Casi todos los autos de hoy utilizan combusti�n interna rec�proca porque esas m�quinas son relativamente eficientes (comparados con m�quinas de combusti�n externa), relativamente baratas (comparadas a las turbinas de gas) y relativamente f�cil de cargar (comparada a un auto el�ctrico). Esas ventajas sobresalen para mover un auto.
Para entender el motor de un auto debe entender c�mo funciona la combusti�n interna en un motor de pistones.
COMBUSTION INTERNA
Para entender la idea b�sica detr�s de c�mo funciona un motor de combusti�n interna rec�proca, imagine el siguiente aparato. Digamos que se toma un pedazo de tuber�a de pl�stico, tal vez de 3 pulgadas de di�metro y 3 pies de largo. Digamos que se coloca una tapa en un extremo. En ese extremo se hizo un peque�o hueco, y a trav�s de �l se introdujo algo como una buj�a o algo que pueda crear una chispa. Digamos entonces que se roc�a un poco de gasolina. Por �ltimo colocamos una Papa (o algo as�) dentro del tubo. As�:
�No recomiendo que haga esto!, pero digamos que s�. Lo que obtendr�amos ser�a un aparato conocido cumunmente como un "ca�on de papas". Lo interesante, y la raz�n de porqu� se tiene en cuenta tal aparato, es que este puede lanzar una papa a una distancia de 700 pies (cas� 2 campos de football)! El ca�on de papas utiliza el pricipio b�sico de las m�quinas de combusti�n interna: Si se coloca una peque�a cantidad de combustible de alta energ�a (como la gasolina) en un peque�o, y cerrado espacio y lo enciende, una increible cantidad de energ�a es despedida en forma de gas expandi�ndose. Puede utilizar esa energ�a para propulsar una papa a 700 pies. Es este caso la energ�a es transformada en el movimiento de la papa. Puede utilizarlo tambi�n para otros prop�sitos. Por ejemplo, si pudiera crear un ciclo que le permitiera ejecutar explosiones como esta cientos de veces por minuto, y si pudiera utlizar esa energ�a de manera eficiente, lo que ha obtenido es la idea del motor de un auto.
Casi todos los autos de hoy utilizan lo que es llamado un ciclo de combusti�n de cuatro tiempos para convertir gasolina a movimiento. El ciclo de cuatro tiempos tambi�n es conocido como ciclo de Otto, en honor a Nikolaus Otto quien lo invent� en 1867. El ciclo es ilustrado en la siguiente figura. Estos son:
- Succi�n.
- Compresi�n.
- Encendido.
- Descarga.
Puede observar en la figura que un dispositivo llamado pist�n reemplaza a la papa en el ca��n. El pist�n est� conectado a una polea que rota mediante una biela. Mientras se rota, se obtiene el efecto de "resetear el ca��n". As� que el pist�n comienza otra vez, la v�lvula de succi�n se abre y el pist�n baja para dejar que el motor tome aire y gasolina mediante un cilindro durante el proceso de succi�n. S�lo una peque�a gota de gasolina se necesita para ser mezclada con el aire para que funcione. Entonces el pist�n se regresa para comprimir esta mezcla de aire / combustible. La compresi�n hace que la explosi�n sea m�s poderosa. Cuando el pist�n alcanza el l�mite superior, se emite una chispa para encender la gasolina. La carga de gasolina en el cilindro explota, haciendo que el cilindro baje. Una vez que el cilindro baj� se abre la v�lvula de descarga y se deja que esta deje el cilindro para ir al tubo de escape. Ahora la m�quina est� lista para el siguiente ciclo, as� que succiona otra carga de gas y...
Note que el movimiento que viene de una combusti�n interna es rotacional, mientras que el movimiento que obtuvo la papa es lineal. En una m�quina el movimiento lineal es convertido a rotacional por la polea. El movimiento rotatorio es conveniente porque deseamos rotar las ruedas del auto como sea. Hasta ahora el concepto ha sido muy simple. Ahora veamos todas las partes que trabajan juntas para hacer esta operaci�n.
