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Principios básicos de la combustión interna

Para abordar el funcionamiento del motor debemos conocer los principios que generan su movimiento.  Cómo se logra transformar la energía en movimiento y ese movimiento en la fuerza que hace mover el automóvil. Los principios que hacen que el motor funcione son el ciclo térmico de Otto, el mecanismo biela manivela y una reacción química que se transforma en energía mecánica.

El mecanismo biela manivela

Este mecanismo transforma el movimiento circular en movimiento rectilíneo alternativo.

El sistema esta constituido por un elemento giratorio denominado manivela, conectado a una barra rígida llamada biela, de modo que cuando gira la manivela, la biela está forzada a avanzar y retroceder sucesivamente.

Es un sistema reversible, lo que quiere decir que también puede funcionar para convertir un movimiento lineal alternativo en otro de giro, como en el caso de un pistón dentro del cilindro en el motor de un automóvil, donde la manivela se ve obligada a girar.

En el automóvil la manivela es el cigüeñal y la palanca es la biela.

Reacción química

La relación entre el aire y combustible varía constantemente en el motor. La proporción se calcula dependiendo del peso.

Proporción de mezcla = aire atmosférico en gramos/consumo de gasolina en gramos

La mezcla ideal de combustible es de 14,7 gramos de aire por 1 gramo de combustible. Sin embargo, los motores de pistón no son capaces de crear condiciones de homogeneidad entre aire y combustible, por lo que los fabricantes varían sus diseños a fin de lograr una mezcla homogénea. El desempeño de un motor varía de acuerdo a la relación de mezcla que utiliza. Si un motor funciona a velocidad constante y variamos la proporción de aire combustible que lo alimenta, su potencia varía. En síntesis, lo que debemos saber es que esta reacción química se transforma en energía mecánica o en potencia.

Ciclo de Otto (cuatro tiempos)

Descubierto por Nicolás Otto en 1872, el ciclo Otto consta de cuatro tiempos. Para entender el funcionamiento del ciclo Otto, debemos conocer algunos términos que indican la posición del pistón.  (PMI) Punto Muerto Inferior: sucede cuando el pistón se encuentra en la parte inferior del cilindro. (PMS) Punto Muerto Superior: sucede cuando el pistón se encuentra en la parte superior del cilindro. El movimiento del pistón entre el p.m.i y el p.m.s se denomina carrera.

El ciclo teórico de Otto consta de cuatro tiempos (admisión, compresión, expansión (energía) y escape) y  el proceso se inicia con la mezcla homogénea de aire combustible que ingresa ya sea por el carburador, o el cuerpo de aceleración. La mezcla obtenida se inicia por un sistema de encendido eléctrico generador por la bujía, el cual se realiza de forma temporizada o controlada.

En el interior del cilindro la mezcla se inflama y el calor generado por la combustión provoca un incremento en la presión de los gases comprimidos originando un trabajo a través del pistón, la biela y el cigüeñal. Los gases quemados son expulsados por el tubo de escape y se sustituyen por una nueva cantidad de mezcla después de cada carrera de combustión.

Primero tiene lugar el golpe de admisión. Aquí el pistón desciende en el cilindro, creando una succión que arrastra una mezcla de combustible y aire en la válvula de admisión. Cuando el pistón alcanza el punto mas bajo del golpe, vuelve hacia arriba, dando comienzo al golpe de compresión en el que las válvulas se cierran y el pistón comprime la mezcla de combustible y aire (que no puede escapar). Esto hace que la mezcla de combustible y aire se haga mas densa y sea capaz de liberar gran cantidad de energía cuando la mezcla se enciende. Antes de que el pistón llegue a lo mas alto de su golpe, la bujía enciende la mezcla, dando inicio al golpe de energía, en el que los gases que se desprenden elevan la presión del cilindro y este empuja el pistón hacia abajo en el alesaje. La fuerza sobre el árbol del cigüeñal, cada vez que la energía del golpe empuja hacia abajo, es la que hace que el motor funcione. Cuando el pistón llega al fondo de su golpe, la energía del cilindro ya se ha ido y el pistón vuelve de nuevo hacia arriba, en lo que se llama el golpe de escape. El cilindro contiene gases de residuo que deja la combustión, y cuando la válvula de escape se abre durante el golpe, estos gases son expulsados del cilindro y pasan por la válvula de escape (al sistema de escape) mientras el pistón se levanta. Con ello se limpia el cilindro y se prepara para el siguiente golpe de admisión, dando comienzo a otro ciclo de cuatro golpes de admisión-compresión-energía-escape. O de una manera más llana – “chupar-exprimir-explotar-soplar”.

¿Cómo funciona?

La relación que existe entre los mecanismos en conjunto con la reacción química y el ciclo térmico de Otto, son los factores que conllevan a la transformación de la energía química en energía mecánica. La mezcla aire combustible reacciona con la chispa generando un movimiento rectilíneo en el pistón, que es transformado en un movimiento circular en el cigüeñal.