En las máquinas térmicas de combustión interna, como su nombre indica, la combustión ocurre dentro de la máquina. Los combustibles utilizados deben ser gases o líquidos vaporizados para poder ser introducidos con facilidad en el interior de la máquina. También se les denomina alternativas porque emplean un sistema de biela-manivela para convertir el movimiento alternativo de vaivén del émbolo en rotatorio.
Según la clasificación del primer apartado, existen dos tipos: de encendido por chispa y de encendido por compresión.
A. Máquinas térmicas alternativas de encendido por chispa
La máquina de combustión interna alternativa más utilizada es el motor de cuatro tiempos que sigue el ciclo Otto. Los motores de cuatro tiempos (4T) emplean gasolina como combustible y convierten la energía térmica en mecánica, provocando un impulso en el pistón que transforma su movimiento alternativo en circular mediante un mecanismo de biela-manivela. A continuación, se explica el funcionamiento del motor de cuatro tiempos:
- Tiempo de admisión: El pistón desciende, creando una depresión dentro del cilindro que permite la entrada de aire filtrado y a veces calentado.
- Tiempo de compresión: El pistón asciende comprimiendo el aire hasta poco antes de alcanzar el PMS (Punto Muerto Superior), lo que aumenta la presión y la temperatura.
- Tiempo de explosión: Justo antes del PMS, la mezcla de aire y combustible es encendida por una chispa en la bujía, causando una explosión que empuja el pistón hacia abajo.
- Tiempo de escape: El pistón asciende nuevamente, abriendo las válvulas de escape y expulsando los gases quemados.
Fórmulas del ciclo Otto:
En el ciclo Otto, el motor realiza un ciclo de compresión y expansión. Las principales fórmulas relacionadas con los motores de combustión interna son:
- Relación de compresión (r):r=VcimaVmuertor = \frac{V_{\text{cima}}}{V_{\text{muerto}}}r=VmuertoVcimaDonde:
- VcimaV_{\text{cima}}Vcima es el volumen en el punto muerto superior.
- VmuertoV_{\text{muerto}}Vmuerto es el volumen en el punto muerto inferior.
- Eficiencia térmica (η\etaη) del ciclo Otto:η=1−1rγ−1\eta = 1 – \frac{1}{r^{\gamma – 1}}η=1−rγ−11Donde:
- rrr es la relación de compresión.
- γ\gammaγ es el índice adiabático (generalmente entre 1.3 y 1.4 para la mayoría de los gases).
- Trabajo realizado durante la expansión:Wexp=Pmaˊxima⋅(Vmaˊximo−Vmıˊnimo)W_{\text{exp}} = P_{\text{máxima}} \cdot (V_{\text{máximo}} – V_{\text{mínimo}})Wexp=Pmaˊxima⋅(Vmaˊximo−Vmıˊnimo)Donde:
- PmaˊximaP_{\text{máxima}}Pmaˊxima es la presión máxima durante la explosión.
- VmaˊximoV_{\text{máximo}}Vmaˊximo y VmıˊnimoV_{\text{mínimo}}Vmıˊnimo son los volúmenes en el ciclo de expansión.
B. Motores de dos tiempos (2T)
En los motores de dos tiempos, los procesos de admisión, compresión, explosión y escape se superponen. Este tipo de motor es más sencillo de construir y más compacto, pero tiene una menor eficiencia y más emisiones debido a la mezcla de gases de escape con la nueva mezcla de combustible.
En el ciclo de dos tiempos, el trabajo se realiza en cada vuelta del cigüeñal, lo que mejora la potencia de salida. Sin embargo, los gases de escape pueden mezclarse con la mezcla de admisión, lo que reduce la eficiencia y aumenta las emisiones.
C. Motores de encendido por compresión o diésel
Los motores diésel no emplean una chispa para iniciar la combustión, sino que esta ocurre por la alta presión y temperatura del aire comprimido en la cámara. Estos motores tienen una mayor relación de compresión y, en consecuencia, mayor eficiencia térmica que los motores de encendido por chispa.
Fórmulas del ciclo diésel:
- Relación de compresión (r_d):rd=VcimaVmuertor_d = \frac{V_{\text{cima}}}{V_{\text{muerto}}}rd=VmuertoVcimaSimilar al ciclo Otto, pero con una relación de compresión más alta, lo que aumenta la temperatura durante la compresión.
- Eficiencia térmica (ηdieˊsel\eta_{\text{diésel}}ηdieˊsel) del ciclo diésel:ηdieˊsel=1−1rdγ−1⋅(T2T1)(T3T4)\eta_{\text{diésel}} = 1 – \frac{1}{r_d^{\gamma – 1}} \cdot \frac{\left( \frac{T_2}{T_1} \right)}{\left( \frac{T_3}{T_4} \right)}ηdieˊsel=1−rdγ−11⋅(T4T3)(T1T2)Donde:
- T2T_2T2, T3T_3T3, T4T_4T4 son las temperaturas en las fases de compresión, combustión y escape.
- rdr_drd es la relación de compresión.
- Trabajo realizado durante la expansión (motor diésel):Wexp=Pmaˊxima⋅(Vmaˊximo−Vmıˊnimo)W_{\text{exp}} = P_{\text{máxima}} \cdot (V_{\text{máximo}} – V_{\text{mínimo}})Wexp=Pmaˊxima⋅(Vmaˊximo−Vmıˊnimo)Similar al ciclo Otto, pero con una mayor presión máxima debido a la alta compresión.
Conclusión:
Los motores de combustión interna, tanto los de encendido por chispa (Otto) como los de encendido por compresión (diésel), utilizan principios termodinámicos similares, pero con diferencias clave en el proceso de ignición y eficiencia. Los motores diésel son más eficientes en términos de consumo de combustible, mientras que los motores Otto ofrecen una mayor suavidad y menor ruido en su operación.
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