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Como Funciona Un Motor


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aristides_03

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Publicado el 14 April 2012 - 08:33 PM

Alguna vez haz abierto el capó de tu carro, y te has preguntado como funciona el motor? El motor de un carro moderno puede parecer un gran revoltijo de metal, tubos y alambres a las personas que no conozcan de mecánica.

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Puede ser que quieras saber cómo funciona un motor simplemente por curiosidad. O, talvez estés comprando un carro nuevo, y te estén inundando con términos como "V6 de 2.4 litros" o "multi-valvular" o algunos otros términos raros, y te estarás preguntando, qué significará todo eso?

Si siempre te ha dado curiosidad, este artículo es para tí: Discutiremos las ideas fundamentales y sistemas separados que hacen que un motor funcione, y posteriormente entraremos en detalle sobre como funcionan juntas todas esas partes.


Cuál es la función principal de un motor?


Básicamente, el objetivo final de un motor de carro es convertir el combustible (cualquiera que sea) en movimiento y transferirlo a las llantas por medio de la transmisión del vehículo, de tal manera que el vehículo pueda moverse. Actualmente, la manera más utilizada para crear este movimiento es quemando la gasolina dentro del motor. Debido a esto, los motores de carro se les llama "motor de combustión interna".
Hay varias clases de motores de combustión interna. Los motores diesel son una, los motores de gas son otra. Vea también los artículos sobre los motores de HEMI, los motores rotatorios y los motores de dos-ciclos. Cada uno tiene sus propias ventajas y desventajas.
Existen también los motores de combustión externa. El motor de vapor en trenes y barcos antiguos es el mejor ejemplo de un motor de combustión externa. El combustible (usualmente usaban carbón, madera, aceite) en un motor de vapor se quema afuera del motor para crear el vapor. Este vapor crea el movimiento dentro del motor. El motor de combustión interna es mucho más eficiente en consumo de combustible, además que un motor de combustión interna es mucho más pequeño que uno de combustión externa equivalente. Esto explica por qué no vemos carros modernos en las calles utilizando motores de vapor.
A continuación revisaremos el proceso de combustión interna más detalladamente.


Acerca de la combustión interna

Los cañones antiguos utilizan el principio fundamental de cualquier motor de combustión interna: Si se pone una cantidad minúscula de combustible de gran energía (como la pólvora, o gasolina) en un pequeño espacio, y se enciende, se crea una enorme cantidad de energía en forma de gas que se amplía. Es así como un cañón puede utilizar esa energía para lanzar una bala de cañón a cientos de metros de distancia. En este caso, la energía se traduce al movimiento de la bala de cañón. Puedes también utilizarla para propósitos más interesantes. Por ejemplo, si pudieras crear un ciclo que permita varias de estas explosiones, cientos de veces por segundo, de manera controlada, y logras encauzar el movimiento generado de una manera útil, ahí tienes el fundamento de motor de carro

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Casi todos los carros modernos utilizan dentro del motor un ciclo de cuatro tiempos para convertir el combustible en movimiento. El concepto de ciclo de cuatro tiempos también es conocido como el ciclo de Otto, en honor a Nikolaus Otto, quien lo inventó en 1867. Los cuatro movimientos se ilustran en el cuadro 1, y se detallan a continuación:

Fase de admisión de gases
Fase de compresión
Fase de explosión
Fase de expulsión de gases
Puedes ver en la figura que un dispositivo llamado un pistón substituye la bala en un cañón. El pistón está conectado al cigüeñal por una biela. Mientras que el cigüeñal gira, tiene el efecto de mover el pistón. A continuación detallamos lo que sucede en el motor a través de un ciclo completo:

