Motores TECNOL.

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Tecnología

1. Introducción. Una máquina o motor térmico es cualquier dispositivo capaz de transformar energía térmica en trabajo útil, repitiendo este proceso indefinidamente. Esta definición tan general requiere algunas puntualizaciones. En primer lugar, la transformación en trabajo de la energía térmica (calor) procedente de un foco térmico no puede ser completa, sino que parte de dicha energía se ha de ceder a otro foco a temperatura inferior, puesto que en caso contrario se violaría el segundo principio de la Termodinámica (v.). La repetición del proceso exige que el m. funcione describiendo ciclos cerrados. Por consiguiente, los elementos imprescindibles para tener un m. térmico son: a) foco de donde se extrae el calor para transformarlo en trabajo; b) m. propiamente dicho, que transforma parte del calor en trabajo, normalmente mediante movimientos de un émbolo o paletas; c) agente que actúa dentro del m. y que suele ser un gas o vapor; d) foco frío, a donde se cede parte del calor extraído del foco caliente (la atmósfera en último término); y e) elementos mecánicos que sirvan de enlace entre el m. y el sistema mecánico en donde ha de utilizarse el trabajo obtenido. La diferencia entre m. y máquina en lenguaje vulgar suele estar relacionada con el elemento a). Cuando el foco es exterior al sistema, éste recibe normalmente el nombre de máquina, como sucede con las máquinas de vapor, en donde el vapor se genera en una caldera independiente (máquinas de combustión externa). Por el contrario, en un m. de automóvil, p. ej., el gas secalienta en el interior del mismo cilindro por su propia combustión, ya que está constituido de una mezcla conveniente de aire y un combustible (combustión interna). Su empleo es muy amplio y en tracción va desde pequeños m. de motocicletas a grandes m. diesel de barcos. También se utilizan en numerosas instalaciones fijas, desde bombas de extracción de agua a grandes turboalternadores.

Independientemente de los detalles mecánicos del m., su estudio físico y especialmente su rendimiento están regidos por el ciclo que se haga seguir al agente que transforma el calor en trabajo y que en nuestro caso será siempre un gas, normalmente el que resulta de quemar un combustible en el aire. El primer ciclo teórico es el debido a S. Carnot (fig. la), que carece de importancia en los m., pero que es fundamental en la Termodinámica. En 1862, Beau de Rochas ideó un ciclo (fig. lb) que constituye la base del m. de cuatro tiempos de gasolina construido en primer lugar por el alemán N. A. Otto en 1876. El principio del m. de dos tiempos fue descrito por D. Clerk en 1879. R. Diesel concibió en 1897 el ciclo que lleva su nombre (fig. le) y utilizó la ignición espontánea en lugar de utilizar una chispa. Años antes (1872) G. Brayton ideó el ciclo que lleva su nombre y que se utiliza como modelo en las turbinas de gas.

2. Ciclos ideales. El medio de trabajo en el ciclo lo constituye una mezcla de gases resultado de la combustión de la gasolina u otro combustible en el aire, que se expulsa después al exterior, por lo que el ciclo siguiente ha de realizarse con una nueva cantidad de mezcla. Pero para el estudio teórico de los ciclos se supone que es el mismo fluido el que realiza todos los ciclos, como si regenerase su capacidad de combustión. Asimismo se admite que la combustión es instantánea, que los procesos de que consta son reversibles, etc. Por todas estas razones el rendimiento de un ciclo real viene a ser la mitad del teórico correspondiente.

La potencia de un m. depende fundamentalmente de las dimensiones del mismo y de su velocidad de rotación y puede graduarse modificando la cantidad de combustible a utilizar en cada ciclo.

