Introducción.
Un motor térmico es una máquina que transforma energía térmica en energía mecánica. No es posible transformar el 100% de la energía térmica en energía mecánica.
Según donde tenga lugar la combustión:
• Motores de combustión externa.
Una fuente de energía arde fuera del motor y proporciona energía térmica. El motor transforma una parte de ésta en energía mecánica.
• Motores de combustión interna.
El combustible arde en el interior del motor y proporciona energía térmica. El motor transforma una parte de ésta en energía mecánica. En el año 1885, el ingeniero mecánico Karl Benz hizo funcionar el primer vehículo con un motor de combustión interna. Era una especie de triciclo, el Motorwagen, y lo patentó en 1886.
Según el tipo de movimiento que producen:
• Motores alternativos. Producen directamente movimiento lineal alternativo. Disponen de un mecanismo de biela-manivela que transforma el movimiento rectilíneo alternativo del émbolo o pistón en movimiento circular.
• Motores rotativos. Producen directamente movimiento circular.
Motores térmicos de combustión externa y alternativos.
Máquina de vapor.
Antes de James Watt, ya habían diseñado máquinas que aprovechaban el vapor para conseguir movimiento.
–La eolípila de Herón de Alejandría.
En el siglo I d. C. aproximadamente, el inventor griego Herón de Alejandría diseñó la primera máquina de vapor y la llamó eolípila. Únicamente sirvió como entretenimiento y no se utilizó como motor en procesos de producción. Quemando madera u otro combustible, calentaba agua contenida en un recipiente. El agua se iba transformando en vapor, que subía por unos brazos verticales y llegaba a otro recipiente. Era la eolípila propiamente dicha, y podía dar vueltas sobre un eje. El vapor acababa saliendo por unos pequeños tubos en forma de codo y encarados en sentidos contrarios. Esto hacía que la eolípila girara.
-La marmita de Denis Papin.
En el año 1680, el físico francés Denis Papin diseñó una marmita para cocinar la comida en menos tiempo. Era la predecesora de las ollas a presión. Unos años más tarde, en 1687, presentó una máquina sencilla que conseguía que el agua subiera gracias al fuego. Usando madera como combustible, calentaba agua en un cilindro. El agua se iba transformando en vapor y movía verticalmente un émbolo dentro del cilindro. Si ataba uno de los extremos de una cuerda al émbolo y el otro a un cubo, y la pasaba por una polea, podía sacar agua de un pozo, por ejemplo.
-El amigo del minero de Thomas Savery.
En el año 1698, el ingeniero británico Thomas Savery patentó un dispositivo que bombeaba el agua de las minas. La máquina era conocida como el amigo del minero y la máquina de fuego. Calentaba agua en una caldera para transformarla en vapor. Al abrir una válvula, se hacía circular el vapor por un tubo que lo conducía a un tanque.
-La máquina de vapor de Thomas Newcomen.
En el año 1712, el herrero Thomas Newcomen construyó la primera máquina de vapor atmosférica que funcionaba con pistón.
La idea surgió porque algunos de sus clientes más importantes eran propietarios de minas de estaño y tenían graves problemas con las inundaciones. Newcomen pretendía encontrar una solución que les permitiera extraer el agua de la mina. Pese a que su máquina consumía mucho combustible, se desgastaba fácilmente y tenía un rendimiento bajo, tuvo éxito y fue muy utilizada.
Estructura.
En el año 1769, James Watt patentó su máquina de vapor. Se inspiró en la máquina de Thomas Newcomen, pero introdujo diversas modificaciones.
•La construcción de una cámara de condensación aislada (el condensador) para enfriar el vapor de agua y devolverlo al estado líquido.
•El uso de un cilindro de doble efecto que aceptaba vapor de agua por los dos lados del émbolo alternativamente.
La máquina de vapor de James Watt jugó un papel especialmente destacado en la industria textil británica durante la Revolución Industrial.
-Funcionamiento .
De un modo simplificado, el funcionamiento de una máquina de vapor es el siguiente:
1. Se calienta agua en una caldera hasta transformarla en vapor. Para ello se quema algún combustible.
2. El vapor de agua llega, a través de una válvula, al cilindro donde está el émbolo.
3. El émbolo mueve el mecanismo de transformación del movimiento y produce trabajo.
4. El vapor de agua que ya se ha utilizado se hace pasar por un condensador que lo enfría para convertirlo en agua en estado líquido, que se reenvía a la caldera.