PARTES DE UN MOTOR
La figura indica todas las partes en un motor de 4 ciclos simple. He aqu� una simple descripci�n de cada una, adem�s de un vocabulario que le ayudar� a entender de qu� se habla cuando de autos se trata.
- Cilindro:el pist�n se mueve de arriba a abajo dentro del cilindro. El motor descrito aqu� tiene un cilindro. Lo que es t�pico en las m�quinas cortadoras de c�sped, pero los autos tienen m�s de un cilindro (4, 6 y 8 son los m�s comunes). En motores multi-cilindros estos est�n colocados en una de tres formas: en l�nea, en V u opuestos, tal como se muestra:
- Productor de chispa: Este provee la chispa que enciende la mezcla de aire / combustible para que pueda ocurrir la combusti�n. La chispa debe suceder justo en el momento exacto.
- V�lvulas: Las v�lvulas de succi�n y descarga se abren en el instante en que la mezcla entra y cuando sale. Note que las v�lvulas est�n cerradas durante la compresi�n y la combusti�n mientras que la c�mara de combusti�n est� sellada.
- Pist�n: un pist�n es una pieza de metal cil�ndrica que se mueve de arriba a abajo dentro del cilindro.
- Anillos del Pist�n: proveen un sello movible entre los bordes exterior e interior del cilindro. Los anilos sirven para dos prop�sitos 1) Previenen que la mezcla de aire / combustible en la c�mara de combusti�n se filtre durante la compresi�n y combusti�n, y 2) Mantienen al aceite lejos del �rea de combusti�n, donde ser�a quemado. La mayor�a de autos "queman aceite" y se les debe a�adir un cuarto por cada 1000 millas.
- C�mara de combusti�n: esta es el �rea donde la compresi�n y la combusti�n tienen lugar. Mientras el pist�n se mueve de arriba a abajo, puede ver que el tama�o de la c�mara de combusti�n cambia. Tiene un volumen m�ximo y un m�nimo. La diferencia entre el m�ximo y el m�nimo es llamada desplazamiento, y es medida en litros o en cent�metros c�bicos (CC's) donde 1000 cc equivalen a un litro. As� que si tiene un motor de cuatro cilindros y cada cilindro se desplaza medio litro, entonces el motor es "un motor de 2.0 litros". Si cada cilindro se desplaza medio litro y hay 6 cilindros colocados en V tiene un "3.0 litros V6". Generalmente el desplazamiento le dice algo acerca de cu�nto poder tiene un motor. Un cilindro que desplace medio litro puede almacenar el doble de aire / combustible que desplaza un cuarto de litro, y por ello se esperar� cerca del doble de poder del cilindro m�s grande (si todo lo dem�s es igual). As� que un motor 2.0 litros es la mitad de poderoso que uno 4.0 litros. Puede obtener mayor desplazamiento incrementando el n�mero de cilindros o agrandando la c�mara de combusti�n (o los dos).
- Conector: conecta el pist�n a la polea. Puede rotar y moverse para que la polea ruede.
- Polea: hace que el movimiento de arriba a abajo de pist�n se transforme en un movimiento circular.
SUBSISTEMAS DEL MOTOR.
- Sistema de lubricaci�n: asegura que en cada movimiento del motor �ste reciba aceite para que se puedar mover con facilidad. Las dos principales cosas que necesitan aceite son los pistones (para que se puedan deslizar f�cilmente en su cilindro) y la polea para que pueda rotar libremente. En la mayor�a de los autos el aceite es succionado por una bomba, corre hacia el filtro para quitarle impurezas, y luego lanzado en chorritos a las paredes del cilindro. El aceite usado es recolectado y utilizado para repetir el ciclo.
- Sistema del combustible: bombea gasolina desde el tanque y lo mezcla con aire para que pueda ir a los cilindros. Hay tres maneras comunes de repartir el combustible: carburaci�n, inyecci�n directa e inyecci�n de puerto. En la carburaci�n un aparato llamado carburador mezcla gas con aire y lo env�a al motor. Para motores de inyecci�n de combustible (fuel inyection) el combustible es inyectado individualmente a cada cilindro justamente a la v�lvula de succi�n (inyecci�n de puerto) o directamente en el cilindro (inyecci�n directa).