3. Ciclo Otto y motor de cuatro tiempos. En la fig. 2 se indican los cuatro tiempos de este m. y el ciclo ideal correspondiente, visto en un diagrama p-V (presión-volumen) y otro T-S (temperatura-entropía). El m. consta esquemáticamente de un cilindro C en cuyo interior se mueve un pistón o émbolo P. La entrada de gas fresco (mezcla de aire y gasolina producida en el carburador) y la salida del gas quemado se realizan por las válvulasde admisión A y escape E, cuyos movimientos están adecuadamente sincronizados con el oscilante del émbolo. El pistón está conectado mediante una biela L al cigüeñal G, donde se obtiene un movimiento circular. En estos m. un ciclo completo exige dos vueltas del cigüeñal, o sea, cuatro carreras (dos de ida y dos de vuelta) del pistón. El encendido de la mezcla se provoca mediante una chispa que salta entre los electrodos de la bujía B. La posición extrema del émbolo en que la cámara queda reducida a su volumen mínimo V2 (espacio o volumen muerto) se denomina punto muerto superior (pms), mientras que la otra posición extrema se denomina punto muerto inferior (pmi) y corresponde al máximo volumen disponible V,. El cociente entre ambos volúmenes es un dato importante en el motor y se denomina relación de compresión r. Los tiempos de este m. se desarrollan así: 1) El m. en el punto muerto superior. Se abre la válvula de admisión A y entra mezcla fresca del exterior, obtenida haciendo pasar aire puro por el carburador (etapa 0-1 o de admisión). 2) Al llegar al pmi se cierra la válvula de admisión y el pistón empieza a subir, aumentando la presión y temperatura de la mezcla (etapa 1-2 o de compresión). El proceso ideal se admite que es adiabático, es decir, sin pérdidas ni ganancias de calor. En el pms se provoca la ignición de la mezcla que se supone es instantánea, alcanzándose el punto 3 final. 3) Este gas comprimido y caliente empuja el émbolo (etapa 3-4 o de expansión) realizando el trabajo necesario para el funcionamiento del m. 4) Al llegar al pmi (punto 4) se abre la válvula de escape E y la presión cae instantáneamente (etapa 4-1), escapándose parte del gas comprimido. Al ascender de nuevo el émbolo acaba de expulsar el gas (etapa 1-0 o de expulsión).

En la etapa 2-3 se recibe calor (2Qs) procedente de la propia combustión de la gasolina. Parte de él (4Qt) se cede al exterior, al marcharse con el gas que escapa. La única etapa motriz es la de expansión, mientras que para la realización de la compresión se ha de consumir parte del trabajo motriz. Como consecuencia, el trabajo útil del m. viene dado por el área interna del ciclo 1-2-3-4 en el diagrama p-V, que corresponde exactamente al área encerrada dentro del mismo ciclo en el diagrama T-S, équivalente a la energía térmica transformada,2Q3-4Q1El rendimiento teórico de este ciclo viene dado por RT=(2Q3/4Q1)/2Q3= W/2Q3?Si se admite que el gas comporta como ideal, el rendimiento adquiere la siguiente forma, en función sólo de la relación de compresión r y del cociente entre los calores específicos del gas a presión y volumen constantes, k=cp/c?:RT=1-1/rk-1.

Si tomamos para el aire k=1,4 y r=5, el RT vale 48%. Según la expresión anterior, el rendimiento crece al aumentar r, de modo que cuanto más alta sea la relación de compresión, mayor será el rendimiento. Sin embargo, r no puede hacerse excesivamente grande (no suele ser mayor de 8) porque al aumentar la compresión se va calentando el gas encerrado en el cilindro y puede llegar a la autocombustión antes de saltar la chispa en la bujía. Si la brusca expansión de la mezcla inflamada (detonación) choca contra el émbolo cuando aún se mueve hacia el pms sufrirá un golpe muy brusco que puede deteriorar el m.