Motores térmicos de combustión externa y rotativos.
Turbina de vapor.
Una turbina de vapor es una máquina térmica que transforma la energía del vapor en movimiento giratorio de una rueda de álabes. Se utilizan para activar los generadores que producen energía eléctrica en centrales térmicas y nucleares, y en grandes buques, para accionar las hélices propulsoras.
-Centrales térmicas.
Las centrales térmicas producen energía eléctrica a partir de energía térmica.
1. Caldera.
Turbina de vapor.
En la caldera se quema el combustible, que puede ser carbón, fuel o gas natural. Mediante la combustión, la energía química se transforma en energía térmica. El calor se utiliza para convertir el agua en vapor a presión y temperatura elevadas.
2. Turbina.
El vapor de agua llega a la turbina, entra en las toberas, se expande, incide sobre los álabes de los rodetes y los obliga a girar.
La turbina lleva asociado un alternador que transforma la energía mecánica de rotación de la turbina en energía eléctrica.
3. Condensador.
Cuando el vapor de agua ya ha cedido la energía a la turbina, se hace pasar por un condensador, que lo devuelve al estado líquido. Una bomba impulsa el agua a la caldera otra vez para que el ciclo vuelva a empezar.
Motores térmicos de combustión interna y alternativos.
De encendido por chispa.
Motor Otto de cuatro tiempos.
El motor Otto de cuatro tiempos es una máquina térmica que transforma el movimiento rectilíneo alternativo de un émbolo en movimiento circular mediante un mecanismo biela-manivela. Funciona con gasolina como combustible.
Elementos básicos.
•Cilindro: Elemento del bloque motor.
•Émbolo o pistón: Elemento móvil que se desplaza por el interior del cilindro, y lo hace entre el punto muerto superior (PMS) y el punto muerto inferior (PMI). Tiene un movimiento rectilíneo alternativo.
•Biela: Elemento que une el émbolo o pistón con el cigüeñal.
•Cigüeñal o manivela: Elemento situado en el cárter. Tiene un movimiento circular.
•Válvulas de admisión y de escape: Permiten la entrada de la mezcla de combustible y aire en el cilindro, y la salida de gases quemados.
•Bujía: Hace saltar entre sus electrodos una chispa que provoca la explosión.
Funcionamiento.
El funcionamiento de un motor Otto de cuatro tiempos puede describirse en cuatro pasos.
1. Admisión.
La válvula de admisión se abre para que una mezcla de combustible y aire entre mientras el pistón baja hasta el PMI.
2. Compresión.
La válvula de admisión se cierra. La inercia del cigüeñal hace que el pistón suba hasta el PMS, lo que provoca que la mezcla de combustible y aire adquiera una presión y una temperatura elevadas, por compresión.
3. Explosión.
En la bujía salta una chispa que provoca la explosión de la mezcla de combustible y aire. El fluido empuja el pistón y hace que vuelva hacia el PMI.
4. Escape.
La válvula de escape se abre mientras el pistón sube hasta el PMS y hace que los gases de la combustión salgan.
Características.
Las principales características :
•Sólo realiza trabajo durante la explosión.
•Durante la admisión, la compresión y el escape, el pistón se mueve gracias a la acción de un volante de inercia. El volante de inercia es una rueda que va unida al cigüeñal o manivela.
Motor de dos tiempos.
El motor de dos tiempos es una máquina térmica que realiza los cuatro pasos del ciclo en dos. La mayoría de los motores de este tipo funcionan con una mezcla de gasolina sin plomo y aceite como combustible.
Se utiliza especialmente en algunos medios de transporte como ciclomotores, quads o embarcaciones .
-Elementos básicos.
• Cilindro→ Elemento del bloque motor.
• Émbolo o pistón→ Elemento móvil que se desplaza por el interior del cilindro, entre el punto muerto superior (PMS) y el punto muerto inferior (PMI). Tiene un movimiento rectilíneo alternativo.
•Biela→ Elemento que une el émbolo o pistón con el cigüeñal.
•Cigüeñal o manivela→ Elemento situado en el cárter. Tiene un movimiento circular.
•Lumbreras de admisión y de escape→ Permiten la entrada de la mezcla de combustible y aire en el cilindro, y la salida de gases quemados. Las lumbreras son unas aberturas que tienen las paredes del cilindro.
•Bujía→ Hace saltar entre sus electrodos una chispa que provoca la explosión.