El pistón comienza hasta arriba, la válvula de admisión se abre, y el pistón se mueve abajo, creando un efecto de succión en el conducto de admisión, permitiendo que ingrese la mezcla de aire y gasolina. Éste es el ciclo de admisión. Solo se necesita de una pequeña gota de gasolina, mezclada correctamente con aire, para que el ciclo funcione correctamente (Parte 1 de la figura)
Luego, la válvula de admisión se cierra, y el pistón es empujado de nuevo hacia arriba para comprimir esta mezcla de gasolina y aire. La compresión hace que el efecto posterior de la explosión sea aún más poderosa. (Parte 2 de la figura)
Cuando el pistón alcanza su posición más alta, la bujía emite una chispa para encender la gasolina. Esto causa que la mezcla en el cilindro estalle, obligando al pistón a moverse hacia abajo. (Parte 3 de la figura)
Una vez que el pistón llega a su punto más bajo, la válvula de escape se abre y el pistón empuja el combustible quemado fuera del cilindro, para que salga por el escape del carro. (Parte 4 de la figura)
En este momento, el motor está listo para el siguiente ciclo, por lo que vuelve a la fase de admisión, recargándose con la mezcla de aire y gasolina.
Nótese que el movimiento obtenido a través de un motor de combustión interna es rotatorio, mientras que el movimiento producido por un cañón es lineal. En un motor, normalmente el movimiento lineal de los pistones es convertido en rotatorio por el cigüeñal. El movimiento rotatorio es deseable, porque lo necesitamos para dar vueltas a las ruedas del carro.

Ahora le echaremos un vistazo a todas las piezas que tienen que trabajar juntas para lograr que este proceso en el motor funcione. Comenzaremos con los cilindros.


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Las diversas configuraciones tienen ventajas y desventajas en "suavidad", costo de fabricación y la forma del motor. Estas ventajas y desventajas las hacen más convenientes para ciertos vehículos.

Miremos ahora algunas otras piezas importantes del motor más detalladamente.


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Bujías o candelas

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Las bujías o candelas proporcionan la chispa que enciende la mezcla de aire y combustible, para que la explosión pueda ocurrir. La chispa debe suceder exactamente en el momento justo para que el motor funcione correctamente

Válvulas

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Las válvulas de admisión y escape en los cilindros se abren en el momento correcto, dejando entrar aire y combustible y expulsando hacia afuera los gases quemados. Nótese que ambas válvulas se cierran durante la compresión y la combustión para sellar la cámara de combustión dentro del cilindro.

Aros del pistón

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Los aros del pistón proporcionan un sello metálico que resbala, con la ayuda de aceite de motor, entre el borde externo del pistón y el borde interno del cilindro. Los anillos sirven dos propósitos:

Evitan que la mezcla de combustible, aire o gases quemados se filtren hacia el colector de aceite durante las fases de compresión y combustión cámara de combustión de escaparse en el colector de aceite durante las fases de compresión y explosión.
Además, evitan que aceite en el motor abajo de los pistones ingrese al área de combustión del cilindro, donde se quemaría y perdería.
La mayoría de los carros que "queman el aceite" tienen el motor viejo, y probablemente los anillos del pistón ya no sellan correctamente, por lo que el aceite se escapa y quema en la fase de combustión.


Biela

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la biela conecta el pistón con el cigüeñal. Puede rotar en ambos extremos, de modo que su ángulo pueda cambiar mientras que el pistón se mueve y el cigüeñal dá vueltas

Cigüeñal

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Colector de aceite

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El colector de aceite rodea el cigüeñal. Contiene aceite de motor, que recoge en el fondo, en la parte inferior del motor.

Problemas del motor

todos nos ha pasado. Estás corriendo en la mañana, ya vas tarde para una reunión, y el motor de tu carro dá vueltas, pero no arranca. Qué podrá tener malo? Ahora que sabes como funciona un motor, podrás entender las cosas básicas que pueden evitar que un motor funcione correctamente: mala mezcla del combustible, falta de compresión en los cilindros, o bujías en mal estado, y por lo tanto, falta de chispa. Aparte de esto, hay miles de razones adicionales por las cuales el motor pueda no funcionar, pero estas son las tres principales. A continuación, vamos a presentar posibles soluciones para cada uno de los problemas mencionados.