Diagrama real. El diagrama real del ciclo suele llamarse diagrama del indicador, puesto que la curva presiónvolumen que va siguiendo el gas puede obtenerse mediante métodos mecánicos o piezoeléctricos. La fig. 3 muestra un ciclo Otto teórico y otro real a la misma escala, habiéndose marcado sobre este último los motivos principales que justifican las diferencias. La combustión de la mezcla no es instantánea y por ello este proceso no es a volumen constante. Por esta razón se procura que la chispa salte un momento antes de que el pistón llegue al pms. Por otra parte, el calor específico del gas varía con la temperatura y es posible incluso que se produzca su disociación. Las paredes no son adiabáticas y hay importantes pérdidas de calor. Por otra parte, el llenado y vaciado del cilindro no es perfecto ni las válvulas se ’ abren y cierran instantáneamente. Finalmente, no hay que olvidar las pérdidas por rozamiento tanto en el seno del gas como en los diversos elementos mecánicos móviles.

4. Ciclo Diesel ideal y motor de cuatro tiempos. En la fig. 4a se muestran los cuatro tiempos de este m., mientras que en las figs. 4b y c se indica el ciclo en diagramas p-V y T-S. Los elementos mecánicos son semejantes a los del m. Otto, siendo las diferencias principales las siguientes: El m. Diesel carece de carburador, admitiendo en la carrera de admisión (0-1) sólo aire puro. La compresión (1-2) se realiza, pues, con aire puro solamente, pero la relación de compresión es muy elevada (normalmente de 12 a 16), con lo que el aire llega a calentarse a 5000C o más. Entonces se inyecta el combustible a la presión y velocidad conveniente y se quema según va entrando, evitándose así el encendido por chispa. La entrada del combustible por el inyector I se dosifica convenientemente para que la primera parte de la carrera motora o de expansión sea a presión constante (2-3), continuándose luego la expansión adiabática normal una vez quemado todo el combustible (3-4). Finalmente se abre la válvula de escape (4-1) y se produce la expulsión de los gases quemados (1-0), volviendo así el sistema a las condiciones iniciales.

El rendimiento de este ciclo sigue siendo igual al cociente entre el trabajo producido y la energía térmica recibida en la combustión. Suponiendo que los gases son ideales se llega a la fórmula siguiente:(V3/ V2)k - 1RT=1-(1/rk-1) k(V3/V2-1)La fórmula difiere del rendimiento del ciclo Otto en el término entre corchetes que, con los valores en uso corriente, es inferior a la unidad. Así, pues, a igualdad de relación de compresión, el rendimiento del ciclo Otto es mayor que el del ciclo Diesel. Sin embargo, en este último, al calentarse sólo aire puro en la compresión, puede aumentarse mucho la relación de compresión frente a lo que es posible conseguir en el ciclo Otto sin que se produzca la detonación, llegándose incluso a valores dobles. En la práctica, los rendimientos térmicos reales llegan a valer del 30 al 35% en los m. Diesel y del 20 al 27% en los m. Otto.

5. Motores de dos tiempos. En los m. de gasolina de poca potencia (motocicletas y motores fuera borda) y en los Diesel, incluso de potencia mediana, se utilizan los ciclos en m. de dos tiempos, en los que en una sola vuelta de cigüeñal (o dos carreras del pistón) se consigue reproducir el ciclo. En la fig. 5 se indica el funcionamiento de un m. Otto de dos tiempos. Carece de válvulas y se utiliza la parte inferior del m., llamada cárter, para almacenar la mezcla de aire y combustible. (En un m. de cuatro tiempos el cárter sólo sirve para proteger los mecanismos del polvo y para contener el aceite lubricante preciso para el buen funcionamiento del motor). En la fig. 5a se ve la entrada de la mezcla y la explosión provocada por la chispa (expansión). El émbolo, al bajar, cierra la entrada de la mezcla procedente del carburador y comprime la que está en el cárter, obligándola a entrar en el cilindro al abrir el propio pistón la lumbrera de entrada. Como simultáneamente se abre la lumbrera de salida, son expulsados los gases producidos en la explosión, siendo barridos por los gases frescos que entran (fases superpuestas de expulsión y admisión). La forma especial de la cabeza del émbolo mejora la eficacia de este barrido. Al subir de nuevo el émbolo, fig. 5b, empiezan a cerrarse ambas lumbreras y se obtiene la fase de compresión de la mezcla. Al mismo tiempo, el pistón va produciendo una depresión en el cárter, de modo que al abrirse el conducto que lo une con el carburador volverá a llenarse de mezcla fresca procedente del mismo. Durante el barrido es inevitable cierta pérdida de combustible arrastrado a la salida, por lo que se reduce el rendimiento de la gasolina. En estos m., la gasolina lleva adicionado aceite para la lubricación, que sustituye al que tendría que almacenarse en el cárter.