Funcionamiento
1. Admisión – compresión.
El pistón sube desde el PMI al PMS y deja abierta la lumbrera de admisión. Por la cara inferior del pistón entra la mezcla de aire y combustible, y por la cara superior se comprime.
2. Explosión – escape.
En la bujía salta una chispa que provoca la explosión de la mezcla de combustible y aire. El fluido empuja el pistón y hace que vuelva al PMI, de manera que deja abierta la lumbrera de escape y los gases de la combustión
salen.
Características
Las principales características:
• Es ligero, fácil de construir y económico.
• Desarrolla una potencia mayor que el motor Otto de cuatro tiempos para una misma cilindrada.
• Tiene un rendimiento inferior al motor Otto de cuatro tiempos porque, durante la explosión-escape, una parte de la mezcla de combustible y aire sale por la lumbrera de escape junto a los gases de la combustión.
De encendido por compresión.
-Motor diésel.
El motor diésel o motor de combustión es una máquina térmica que comprime el combustible hasta que alcanza la temperatura que causa la explosión. Funciona normalmente con gasóleo como combustible.
Funcionamiento.
El motor diésel es parecido al de gasolina, pero con algunas diferencias; la principal es que la explosión se consigue por compresión y no necesita chispa. Se fabrica en modelos de dos y cuatro tiempos.
1. Admisión: La válvula de admisión se abre y deja entrar sólo aire mientras el pistón baja hasta el PMI.
2. Compresión: La válvula de admisión se cierra. El pistón sube hasta el PMS. El aire se comprime a una presión muy elevada, de manera que aumenta mucho la temperatura.
3. Explosión: Con las válvulas cerradas, el inyector introduce combustible dentro de la cámara. Se mezcla con el aire comprimido a alta temperatura. En estas condiciones, se
produce espontáneamente la combustión de la mezcla y provoca una explosión muy brusca que hace bajar el pistón hasta el PMI.
4. Escape: La válvula de escape se abre, el pistón sube hasta el PMS y hace que los gases de la combustión salgan.
Cilindrada.
La cilindrada es la suma de los volúmenes útiles –el espacio donde se produce la explosión– de todos los cilindros del motor. Se suele expresar en centímetros cúbicos. En el mundo del motor, los centímetros cúbicos también se expresan muchas veces como cc. Está directamente relacionada con su potencia; de manera que, normalmente, a mayor cilindrada, mayor potencia.
Para calcular el volumen de un cilindro, debemos conocer:
• El área de la sección o el radio (r).
• La altura, que es la distancia entre el PMS y el PMI, y se denomina carrera (c).
Recuerda que:
Vc = πr(elevado al cuadrado)c
Y, como la mayoría de los motores tienen más de un cilindro, la cilindrada total depende del número total de cilindros (n) y se expresa como:
Vc = nπr(elevado al cuadrado)c
Motores térmicos de combustión interna y rotativos.
Motor Wankel.
El motor Wankel es una máquina térmica con un rotor que gira de manera excéntrica en una superficie con forma de ocho u ovalada. El rotor transmite su movimiento de rotación a un cigüeñal que se encuentra en el interior.
Toma su nombre del ingeniero Felix Wankel, que lo diseñó en 1924 y lo patentó en 1929. Nunca ha tenido éxito en el mundo de la automoción y la industria. Actualmente, sólo se utiliza en algunos coches de la marca Mazda, como el Mazda RX8.
Funcionamiento.
El funcionamiento del motor Wankel también puede describirse en cuatro tiempos. En una posición del rotor se generan tres espacios. Así, por una cámara entra la mezcla de combustible y aire; en otra, la mezcla se comprime; y por la última, escapan los gases de la combustión.
Características.
• Resulta muy complicado el control de sus emisiones contaminantes, y eso hace que cada vez se limite más su uso.
• Es muy fiable porque tiene pocas piezas móviles.
• Todos los componentes giran en el mismo sentido.
• Es muy complicado asegurar la estanquidad de las tres secciones del bloque.
• El mantenimiento es caro.
Turbina de gas.
Una turbina de gas toma aire de la atmósfera y lo lleva a una cámara donde es comprimido.
A continuación inyecta el gas, que se mezcla con el aire, y se inicia la combustión.
Los gases de la combustión pasan a gran velocidad por los álabes de la turbina y la hacen girar. Se utilizan básicamente para producir energía eléctrica en las centrales de gas de ciclo combinado y para la propulsión de aeronaves.