- Sistema de descarga: incluye el tubo de escape y el mofle. Sin un mofle lo que se escuchar�a es el ruido de muchas peque�as explosiones que vienen al escape. Un mofle reduce el sonido.
- Tren de v�lvulas: se consta de las v�lvulas y un mecanismo que las abre y cierra. El sistema de abrir y cerrar es llamado �rbol de levas. El �rbol de levas tiene mecanismos que mueven las v�lvulas de arriba a abajo, como se muestra en la figura. La mayor�a de motores modernos tienen lo que es llamado �rbol de levas superior. Esto significa que el �rbol de levas est� ubicado sobre las v�lvulas. El �rbol de levas activa las v�lvulas directamente mediante una uni�n muy breve. Los motores m�s antiguos utilizan un �rbol de levas ubicado en un sumidero cerca a la polea.
- Sistema de encendido: produce un alto voltaje el�ctrico y lo transmite al productor de chispas por medio de cables de encendido. La carga primero va a un distribuidor, el cual se puede encontrar f�cilmente bajo el cap� de la mayor�a de los autos. El distribuidor tiene un cable central y 4, 6 � 8 cables (dependiendo del n�mero de cilindros) adicionales. Esos cables de encendido env�an la carga a cada generador de chispa.
- Sistema de enfriamiento: en la mayor�a de los autos se consta del radiador y una bomba de agua. El agua que circula por pasages alrededor del cilindro y viaja al radiador para enfriarlo. En unos cuantos autos (m�s notablemente en los Volkswagen Beetles), as� como en las motocicletas y podadoras, el motor est� sometido a aire fr�o. El aire fr�o hace que la m�quina no se caliente demasiado.
- Sistema de succi�n de aire: en la mayor�a de los autos el aire fluye a trav�s de un filtro directo a los cilindros. Las m�quinas de alto desempe�o est�n turbo cargadas o s�per cargadas, haciendo que el aire que llegue a la m�quina sea primero presurizado (as� que m�s mezcla de aire / combustible puede ser metida en cada cilindro) para incrementar la eficiencia. La cantidad de presurizaci�n es llamada "empuj�n". Los turbo cargadores utilizan una peque�a turbina atada al tubo de escape que activa una turbina compresora en el flujo de aire entrante. Los s�per cargadores est�n atados directamente al motor para activar el compresor.
- Sistema de arranque: se consta de un motor encendedor el�ctrico y un solenoide. Cuando se voltea la llave en el encendedor el motor de arranque rota el motor unas pocas revoluciones para que el proceso de combusti�n pueda comenzar. El arranque debe superar: 1) toda la fricci�n interna causada por los anillos del pist�n, 2) la presi�n de compresi�n de cualquier cilindro, 3) la energ�a necesitada para abrir y cerrar v�lvulas con el �rbol de levas, y 4) todas las otras cosas relacionadas a la m�quina como la bomba de agua, de aceite, alternador, etc. Debido a esto se necesita mucha energ�a y ya que un auto utiliza un sistema el�ctrico de 12 voltios, cientos de amperios de electricidad deben correr en el motor de encendido. El solenoide es esencialmente un gran switch electr�nico que puede soportar tal corriente. Cuando se acciona la llave se activa el solenoide para alimentar el motor.
- Sistema de control de emisiones: se consta de un convertidor catal�tico, una colecci�n de censores y accionadotes, y una computadora para ajustar todo. Por ejemplo, el convertidor catal�tico utiliza un catalizador y ox�geno para quemar cualquier combustible sin uso y otros qu�micos en la descarga. Un sensor de ox�geno verifica que haya suficiente disponible para que el catalizador trabaje y ajusta las cosas si es necesario.
- Sistema el�ctrico: se consta de una bater�a y un alternador. EL alternador est� conectado al motor por un cintur�n y genera electricidad para recargar la bater�a. La bater�a genera 12 voltios de poder para todo lo que en el auto necesita electricidad (sistema de arranque, radio, luces, vidrios el�ctricos, asientos el�ctricos, computadoras, etc.) a trav�s del cableado del veh�culo.
Fidel Cruz N. Estudiante de Ing. Mecanica Mexico 2000