En el m. Diesel de dos tiempos, la entrada de aire puro suele realizarse con ayuda de un compresor, produciéndose la entrada del combustible por el inyector. Las pérdidas que puedan producirse en el arrastre son, pues, de aire solamente y el rendimiento se mejora al llenarse el cilindro con mayor cantidad de aire debido a la acción del compresor.

6. Turbinas de gas. Para mejorar los rendimientos y evitar la complejidad mecánica del sistema biela-manivela encargado de transformar el movimiento alternativo del pistón en el rotativo del cigüeñal, se utiliza el sistema cuyo m. es la turbina de gas, que también tiene su réplica en las turbinas de vapor de las máquinas exotérmicas. El m. propiamente dicho lo constituye la turbina, provista de un cuerpo axial giratorio llamado rotor dotado de paletas o álabes, que recuerdan a los ventiladores. Existen dos tipos básicos de turbinas: de impulsión y de reacción. En el primero, el gas a elevada presión pasa por una tobera, disminuyendo su presión y entalpía, pero adquiriendo una velocidad muy elevada. Este fluido gran velocidad incide sobre los álabes, dándoles una elevada velocidad de rotación. En las turbinas a reacción el gas incide con una velocidad relativamente baja sobre una serie de paletas radiales, cuya forma hace que se comporten como unas toberas. En consecuencia, al pasar el gas por ellas, se ve acelerado, desarrollando la correspondiente fuerza de reacción sobre las paletas. Estas fuerzas hacen que las citadas paletas obliguen a girar el rotor en sentido opuesto al de circulación del fluido. Es normal el escalonamiento del proceso en una serie de etapas, estando los álabes dispuestos en coronas a lo largo del rotor y teniendo intercaladas otras coronas de álabes fijos en la carcasa de la turbina para mejorar su rendimiento. Las velocidades de rotación de las turbinas son muy elevadas, llegando a sobrepasar las 12.000 rpm. Se utilizan - en trenes automotores y ampliamente en instalaciones fijas. Su consumo de combustible es elevado.

En la fig. 6 se indica el esquema de una turbina de gas y el ciclo de Brayton a que debe ajustarse. El aire necesario para la combustión (fig. 6a) exige una compresión previa en el compresor, que consumirá parte de la energía mecánica producida por la turbina, estando muchas veces montado sobre el propio eje del rotor. El aire comprimido entra junto con el gas combustible en la cámara de combustión, donde la mezcla arde de forma continua, escapando los gases a elevada presión y temperatura a través de la turbina. El ciclo (figs. 6b y c) está compuesto por una etapa de compresión (1-2) con elevación parcial de temperatura, seguida de la combustión a presión constante (2-3) en la cámara. A continuación viene la fase motora o de expansión adiabática en la turbina propiamente dicha (2-3), finalizando con el escape al exterior (4-1). El ciclo ideal, pues, está compuesto por dos adiabáticas y dos isóbaras. Su rendimiento teórico viene dado porRT =1-(Pi/P2)(k-1)/ksiendo p, y p2 la presión exterior y la de la cámara, respectivamente.

Para mejorar el rendimiento de las turbinas de gas se emplean diversos procedimientos. Uno de ellos consiste en aprovechar el calor o energía térmica que aún poseen los gases del escape mediante regeneradores o recuperadores, para calentamiento del aire de entrada. Otro procedimiento consiste en aumentar el rendimiento parcial del compresor y turbina, descomponiendo uno de los dos, o ambos, en varias etapas, intercalando refrigeradores en la compresión y recalentadores en la turbina.

