Un motor térmico es todo aquel dispositivo capaz de transformar el calor en energía mecánica. El calor necesario para conseguir que funcione una máquina térmica procede, generalmente, de la combustión de un combustible. Dicho calor es absorbido por un fluido que, al expandirse, pone en movimiento las distintas piezas de la máquina.
Según que la combustión del combustible se produzca en el interior o en el exterior de la propia máquina, las máquinas térmicas se clasifican en máquinas de combustión interna, como el motor de explosión de cuatro tiempos, y máquinas de combustión externa, como la máquina de vapor o la turbina de vapor, en las que el combustible es utilizado para formar vapor fuera de la máquina y parte de la energía interna del vapor se emplea en realizar trabajo en el interior de la máquina.
El rendimiento de una máquina térmica es el cociente entre la energía mecánica producida y el calor tomado del foco caliente. Las máquinas térmicas tienen rendimientos muy bajos, ya que tan sólo una pequeña parte del calor producido se puede transformar en trabajo, y el resto se utiliza en calentar el fluido que pone en movimiento a la máquina, en vencer el rozamiento de las piezas que la componen o simplemente se disipa al ambiente en forma de calor.
Una segunda clasificación se hace en función de la forma en que se obtiene la energía mecánica: motores alternativos o rotativos.
Máquina de vapor
La maquina de vapor es un dispositivo mecánico que convierte la energía del vapor de agua en energía mecánica y que tiene varias aplicaciones en propulsión y generación de electricidad. El principio básico de la máquina de vapor es la transformación de la energía calorífica del vapor de agua en energía mecánica, haciendo que el vapor se expanda y se enfríe en un cilindro equipado con un pistón móvil. El vapor utilizado en la generación de energía o para calefacción suele producirse dentro de una caldera. La caldera más simple es un depósito cerrado que contiene agua y que se calienta con una llama hasta que el agua se convierte en vapor saturado. Los sistemas domésticos de calefacción cuentan con una caldera de este tipo, pero las plantas de generación de energía utilizan sistemas de diseño más complejo que cuentan con varios dispositivos auxiliares. La eficiencia de los motores de vapor es baja por lo general, lo que hace que en la mayoría de las aplicaciones de generación de energía se utilicen turbinas de vapor en lugar de máquinas de vapor.
Funcionamiento:
Cuando el pistón se encuentra en el extremo izquierdo del cilindro, el vapor de agua entra por el cabezal de la válvula y a través del orificio hacia la parte izquierda del cilindro. La posición de la válvula deslizante de corredera permite que el vapor ya utilizado en la parte derecha del pistón escape a través del orificio de expulsión o conducto de salida. El movimiento del pistón acciona un volante, que a su vez mueve una biela que controla la válvula deslizante. Las posiciones relativas del pistón y la válvula son reguladas por las posiciones relativas de los puntos en que están acoplados el cigüeñal y la biela de la válvula de corredera al volante.
En la segunda posición el vapor que se encuentra en la parte izquierda del cilindro se ha expandido y ha desplazado el pistón hacia el punto central del cilindro. Al mismo tiempo, la válvula se ha movido a su posición de cierre de forma que el cilindro queda estanco y no pueden escapar ni el vapor del cilindro ni el de la caja de válvulas.
- En las máquinas de vapor de un solo cilindro la máquina se puede detener cuando el pistón se encuentra en uno de los extremos del cilindro. Si el cilindro se encuentra en esta situación, se dice que el motor está en punto muerto y no se puede arrancar. Para eliminar los puntos muertos, las máquinas cuentan con dos o más cilindros acoplados, dispuestos de tal forma que la máquina puede arrancar con independencia de la posición de los pistones. La manera más simple de acoplar dos cilindros de una máquina es unir los dos cigüeñales con el volante de la forma que se muestra en la imagen. Para conseguir un equilibrio mayor se puede utilizar una máquina de tres cilindros en la que las manivelas de los cilindros se colocan en ángulos de 120 grados. El acoplamiento de los cilindros no sólo elimina las dificultades de arranque sino que permite diseñar plantas de generación con un funcionamiento más fiable.
