencia fundamental con los motores de 4 tiempos es la renovación de la carga, en estos motores la mayor parte de los procesos de admisión y escape ocurren al mismo tiempo, en lo que se llama proceso de barrido, es decir, que los gases frescos, que se encuentran a mayor presión que los gases en el cilindro son los que barren a los quemados hacia el escape.

     El proceso de escape se inicia mucho antes que en los motores de 4 tiempos, y puede ocurrir de 2 formas, dependiendo del motor. Por apertura de una o varias válvulas de escape, o por una o varias aberturas hechas en el cilindro, llamadas lumbreras, que quedan descubiertas por el propio movimiento del émbolo. Los gases de escape abandonan el cilindro espontáneamente por la presión elevada en su interior. Después, antes de que el émbolo llegue al PMI, se inicia la apertura de admisión. Ahora, la presión en el cilindro debe haber caído lo suficiente como para que se pueda efectuar el barrido. El proceso de barrido continúa con el émbolo llegando al PMI e iniciando carrera hacia el PMS, permaneciendo todavía tanto la admisión como el escape abiertos. Cuando está bien avanzada la carrera, se cierran las válvulas o lumbreras  de admisión y escape. Una vez terminado el proceso de barrido, se inicia el proceso de compresión efectivo, quedando menos de una carrera completa.

     El émbolo no realiza ningún trabajo para expulsar los gases quemado, es preciso que la presión de en el conducto de admisión sea mayor que la presión en el escape.

     Para introducir los gases frescos en el cilindro es necesario que utilizar un compresor o el cárter del propio motor, que hace de compresor. En el primer caso la lumbrera por la que entran los gases frescos al cilindro se llama lumbrera de admisión. En el segundo caso,son en los motores de barrido por cárter, coexisten dos tipos de lumbreras, la de admisión situada en el cárter del motor y la de transferencia que comunica el cárter con el cilindro. En este último caso, mientras el émbolo se desplaza desde el PMI al PMS, se abre la lumbrera de admisión y entran gases frescos al cárter. Una vez el émbolo en el PMS se cierra la lumbrera de admisión y comienzan a comprimirse  los gases introducidos en el cárter hasta que el émbolo abre la lumbrera de transferencia y comienzan a pasar gases desde el cárter hasta el cilindro.

El de la izq. es con lumbreras y el de la derecha con válvulas

     Según el orden en que se cierran las lumbreras, los motores de 2 tiempos se pueden clasificar en motores de barrido simétrico, aquellos en los que la apertura y cierre de las lumbreras están controladas por la apertura del pistón; y motores de barrido asimétrico, que suele ser más eficaz y se consigue por la utilización de válvulas accionadas por un mecanismo de distribución, parecido a los motores de 4 tiempos, o en el caso de motores con barrido por cárter, independizando la apertura de las lumbreras de admisión de la posición del pistón, mediante válvulas rotativas o de láminas.

     Presión de admisión

     Dependiendo de la presión con que se introducen los gases frescos al cilindro tenemos:

• Motores de aspiración natural (NA): los gases frescos entran en el cilindro inducidos por la succión creada por el movimiento del émbolo cuando se desplaza del PMS al PMI. El valor medio de la presión en los conductos de admisión (presión de admisión) es menor que la presión atmosférica, debido a la caída de presión por fricción en el flujo de aire.
• Motores sobrealimentados: se utiliza un compresor para aumentar la presión de admisión por encima de la atmosférica, forzando la entrada de gases frescos al cilindro. El objetivo es aumentar la densidad del aire en el colector de admisión para quemar mayor cantidad de combustible o igual cantidad pero en mejores condiciones. Consecuencia, podemos aumentar la potencia, el rendimiento o reducir las emisiones de los MEC.

Motores sobrealimentados, el de la izq. con turbocompresor y el otro por accionamiento mecánico

          El compresor de sobrealimentación puede ser arrastrado mecánicamente por el cigueñal o por trabajo mecánico de la turbina acoplada, que aprovecha la energía térmica de los gases de escape.

          Por tanto, por la compresión aumenta la temperatura del aire de admisión, para aumentar la masa de aire admitida, es normal añadir entre el compresor y el motor un intercambiador de calor para enfriar y el aire, aumentando su densidad.

          La presión a la salida del compresor (grado de sobrealimentación) está limitada por el esfuerzo mecánico que las piezas pueden soportar debido a las mayores presiones en el cilindro durante el ciclo. En los MEP, a una presión muy alta puede aparecer el fenómeno de autoencendido o combustión detonante, por tanto el grado de sobrealimentación es menor que en los MEC.

     Tipo de refrigeración

     El sistema de refrigeración es necesario para limitar los esfuerzos térmicos, deformaciones y temperaturas, y puede ser por aire, líquida o mixta.

• Motores refrigerados por aire: el aire ambiente del fluido extrae el calor de las paredes del motor, por lo que hay que ampliar la superficie de transferencia mediante el empleo de aletas. Usamos ventiladores para forzar al aire a circular por las aletas, en caso de ser necesario.

Como puede apreciarse se emplean aletas

• Motores refrigerados por líquido: el líquido se hace circular mediante una bomba por canales internos en el motor, y se usa un intercambiador de calor para volver a enfriar el líquido, con aire ambiente o agua.

     Número y disposición de los cilindros

     Cuando tengamos el tamaño de cada cilindro, el número de cilindros vendrá dado, entre otras cosas, por la potencia a obtener. Cuanto mayor sea el número de cilindros, mejor será su equilibrado y regularidad de marcha.

     Los cilindros se pueden agrupar de diferentes formas y orientaciones, siendo las más comunes en línea, en V, cilindros opuestos (boxer); aunque también hay otras como en estrella, en W, en H...

     En los motores en línea los ejes del cilindro están situados en el mismo plano y son paralelos entre sí. En los motores en V, los ejes están contenidos en 2 planos y son paralelos en cada uno de los planos, cortándose en la línea coincidente con el eje del cigueñal.
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