Mala mezcla del combustible

- una mala mezcla de combustible puede ocurrir debido a varias razones:

El carro no tiene gasolina, así que el motor está recibiendo aire, pero ninguna manera de quemarlo.
La toma de aire puede estar bloqueada, por lo que pudiera estar recibiendo combustible, pero no aire, que contiene oxígeno, que es lo básico para lograr la combustión.
El sistema de carburante pudo proveer demasiado o demasiado poco combustible a la mezcla, significando que no ocurre la combustión correctamente.
Puede haber impurezas en el combustible (como agua en el tanque de gasolina), lo cual puede estar evitando que se encienda la mezcla.


Falta de compresión

Si la mezcla de aire y combustible no se puede comprimir correctamente, el proceso de combustión no funcionará. La carencia de compresión puede ocurrir por estas razones:
Los anillos de los pistones ya están muy desgastados, y están permitiendo que la mezcla se escape fuera del cilindro durante la compresión.
Las válvulas de admisión o escape no están sellando correctamente, de nuevo evitando que la mezcla se comprima correctamente.
Existe un agujero o daño en un cilindro.
Los agujeros más comunes en un cilindro ocurren en la unión entre la tapa de la culata) al cilindro en sí. Generalmente, el cilindro y culata se empernan junto con una junta fina presionada entre ellas para asegurar un buen sello. Si la junta se deteriora, se crean agujeros pequeños entre el cilindro y la culata, y estos agujeros causan que la mezcla se escape.


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Falta de chispa

la chispa puede ser débil o no existente por varias razones:

Si la bujía en sí o el cable que la alimenta se deterioran, , la chispa será débil.
Si el cable de la bujía ha sido cortado o no está, o si el sistema que manda la chispa no está trabajando correctamente, no habrá chispa.
Si la chispa ocurre demasiado temprano o tarde en el ciclo (es decir si la sincronización del encendido está mal), el combustible no encenderá en el momento exacto, y ésto puede causar todo tipo de problemas.
Muchas otras cosas pueden estar mal. Por ejemplo:
Si la batería está sin carga, no se podrá darle vuelta al motor para arrancarlo.
Si los cojinetes que permiten que el cigüeñal dé vueltas libremente están muy gastados, no permitirán que el cigüeñal dé vueltas, y esto no dejará funcionar al motor.
Si las válvulas no se abren y cierran en el momento exacto, la mezcla de combustible no puede ingresar, y los gases de escape no pueden salir, lo que también evitará que funcione el motor.
Si alguien bloquea por completo el escape del carro, los gases de escape no podrán salir del cilindro, ahogándolo, y evitando que funcione correctamente.
Si el motor no tiene aceite, el pistón no podrá moverse libremente hacia arriba y abajo en el cilindro, y el motor se quedará trabado.
En un motor correctamente afinado, todos estos factores deben estar dentro de algunos márgenes de tolerancia.
Como puedes ver, un motor tiene un número de sistemas que le ayudan a convertir las explosiones del combustible en movimiento rotatorio, a través del cigüeñal. Ahora, veremos los subsistemas adicionales utilizados típicamente en motores de carro


Tren de levas y sistemas de ignición

La mayoría de los subsistemas del motor se pueden desarrollar utilizando tecnologías diversas, y a medida que pasa el tiempo, avances pueden mejorar el funcionamiento del motor. Veremos todos los subsistemas que existen en los motores modernos, comenzando con el tren de levas.
El tren de levas conforma las válvulas de admisión y escape, y un mecanismo que las abre y cierra en el momento necesario. El sistema que cierra y abre las válvulas se llama árbol de levas. El árbol de levas tiene lóbulos con los que empuja las válvulas hacia abajo, y un resorte por válvula se encarga de hacer que la válvula vuelva a subir rápidamente cuando el árbol de levas ya no está empujándola.


