Funcionamiento y Clasificación de Motores Alternativos

Ciclo de 4 Tiempos

El motor de ciclo de cuatro tiempos requiere cuatro carreras del pistón para completar un ciclo termodinámico.

1. Primer tiempo: Admisión
   El pistón desciende desde el Punto Muerto Superior (PMS), creando un vacío en el cilindro. Esto provoca la aspiración de aire (motores diésel) o mezcla aire-combustible (motores Otto) a través de la válvula de admisión, que permanece abierta.
2. Segundo tiempo: Compresión
   Al llegar el pistón al Punto Muerto Inferior (PMI), la válvula de admisión se cierra. El pistón comienza a subir nuevamente, comprimiendo la carga (aire o mezcla) hasta alcanzar el PMS.
3. Tercer tiempo: Expansión (o Combustión/Trabajo)
   Instantes antes de que finalice la carrera de compresión, se produce la inflamación del combustible (por chispa en Otto, por autoignición en Diésel), generando un rápido aumento de presión y temperatura. La fuerza de los gases en expansión empuja el pistón hacia abajo, desde el PMS al PMI, produciendo trabajo útil.
4. Cuarto tiempo: Escape
   Una vez que el pistón llega al PMI, se abre la válvula de escape. El pistón asciende de nuevo hacia el PMS, expulsando los gases de la combustión al exterior a través de la válvula de escape abierta. Al llegar al PMS, la válvula de escape se cierra y la de admisión se abre, iniciando nuevamente el primer tiempo.

Motor de 2 Tiempos

El motor de ciclo de dos tiempos completa el ciclo termodinámico en solo dos carreras del pistón (una vuelta del cigüeñal).

1. Primer tiempo (Expansión/Escape/Admisión)
   Cuando el pistón está cerca del PMS, se produce la inflamación de la mezcla. Los gases se expanden, empujando el pistón hacia abajo. Durante este descenso, el pistón descubre primero la lumbrera de escape, por donde salen los gases quemados (impulsados por su propia presión), y luego la lumbrera de transferencia (o admisión al cilindro). Simultáneamente, el descenso del pistón comprime la mezcla fresca previamente admitida en el cárter. Esta mezcla precomprimida entra al cilindro a través de la lumbrera de transferencia, ayudando a barrer los gases quemados restantes hacia el escape.
2. Segundo tiempo (Admisión al Cárter/Compresión)
   El pistón comienza a subir desde el PMI. Al ascender, cierra primero la lumbrera de transferencia y luego la de escape. A partir de ese momento, comienza la compresión de la mezcla fresca atrapada en el cilindro, hasta que el pistón alcanza el PMS. Al mismo tiempo, el movimiento ascendente del pistón crea un vacío en el cárter, lo que permite la entrada de nueva mezcla fresca desde el carburador (o sistema de admisión) a través de la lumbrera de admisión al cárter (a menudo controlada por el propio pistón o una válvula de láminas).

Ciclos Termodinámicos Teóricos

Ciclo Otto (Motores de Encendido Provocado – MEP)

Representa el ciclo ideal para los motores de gasolina:

• Tramo 0-1: Admisión (isobárica, a presión atmosférica idealmente).
• Tramo 1-2: Compresión adiabática de la mezcla aire-combustible.
• Tramo 2-3: Aporte de calor a volumen constante (simula la combustión instantánea por chispa). Aumenta la presión y temperatura.
• Tramo 3-4: Expansión adiabática (carrera de trabajo).
• Tramo 4-1: Cesión de calor a volumen constante (simula la apertura de la válvula de escape y caída de presión).
• Tramo 1-0: Escape (isobárico, a presión atmosférica idealmente).

Ciclo Diesel (Motores de Encendido por Compresión – MEC)

Representa el ciclo ideal para los motores diésel:

• Tramo 0-1: Admisión (isobárica, solo aire).
• Tramo 1-2: Compresión adiabática del aire (a mayor relación de compresión que en Otto).
• Tramo 2-3: Aporte de calor a presión constante (simula la inyección y combustión gradual del diésel mientras el pistón empieza a bajar).
• Tramo 3-4: Expansión adiabática (carrera de trabajo).
• Tramo 4-1: Cesión de calor a volumen constante.
• Tramo 1-0: Escape (isobárico).

Sistemas Auxiliares: Lubricación y Refrigeración

Lubricación

La lubricación es esencial para reducir la fricción y el desgaste entre las piezas móviles del motor. Generalmente se realiza mediante un circuito de aceite a presión.

• El aceite se encuentra en un depósito, normalmente situado en la parte inferior del motor, denominado cárter.
• Una bomba de aceite lo succiona del cárter y lo impulsa a través de conductos y filtros.
• El aceite a presión llega a puntos críticos como cojinetes del cigüeñal, bielas, árbol de levas, y paredes del cilindro, creando una película lubricante.

Refrigeración

La combustión genera altas temperaturas que deben ser controladas para evitar daños al motor. Los sistemas de refrigeración disipan el exceso de calor.