Motores de combustión interna
Cualquier tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química producida por un combustible que arde dentro de una cámara de combustión, la parte principal de un motor. Se utilizan motores de combustión interna de cuatro tipos: el motor cíclico Otto, el motor diesel, el motor rotatorio y la turbina de combustión. El motor cíclico Otto, es el motor convencional de gasolina que se emplea en automoción y aeronáutica. El motor diesel, funciona con un principio diferente y suele consumir gasóleo. Se emplea en instalaciones generadoras de electricidad, en sistemas de propulsión naval, en camiones, autobuses y algunos automóviles. Tanto los motores Otto como los diesel se fabrican en modelos de dos y cuatro tiempos.
Los motores Otto y los diesel tienen los mismos elementos principales. La cámara de combustión es un cilindro, por lo general fijo, cerrado en un extremo y dentro del cual se desliza un pistón muy ajustado al interior. La posición hacia dentro y hacia fuera del pistón modifica el volumen que existe entre la cara interior del pistón y las paredes de la cámara.
La cara exterior del pistón está unida por un eje al cigüeñal, que convierte en movimiento rotatorio el movimiento lineal del pistón. En los motores de varios cilindros el cigüeñal tiene una posición de partida, llamada espiga de cigüeñal y conectada a cada eje, con lo que la energía producida por cada cilindro se aplica al cigüeñal en un punto determinado de la rotación.
El sistema de bombeo de combustible de un motor de combustión interna consta de un depósito, una bomba de combustible y un dispositivo que vaporiza o atomiza el combustible líquido. Se llama carburador al dispositivo utilizado con este fin en los motores Otto. En los motores de varios cilindros el combustible vaporizado se conduce a los cilindros a través de un tubo ramificado llamado colector de admisión. Cada cilindro toma el combustible y expulsa los gases a través de válvulas de cabezal o válvulas deslizantes. Un muelle mantiene cerradas las válvulas hasta que se abren en el momento adecuado.
El dispositivo que produce la ignición es la bujía, un conductor fijado a la pared superior de cada cilindro. La bujía contiene dos hilos separados entre los que la corriente de alto voltaje produce un arco eléctrico que genera la chispa que enciende el combustible dentro del cilindro.
Dado que la combustión produce calor, todos los motores deben disponer de algún tipo de sistema de refrigeración.
Motor de cuatro tiempos
El motor de cuatro tiempos puede tener uno o más cilindros, y en cada uno de ellos se completa un ciclo en cuatro movimientos.
Los pistones se mueven dentro de los cilindros del motor desde la parte superior del cilindro, que se llama punto muerto superior hacia la parte inferior del mismo que recibe el nombre de punto muerto inferior, impulsados por la carrera de fuerza del o los cilindros en los que esta se lleva a efecto o por el movimiento del cigüeñal, que en las figuras de abajo está designado con la letra "P".
Los cuatro tiempos a los que me refiero son los siguientes:
Admisión - Compresión - Carrera de fuerza – Escape.
El pistón (N) se encuentra en el punto muerto superior de su carrera, la válvula de admisión (A) abre, permitiendo el paso de una mezcla de aire y gasolina (C) al interior del cilindro (M) gracias a la succión que hace el pistón al descender, que es similar a la que hace el émbolo de una jeringa cuando es jalado hacia fuera del cuerpo de la misma. El cilindro (M), que es como un tubo que se encuentra adentro del motor, se llena de la mezcla a la que nos referimos arriba y este tiempo termina al llegar el pistón al punto muerto inferior, que como ya dijimos, es el punto más bajo de su carrera.
El pistón (N) se encuentra en su parte mas baja del recorrido que también se llama punto muerto inferior, al concluir el tiempo de admisión y el cilindro se ha llenado de la mezcla de aire y gasolina a la que nos referimos en el párrafo anterior, ambas válvulas (A y J) se encuentran cerradas en esta ocasión el pistón sube hacia su punto muerto superior comprimiendo la mezcla en el interior del cilindro.
El pistón (N) se halla en la parte superior de su recorrido que para el caso del tiempo de compresión se conoce como "Punto muerto superior de compresión" y la mezcla, como se indica en el párrafo anterior, se halla comprimida debido a que ambas válvulas (A y J) se hallan cerradas. La bujía "K" produce una chispa que inflama a la mezcla de aire y combustible, con lo que el pistón es forzado a descender violentamente por la fuerza generada por la inflamación hacia su punto muerto inferior. Esta es la única carrera útil de los cuatro tiempos.
El pistón se halla en su punto muerto inferior tras haber sido desplazado ahí por la fuerza de la explosión la válvula de escape(J) se abre y el pistón sube al punto mas alto de su carrera impulsado por el movimiento de los demás pistones forzando así a los gases resultados de la combustión a salir por la válvula abierta.