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La mayoría de los motores modernos tienen un árbol de levas superior. Esto significa que el árbol de levas está situado físicamente encima de las válvulas, como ves en el cuadro 5. Las levas en el eje activan las válvulas directamente, o a través de un corto acople. En motores más viejos se utilizaban árboles de levas inferiores, ubicados en el colector de aceite, cerca del cigüeñal. Pequeños rodos conectaban las levas abajo a los activadores sobre las válvulas. Este método tiene más piezas móviles, y también causa retraso entre la activación de la leva y el movimiento de la válvula. Es debido a esto que ya no es muy utilizado. Una faja dentada o cadena de tiempo conecta el cigüeñal al árbol de levas, de modo que las válvulas estén sincronizadas con los pistones. El árbol de levas se conecta por medio de engranajes para dar vueltas a la mitad de la velocidad del cigüeñal.

Finalmente, muchos motores de alto rendimiento tienen cuatro válvulas por cilindro (dos para admisión, y dos para escape), y este arreglo requiere dos árboles de levas por grupo de cilindros, por lo que a veces escucharás el término "doble árbol de levas superior"

El sistema de ignición produce una carga eléctrica de alto voltaje y la transmite a las bujías del motor por medio de los cables de ignición. La carga primero fluye a un distribuidor, que puedes encontrar fácilmente debajo del capó de la mayoría de los carros. El distribuidor tiene un alambre en el centro, y cuatro, seis u ocho a su alrededor saliendo de él, dependiendo del número de cilindros que tenga el motor. Estos cables envían la carga a cada bujía. El mecanismo de repartición de la chispa está conectado mecánicamente al motor, para que solamente una bujía reciba chispa a la vez, justo en el momento en que la necesita.


El sistema de enfriamiento

en la mayoría de los carros lo conforman el radiador y la bomba de agua. La bomba obliga al agua a circular través de conductos dentro del motor, y alrededor de los cilindros, absorbiendo el calor debido a las explosiones dentro del motor, y lo hace pasar a través del radiador para enfriarlo de nuevo. En algunos carros (notablemente, los escarabajos de Volkswagen), así como también la mayoría de motocicletas y motores pequeños, el motor es refrigerado por aire. Se puede distinguir un motor refrigerado por aire viendo las aletas que tienen en la parte exterior, y que los ayuda a disipar el calor. El sistema de enfriamiento por aire disminuye la vida del motor, pero lo hace más liviano, y hace que el motor sea mucho más sencillo y económico.
Ahora ya sabes cómo los motores permanecen a temperatura razonable, a pesar de tener explosiones internas cientos de veces por segundo. ¿Pero por qué es tan importante la circulación del aire? La mayoría de los carros aspiran normalmente, lo que significa que el aire atraviesa un filtro de aire (para eliminar insectos, polvo, etc) y vá directamente a los cilindros, junto con el combustible. Sin embargo, los motores de alto rendimiento usualmente son turbocargados o supercargados, lo cual significa que el aire primero se comprime (para que quepa más aire y gasolina en el mismo espacio) para aumentar su rendimiento. La cantidad de compresión utilizada se le llama boost.El turbocargador utiliza una turbina pequeña unida al tubo de escape para aprovechar los gases calientes que salen del motor, y hacen girar una turbina de compresión en la corriente de aire que está ingresando. Un supercargador se une directamente al motor para hacer girar el compresor, sin necesidad de utilizar los gases de escape, lo cual también aumenta el rendimiento.