• Refrigeración por aire:
  • Típica en motores pequeños (motocicletas, maquinaria ligera).
  • El bloque motor y la culata disponen de aletas que aumentan la superficie de contacto con el aire.
  • El enfriamiento se produce por la corriente de aire generada por el movimiento del vehículo o forzada por un ventilador.
• Refrigeración por líquido (agua/anticongelante):
  • La más común en automóviles.
  • Los cilindros y la culata están rodeados por cámaras (camisas de agua) por donde circula un líquido refrigerante.
  • El líquido caliente circula hacia un radiador, donde transfiere calor al aire exterior (el flujo de aire puede ser natural o forzado por un ventilador).
  • Un termostato regula la temperatura del refrigerante, controlando su paso hacia el radiador.

Principios de Funcionamiento de Circuitos Frigoríficos

Componentes Principales de una Instalación Frigorífica por Compresión de Vapor

1. Compresor: Es el corazón del sistema. Aspira el refrigerante en estado de vapor a baja presión y baja temperatura desde el evaporador. Lo comprime, aumentando significativamente su presión y temperatura, y lo descarga hacia el condensador.
2. Condensador: Es un intercambiador de calor donde el refrigerante, en estado de vapor a alta presión y alta temperatura, cede calor al medio exterior (aire o agua). Al enfriarse, el refrigerante se condensa, pasando a estado líquido a alta presión. En los sistemas enfriados por aire, éste puede circular de forma natural o forzada por un ventilador. En los enfriados por agua, existen diversos tipos (tubos concéntricos, carcasa y tubos, etc.).
3. Elemento de Expansión: Dispositivo (válvula de expansión termostática, tubo capilar, etc.) que recibe el refrigerante líquido a alta presión desde el condensador. Provoca una caída brusca de presión, lo que causa una fuerte bajada de la temperatura del refrigerante y su evaporación parcial. Regula el flujo de refrigerante hacia el evaporador.
4. Evaporador: Otro intercambiador de calor, situado en el espacio que se desea enfriar. El refrigerante (mezcla líquido-vapor a baja presión y baja temperatura) absorbe calor del entorno (el aire del recinto, agua, etc.). Al absorber calor, el refrigerante hierve (se evapora) a temperatura y presión constantes, pasando completamente a estado de vapor a baja presión antes de ser aspirado de nuevo por el compresor, cerrando el ciclo.

Sistemas de Refrigeración por Gas (Ciclo Brayton Inverso)

Utilizan un gas (como el aire) que permanece en estado gaseoso durante todo el ciclo. Un ciclo ideal consta de:

1. Expansión adiabática (1-2): El gas a alta presión (p1) se expande en una turbina hasta una baja presión (p2), enfriándose considerablemente y produciendo trabajo.
2. Absorción de calor a presión constante (2-3): El gas frío (a p2) pasa por el intercambiador de calor del espacio a refrigerar, absorbiendo calor y aumentando su temperatura, pero manteniendo la presión constante.
3. Compresión adiabática (3-4): El gas (a p2, pero ahora más caliente) se comprime en un compresor hasta la presión inicial (p1), aumentando su temperatura. Requiere aporte de trabajo.
4. Cesión de calor a presión constante (4-1): El gas caliente (a p1) pasa por un enfriador (intercambiador con el ambiente), cediendo calor al exterior a presión constante, volviendo a sus condiciones iniciales.

Sistemas de Refrigeración por Compresión de Vapor (Ciclo Rankine Inverso)

Es el ciclo más común en refrigeración y aire acondicionado. Opera entre un foco frío (evaporador) y un foco caliente (condensador), utilizando un refrigerante que cambia de fase.

1. Compresión adiabática (1-2): El compresor toma vapor saturado (o ligeramente sobrecalentado) a baja presión (Pa, del evaporador) y lo comprime hasta una alta presión (Pb, del condensador). El vapor se sobrecalienta. Consume trabajo.
2. Cesión de calor a presión constante (2-3): El vapor sobrecalentado a alta presión entra en el condensador. Cede calor al ambiente (foco caliente), primero enfriándose hasta la saturación y luego condensándose a presión y temperatura constantes (Pb, Tb) hasta convertirse en líquido saturado.
3. Expansión isoentálpica (3-4): El líquido saturado a alta presión (Pb) pasa a través de la válvula de expansión. Su presión cae bruscamente hasta la presión del evaporador (Pa), y su temperatura desciende hasta la temperatura de saturación correspondiente (Ta). Sale como una mezcla de líquido y vapor a baja temperatura. No se produce ni consume trabajo neto.
4. Absorción de calor a presión constante (4-1): La mezcla fría de líquido y vapor entra en el evaporador. Absorbe calor del espacio a refrigerar (foco frío) a presión y temperatura constantes (Pa, Ta). El líquido se evapora completamente, convirtiéndose en vapor saturado (o ligeramente sobrecalentado) listo para ser aspirado por el compresor nuevamente.