Si el número de etapas en ambos casos fuese prácticamente infinito se obtendría un ciclo de funcionamiento teórico llamado de Ericsson, en el que las dos etapas adiabáticas se transforman en el límite en dos isotermas (fig. 7). En la práctica resulta imposible un gran número de escalonamientos, especialmente en instalaciones pequeñas. Sin embargo, en las grandes es posible encontrar varias etapas de refrigeración y por lo menos una de recalentamiento.

Ciclos reales. Tanto el rendimiento como la potencia del ciclo real son inferiores a los del ciclo teórico por diversas razones, entre las que mencionaremos: los gases no son ideales ni los procesos reversibles, existiendo en general fugas de calor en los procesos que deberían ser adiabáticos; se producen pérdidas de presión, inevitables, p. ej., en las juntas; no puede aprovecharse la energía (térmica y cinética) de los gases del escape, etc.

7. Motores a reacción y cohetes. El tipo más moderno de m. utilizados para propulsión de aeronaves y astronaves, especialmente, es el tipo constituido por los m. a reacción y cohetes. Sus elementos esenciales son simplemente la cámara de combustión y la tobera. En la cámara se obtiene por diversos métodos gas muy caliente y a elevada presión, que se lanza por la tobera. La misión de esta última consiste en lanzar el gas en forma de chorro a muy alta velocidad. El nombre de estos m. procede de que a la acción de lanzar el chorro gaseoso hacia atrás se asocia una reacción contraria, en virtud de la cual el m. se ve impulsado hacia adelante. En los m. a reacción se forman los gases por combustión de un combustible idóneo con el oxígeno del aire, para lo que se necesita un compresor que alimente de aire la cámara de combustión. La energía necesaria para mover el compresor se toma de una turbina incluida en el paso de los gases antes de la tobera final. Por esta razón, este tipo de m. sólo puede funcionar en la atmósfera. Los cohetes llevan incorporados tanto el combustible (sustancia químicamente llamada reductora) como el comburente (u oxidante), por lo que pueden funcionar en el vacío espacial y no necesitan compresor. Los propulsantes sólidos (propergoles) recuerdan a las pólvoras y son de quemado lento para proporcionar el impulso debido durante tiempo suficiente. Los propulsantes líquidos pueden estar formados por oxígeno líquido, agua oxigenada, ácido nítrico, etc., como oxidantes y algún reductor, como la hidracina, hidrógeno líquido, etc.

8. Motor rotativo Wankel. El último adelanto en m., aún en fase experimental, lo constituye el m. de émbolo rotativo o motor Wankel (fig. 8), en el que el émbolo alternativo se sustituye por un émbolo rotativo de tres caras que gira en el interior de una caja ovalada que se estrecha ligeramente en su centro (epitrocoide). Este m. funciona según el ciclo Otto de cuatro tiempos, sucesivamente, en cada una de las tres cámaras que quedan entre la caja y el émbolo. Dicho émbolo está montado excéntrico con el eje del m. y al mismo tiempo que hace que las cámaras varíen de volumen según los diversos tiempos del ciclo, obliga a girar a una corona dentada sobre el eje que engrana en su interior. El m. carece de. válvulas y el propio émbolo abre y cierra las lumbreras de admisión y escape, con lo que se reduce al mínimo el número de piezas móviles. El punto mecánicamente más delicado consiste en la obtención de la estanqueidad entre las cámaras.

V. t.: TERMODINÁMICA I; GENERADORES Y MOTORES.

J. DE LA RUBIA PACHECO.

BIBL.: J. PALACIOS, Termodinámica aplicada, Madrid 1961; G. GEOFFREY SMITH, Las turbinas a gas y la propulsión a reacción, Barcelona 1958; C. SANCHEz TARIFA, Motores de reacción y turbinas de gas, Madrid 1951; B. S. STECKIN y OTROS, Teoría de los motores de reacción, Madrid 1%2; Enciclopedia CEAC del motor y automóvil, 1, 4, 6, 7, Barcelona 1968.