Talvez alguna vez te habrás preguntado, qué sucede exactamente cuando das vuelta a la llave del carro para que arranque? El sistema de arranque consiste en un motor eléctrico y un solenoide de ignición. Cuando le das vuelta a la llave del carro, el motor de arranque hace girar el motor para que comience el proceso de combustión. Este motor eléctrico debe ser bien fuerte, ya que el motor en ese momento está frío, y debe "pelear" contra todos estos factores:
Fricción interna de los anillos de los pistones dentro de los cilindros
La presión de los cilindros que se encuentren en la fase de compresión
La energía requerida para abrir y cerrar las válvulas con el árbol de levas
Todas las "otras" cosas unidas directamente al motor, como la bomba de agua, la bomba de aceite, el alternador, etc.
Se necesitan cientos de amperios para lograr arrancar un motor, ya que el voltaje de la batería es baja (usualmente 12 voltios), y tiene que lograr mover muchas cosas internamente. Ahí es donde entra el solenoide de arranque. Este no es más que un interruptor electrónico de gran capacidad, que puede aguantar toda esa corriente eléctrica. Cuando se le dá vuelta a la llave de arranque, esta activa el solenoide para accionar el motor.
Una vez el motor ya está funcionando por sí solo, ya no necesita el motor de arranque, por lo que existe un mecanismo similar a un embrague (o clutch), que desconecta automáticamente el motor de arranque del motor principal del carro, cuando este último ya ha logrado una velocidad mínima. Esto también protege al motor de arranque, ya que podría dañarse si es obligado a dar vueltas demasiado rápido por el motor principal.


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Lubricación del motor, combustible, gases de escape y sistemas eléctricos

Talvez lo que más nos preocupa de un carro en un momento determinado, es si tiene gasolina o no. Cómo llega el combustible del tanque hasta los cilindros? El sistema de carburación del motor bombea el combustible desde el tanque de gasolina, lo mezcla con aire en la proporción apropiada, y lo lleva hasta los cilindros. El combustible puede llegar de tres maneras comunes: carburación, inyección por puerto e inyección directa.

En la carburación, un dispositivo llamado carburador mezcla el combustible con el aire que ingresa en el motor. Este se utilizaba principalmente en motores de carro antiguos, pero ya no es utilizado ahora normalmente.
En un motor de inyección, se inyecta la cantidad apropiada de combustible en cada cilindro, justo antes de la válvula de admisión (inyección por puerto) o directamente en el cilindro (inyección directa).
El aceite también juega una parte importante dentro del motor. El sistema de lubricación se asegura que cada pieza móvil en el motor tenga el aceite necesario, para que pueda moverse fácilmente. Las dos piezas principales que necesitan aceite son los pistones, para que puedan deslizarse fácilmente dentro los cilindros, y cualquier cojinete que permita que el cigüeñal y los árboles de levas giren libremente. En la mayoría de los carros, el aceite es succionado desde la aceitera por la bomba del aceite, lo pasan a través de un filtro para remover impurezas, y se arroja con chorros de alta presión sobre los cojinetes y las paredes del cilindro. El aceite luego cae a la aceiteara de nuevo, donde se recoge otra vez y se repite el ciclo.

Ahora, veamos algo de los gases de escape. El sistema de escape incluye el tubo de escape y el silenciador. Sin un silenciador, se oiría el ruido de cientos de explosiones pequeñas por segundo, saliendo a través del escape. El silenciador se encarga de amortiguar estos sonidos a algo mucho más razonable.

El sistema de control de emisión en los carros modernos tiene usualmente en un convertidor catalítico, que son un conjunto de sensores y actuadores, y una computadora para supervisar y ajustarlos. Por ejemplo, el convertidor catalítico utiliza un catalizador y oxígeno para consumir cualquier residuo de combustible y otros químicos en los gases de escape. Un sensor de oxígeno en el tubo de escape verifica que haya bastante oxígeno disponible para que el catalizador funcione correctamente, y para ajustar el motor si es necesario.

Finalmente, llegamos al sistema eléctrico. El sistema eléctrico de un carro moderno consiste en una batería y un alternador. El alternador está conectado al motor por medio de una faja, y genera electricidad para recargar la batería. La batería provee electricidad a 12 voltios para todos los sistemas del carro que lo necesiten, desde el motor de arranque y las bujías, hasta las luces, parabrisas, radio del carro, etc.

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