Motores de pistones (II)

En el primer post dedicado a los motores de pistones se exponía el esquema que se muestra debajo. En él se puede ver una clasificación muy general para poder situar a este tipo de motores dentro de lo que se conoce como máquinas térmicas. La máquina térmica se representa como un dispositivo mecánico (círculo amarillo) que utiliza la energía de un foco caliente (Qc) para producir un trabajo (la letra "W" representa el trabajo -Work en inglés-). En este proceso no se puede aprovechar toda la energía, y parte se pierde en forma de calor (Qf). Cuanto menos calor se pierda en el proceso más eficiente se puede decir que es una máquina.

El principio de funcionamiento de una máquina térmica es relativamente sencillo si se entiende que hay ciertas reglas en la física. Existen ciertas cosas que pueden ocurrir en la naturaleza y ciertas que no pueden ocurrir. Los ingenieros y expertos en termodinámica saben muy bien lo que se dice de forma simplificada a continuación.

En el esquema de arriba se ejemplifica dos leyes fundamentales en termodinámica.

1.- Q = Delta U + W

2.- Existen procesos reversibles e irreversibles.

En general, podemos definir la energía como la capacidad de hacer un trabajo (W). Además sabemos que en física trabajo es igual a fuerza por distancia (W = F x D). En física, si no somos capaces de mover nada, cuando por ejemplo intentamos mover una pared, entonces no hacemos trabajo alguno, aunque hagamos un gran esfuerzo:

Un motor es una máquina que transforma cualquier tipo de energía que se le aplique, en energía mecánica para obtener movimiento. En un motor de combustión interna como el que se utiliza en los coches y en los aviones, el pistón que baja en el cilindro empuja y mueve el cigüeñal, por lo tanto se efectúa un trabajo. El trabajo se mide en julios, que es la misma unidad que se utiliza para medir la energía y el calor. Los combustibles contienen energía almacenada en las moléculas de su composición química. 1 Lb (454 gramos) de gasolina, por ejemplo, contiene unos 20.000 BTUs. Un BTU (British Thermal Unit «unidad térmica británica») se define como la cantidad de calor necesario para incrementar 1 grado Fahrenheit 454 gramos (1 Lb) de agua. 

La gasolina mezclada con el aire en proporción conveniente, se comprime en un cilindro mediante un pistón o émbolo y se hace explosionar la mezcla por medio de una chispa proporcionada por un sistema de encendido. La enorme fuerza explosiva es recibida por el pistón y se convierte en energía mecánica por el mecanismo clásico de biela-manivela. (la manivela está formada por dos brazos del cigüeñal y la muñequilla que une los mismos).

En cada motor de pistones:

1. Se absorbe calor de una fuente de alta temperatura
2. Se efectúa un trabajo (W)
3. Se pierde calor a una menor temperatura

Si nos preguntamos sobre la cantidad de eficiencia que tiene un motor de pistones, la respuesta puede llegar a ser contraintuitiva. A pesar de que los usamos constantemente, estas máquinas son muy ineficientes comparadas con tras cosas que ya existen en la naturaleza. Un motor de pistones suele emplear el 30% de la energía en producir trabajo y el 70% se suele perder en forma de calor. En comparación, por poner un ejemplo sencillo, una célula humana, se relaciona con el medio y se la considera un 95% eficiente. Los sensores de los paneles solares actuales, a pesar de los avances, son otro buen ejemplo de ineficiencia. 

El calor se transfiere por conducción, convección o radiación. Para entender mejor el principio de operación de estos motores se debe de revisar la ley de Boyle y Mariotte, la ley de Charles y la ley de los gases perfectos. No tenemos espacio aquí para hablar con detalle de todas estas cosas. Pasamos pues a la terminología y la nomenclatura en español e inglés.

Dentro de cada cilindro (ver figura debajo), tapado por la parte alta con la culata, y ajustándose a sus paredes, se desliza arriba y abajo un pistón o émbolo (D), enlazado por un bulón (F) a una biela (G), articulada en ambos extremos, se enlaza a la muñequilla o codo del cigüeñal, que es el eje de giro cuya rotación se transmite a las ruedas en los coches y a la hélice en los aviones.

La válvula de mariposa (A) deja entrar la mezcla aire/combustible dentro del cilindro gracias a un sistema de válvulas (C), accionadas por un árbol de levas (B). Cuando el pistón recibe la mezcla y la comprime, se aplica una chispa que genera una mal llamada explosión. En realidad es un quemado controlado más parecido a una deflagración.  Una vez producido el quemado de la mezcla aire-gasolina, el pistón se desplaza con fuerza hacia abajo y su movimiento rectilíneo se convierte, por medio de la biela, en movimiento circular (giro del cigüeñal). Recíprocamente, si éste gira, el pistón a él enlazado por la biela tendrá que moverse arriba y abajo del cilindro. 

Rocker arm = balancín. Cam shaft = árbol de levas. Oil sump = depósito de aceite. Push rod = varilla. Throttle valve = válvula de mariposa. spark plug = bujía. Cooling fins = aletas de refrigeración. Crankshaft = cigüeñal.

La posición más baja del codo corresponde al punto más bajo del recorrido del émbolo, donde cambia de dirección su movimiento rectilíneo, pues si el cigüeñal sigue girando, el pistón, que antes bajaba, tendrá que subir; esta posición conjunta más baja del codo y del pistón se llama punto muerto inferior (PMI o BDC en inglés - Bottom Death Centre). Cuando el codo del cigüeñal está lo más alto posible, también el pistón está en la parte más elevada de su recorrido, donde cambia nuevamente de sentido su movimiento al seguir girando el cigüeñal; es el punto muerto superior(PMS o TDC en inglés - Top Death Centre). Ver ilustraciónes debajo.

El llamado "Clearence volume" en inglés es lo que decimos en español "cámara de compresión. En algunos motores se alcanzan temperaturas extremadamente altas en las cámaras de compresión y para prevenir daños en las válvulas se suele añadir sodio (Na) en el interior de estas. Con este procedimiento, la cabeza de la válvula puede soportar 700° C sin problemas.

La cantidad de veces que el "clearence volume" está contenido en la carrera del pistón (stroke) es lo que llamamos nivel de compresión (compression  ratio) del motor. En el ejemplo que sigue se puede ver que el grado de compresión es 5 a 1. Cuando el grado de compresión es muy alto se corre el riesgo de que se produzca una pre-ignición y posterior detonación. La detonación es una explosión violenta indeseable que puede dañar el mecanismo del motor. Para evitar las detonaciones en los motores de aviación se utiliza un mayor octanaje que en los coches (100 octanos en vez de 98 o 96).

En el siguiente post seguiremos hablando del rendimiento, la potencia y su medición en los motores de pistones.