Motor de dos tiempos:
El principio general del motor de dos tiempos es la reducción de la duración de los periodos de absorción de combustible y de expulsión de gases a una parte mínima de uno de los tiempos, en lugar de que cada operación requiera un tiempo completo. El diseño más simple de motor de dos tiempos utiliza, en lugar de válvulas de cabezal, las válvulas deslizantes u orificios (que quedan expuestos al desplazarse el pistón hacia atrás). En los motores de dos tiempos la mezcla de combustible y aire entra en el cilindro a través del orificio de aspiración cuando el pistón está en la posición más alejada del cabezal del cilindro. La primera fase es la compresión, en la que se enciende la carga de mezcla cuando el pistón llega al final de la fase. A continuación, el pistón se desplaza hacia atrás en la fase de explosión, abriendo el orificio de expulsión y permitiendo que los gases salgan de la cámara.
- 1er Tiempo: el pistón está en el punto mas alto de su carrera, se produce la inflamación. Los gases se expanden hasta que el pistón abre la lumbrera de escape, por donde se evacua el gas, impulsado por la elevada presión que todavía posee. A medida que el pistón baja comprime el fluido de trabajo del cárter. Al seguir bajando, abre la lumbrera que comunica con el cárter. Este fluido barre los gases de combustión hacia la lumbrera de escape.
- 2do Tiempo: el pistón comienza a subir desde el punto mas bajo que alcanza el pistón en su carrera, completando la fase de barrido y admisión hasta que cierra las lumbreras de escape y admisión. En ese momento comienza la compresión hasta llegar al punto mas alto. Al mismo tiempo, la lumbrera de admisión queda abierta y entra el fluido en el cilindro.
Motor de carga estratificada
Una variante del motor de encendido con bujías es el motor de carga estratificada, diseñado para reducir las emisiones sin necesidad de un sistema de recirculación de los gases resultantes de la combustión y sin utilizar un catalizador. La clave de este diseño es una cámara de combustión doble dentro de cada cilindro, con una antecámara que contiene una mezcla rica de combustible y aire mientras la cámara principal contiene una mezcla pobre. La bujía enciende la mezcla rica, que a su vez enciende la de la cámara principal. La temperatura máxima que se alcanza es suficiente como para impedir la formación de óxidos de nitrógeno, mientras que la temperatura media es la suficiente para limitar las emisiones de monóxido de carbono e hidrocarburos.
- Motores cíclicos Otto o de gasolina:
El motor convencional del tipo Otto es de cuatro tiempos, es decir, que el ciclo completo del pistón tiene cuatro fases, dos hacia el cabezal cerrado del cilindro y dos hacia atrás. Durante la primera fase del ciclo el pistón se mueve hacia atrás mientras se abre la válvula de admisión. El movimiento del pistón durante esta fase aspira hacia dentro de la cámara la cantidad necesaria de la mezcla de combustible y aire. Durante la siguiente fase, el pistón se mueve hacia la cabeza del cilindro y comprime la mezcla de combustible contenida en la cámara. Cuando el pistón llega hasta el final de esta fase y el volumen de la cámara de combustión es mínimo, la bujía se activa y la mezcla arde, expandiéndose y creando dentro del cilindro la presión que hace que el pistón se aleje; ésta es la tercera fase. En la fase final, se abre la válvula de escape y el pistón se mueve hacia la cabeza del cilindro para expulsar los gases, quedando preparado para empezar un nuevo ciclo.
El ciclo diesel difiere del ciclo Otto en que la combustión tiene lugar a un volumen constante en lugar de a una presión constante. La mayoría de los motores diesel tienen también cuatro tiempos, si bien las fases son diferentes de las de los motores de gasolina. En la primera fase se absorbe solamente aire hacia la cámara de combustión. En la segunda fase, la de compresión, el aire se comprime a una fracción mínima de su volumen original y se calienta hasta unos 440 ºC a causa de la compresión. Al final de la fase de compresión el combustible vaporizado se inyecta dentro de la cámara de combustión y arde inmediatamente a causa de la alta temperatura del aire. Algunos motores diesel utilizan un sistema auxiliar de ignición para encender el combustible para arrancar el motor y mientras alcanza la temperatura adecuada. La combustión empuja el pistón hacia atrás en la tercera fase, la de potencia. La cuarta fase es, al igual que en los motores Otto, la fase de expulsión.
