Rendimientos de un motor

Los motores alternativos más empleados en el automóvil, son los que funcionan en el ciclo de cuatro tiempos, los de encendido por chispa (explosión). En los motores de explosión, el combustible puede hacerse llegar al cilindro por mediación del carburador, que realiza y dosifica la mezcla de aire y combustible.

RENDIMIENTO

La parte de energia suministrada al motor que no aparece en forma de trabajo mecánico, se pierde en forma de calor. Supongamos un motor que está funcionando y conservemos lo que pasa en un cilindro:

Expansión: Dado que la combustión se produce en un tiempo muy corto, podemos admitir que todo el calor se emplea en elevar la temperatura y, por consiguiente, la presión de los gases. El pistón desciende empujado por esta presión permitiendo la dilatación del gas; pero durante este periodo de tiempo hay intercambio de calor entre los gases, cuya temperatura es de unos 2000 ºC, y las paredes de los cilindros, que están aproximadamente a 100 ºC. Este intercambio es tanto más importante, cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas, superficie de las paredes y tiempo que dura dicho intercambio.

Escape: Antes de finalizar esta carrera, la válvula de escape se abre y los gases salen al exterior. Al comienzo de este tiempo, los gases poseen aún una temperatura bastante elevada, pues solamente han cedido calor por expansión y por perdida a través de las paredes. El resto de su energia se pierde, pues, en el transcurso de esta carrera.

Para reducir esta perdida al mínimo, se ha de procurar enfriar los gases cuantos sea posible, pero de una manera útil, puesto que la perdida es la misma si el calor es disipado por los gases a la atmósfera, o bien cedido a las paredes. La manera útil de enfriarlos es aumentar la carrera de expansión.

El escape influye, además, de otra manera sobre el rendimiento, influencia que se traduce, no en una perdida de calor, sino en una disminución de la energia cinética del émbolo. Al retroceder este en su carrera, ha de vencer la contrapresión que se produce en el cilindro y en el tubo de escape, de donde se deduce que es necesario reducir dicha contrapresión.

Aspiración: Durante este tiempo, al igual que en el de escape, la energia cinética del embolo disminuye, toda vez que este ha de vencer la depresión que existe en el cilindro, por cuya causa, como en el caso del escape, hay que reducir todo lo posible dicha depresión.

De otra parte, al ponerse el gas en contacto con las paredes calientes del cilindro, aumenta la temperatura, por lo cual, debe procurarse favorecer dicho calentamiento, prolongándolo cuanto sea posible. Como no cabe pensar en aumentar la carrera de aspiración y, de otra parte, no es conveniente enfriar mucho las paredes del cilindro, como ya vimos al tratar el tiempo de expansión, será preciso calentar el gas antes de su entrada en el cilindro.

Compresión: El trabajo empleado en comprimir el gas antes de la combustión, reduce indudablemente el trabajo disponible. Sin embargo, para aumentar el rendimiento, no es necesario disminuir la compresión, sino todo lo contrario.

Por una parte, el gas se calienta al ser comprimido y esta energia aparece durante el periodo útil del ciclo. De otra parte, es evidente que al final de la compresión interesa obtener una presión tan elevada como sea posible, y esta es tanto mas elevada, cuanto mayor sea la cantidad de combustible quemado en un recinto dado.

Para concentrar sobre él embolo en una gran masa de gases explosivos, bastara adoptar una compresión elevada.

Encendido: Finalmente, para obtener una combustión rápida (cuyo resultado es una presión final elevada), hay que emplear un encendido intenso.

En resumen, las condiciones que se requieren para obtener un rendimiento elevado son:

  • Mantener los cilindro a elevada temperatura
  • Reducir en lo posible la duración de la expansión
  • Disminuir la superficie de las paredes
  • Aumentar la carrera de la expansión
  • Reducir al máximo la contrapresión en el tiempo de escape.
  • Reducir al máximo la depresión en el tiempo de aspiración
  • Calentar el gas antes de introducirlo en el cilindro.
  • Adoptar una compresión elevada
  • Emplear un encendido intenso

RENDIMIENTO MECANICO

El trabajo perdido en la transmisión, desde él embola al arbol motor, se emplea ya en vencer rozamientos y en mover los órganos accesorios del motor.

Funciones accesorias: El movimiento de los mecanismos que las realizan, absorbe necesariamente una parte del trabajo producido por el motor. El generador, las bombas de agua y aceite y el ventilador, restan una potencia al motor nada despreciable.

Sistema de escape: La instalación necesaria para la evaluación al exterior de los gases quemados, requiere un cuidadoso estudio en cuanto a la longitud y sección de paso se refiere, para evitar una resonancia acentuada y una perdida de potencia. La tubería de escape no debe presentar estrechamiento alguno y su sección debe ser suficiente.

Rozamiento: Los rozamientos a vencer son los que más influyen sobre el rendimiento mecanico. Los segmentos, aplicándose como resortes contra las paredes del cilindro, ejercen una presión que no puede ser inferior a cierto valor, si se quieren evitar perdidas de compresión por fugas de gases hacia el cárter entre ellos y las paredes. Se reduce el rozamiento al mínimo engrasando todas lo posible ambas piezas.

El émbolo roza, asimismo, en el interior del cilindro, contra el cual ejerce una fuerte presión debido a determinadas posiciones de la biela. La oblicuidad de esta puede disminuirse en el momento más perjudicial, es decir, durante la carrera de expansión, descentrando convenientemente el motor, como ya se verá.

Los cojinetes de apoyo del cigüeñal y de las propias bielas, producen un rozamiento elevado, que puede ser disminuido grandemente engrasando convenientemente estas uniones.

BALANCE TERMICO

Después de lo expuesto, aparece claro que solamente una pequeña parte de la energia calorífica del combustible quemado en un motor, se transforma en energia mecanica. El resto se dispersa de diversas formas. La figura 1.26 muestra el balance térmico de un motor de características medias, donde puede observase que el 100% del poder calorífico del combustible, se pierde un 20% en el agua de refrigeración, un 35% en el escape y un 15%en rozamientos mecánicos y resistencias pasivas. Queda, pues, un 30% de calorías útiles de las que puede disponerse para propulsar el vehículo.

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