Motores de Gasolina

Cómo Funcionan los Motores de Automóviles
¿Ha usted abierto alguna vez el capó de su auto y preguntado qué es lo que pasa ahí? Los motores de auto pueden llegar a lucir como una gran jungla confusa de metal. Tal vez quiera saber qué pasa ahí solamente pro curiosidad. Después de todo, usted pasea todos los días en su auto -¿no sería agradable saber cómo funciona?-. O tal vez está cansado de ir al mecánico para que le hable de cosas de las que usted no sabe absolutamente nada y además de eso le cobren por ello. O quizás usted desea comprar un auto nuevo, y ha escuchado de cosas como "3.0 litros V6" o "arbol doble de levas" o "sistema de inyección multipunto". ¿Qué significa todo eso?.

El Comienzo

Un auto es uno de los más complicados objetos que una persona observa durante un día normal. Los autos tienen miles de partes, y todas ellas funcionan en conjunto día a día. Sin embargo, los principios básicos detrás de todos los motores de autos son muy simples y una vez los entienda muchas cosas acerca de los carros tendrán sentido.

Comencemos desde lo primero: ¿Porqué tiene un auto? Respuesta: para desplazar su cuerpo y sus cosas de un lugar a otro. Eso es lo que hace un auto. Si fuera a una cabina telefónica, marcara un número y si de alguna forma su cuerpo fuera transmitido a otro lugar (como hacen en viaje a las estrellas en el cuarto de transportación) ¿tendría usted auto? De ninguna manera. Es por esto que en viaje a las estrellas nadie tiene autos. [Lógicamente esto lo lleva a preguntarse porqué el capitán Kirk necesita una nave -¿porqué simplemente todos se quedan en el planeta tierra y se teletransportan a todos esos diferentes lugares instantáneamente en lugar de enredarse con la nave Enterprise? Tal vez el teletransportador sólo puede transportar a cierta distancia...]

Así que debe tener un auto hasta que se invente el cuarto de transportación. La siguiente pregunta es: ¿porqué cada auto, motocicleta, podadora y demás son movidos por la gasolina? Porque la gasolina tiene una extremadamente alta densidad de energía, porque es barata (en relación a las alternativas) y porque es fácil y relativamente seguro utilizarla. En comparación, toma cerca de 1000 libras de ácido de batería almacenar la misma cantidad de energía que un galón (7 libras) de gas. Le tomaría varias horas recargar las baterías pero tardaría cerca de 15 segundos bombear un galón de gas. Es por eso que no hay muchos autos eléctricos, el gas es facilidad.

El propósito de un motor de auto a gasolina es, convertir la gasolina en movimiento para que se pueda mover. Actualmente la manera más fácil de crear movimiento con la gasolina es quemarla dentro del motor. Entonces, un motor de auto está generalmente relacionado con una máquina de combustión interna. Hay dos cosas que resaltar:

• También existen los motores de combustión externa. Motores a vapor en los viejos trenes y botes son los mejores ejemplos de máquinas de combustión externas. El combustible (carbón, madera, aceite, lo que sea) en una máquina de vapor quema fuera de la máquina para crear vapor y el vapor genera movimiento dentro de la máquina. El resultado en combustión interna es mucho más eficiente (gasta menos combustible por milla) que la combustión externa, además de ello las máquinas de combustión interna son mucho más pequeñas que su equivalente en combustión externa. Esto explica porqué no vemos autos de Ford y GM utilizando motores a vapor.
  
• Existen también diferentes tipos de de combustión interna. El motor con turbina de gas es otro de combustión interna. Las turbinas de gas tienen interesantes ventajas y desventajas, pero su principal desventaja ahora mismo es su alto precio de fabricación (son más costosos que los motores de pistón usados en los autos de hoy).

   

Para entender el motor de un auto debe entender cómo funciona la combustión interna en un motor de pistones.

Combustión Interna
Para enteder la idea básica detrás de cómo funciona un motor de combustión interna recíproca, imagine el siguiente aparato. Digamos que se toma un pedazo de tubería de plástico, tal vez de 3 pulgadas de diámetro y 3 pies de largo. Digamos que se coloca una tapa en un extremo. En ese extremo se hizo un pequeño hueco, y a tra véz de él se introdujo algo como una bujía o algo que pueda crear una chispa. Digamos entonces que se rocía un poco de gasolina. Por último colocamos una papa (o algo así) dentro del tubo. Así:

¡No recomiendo que haga esto!, pero digamos que sí. Lo que obtendríamos sería un aparato conocido cumunmente como un "cañon de papas". Lo interesante, y la razón de porqué se tiene en cuenta tal aparato, es que este puede lanzar una papa a una distancia de ¡700 pies (casí 2 campos de football)! El cañon de papas utiliza el pricipio básico de las máquinas de combustión interna: Si se coloca una pequeña cantidad de combustible de alta energía (como la gasolina) en un pequeño, y cerrado espacio y lo enciende, una increible cantidad de energía es despedida en forma de gas expandiéndose. Puede utilizar esa energía para propulsar una papa a 700 pies. Es este caso la energía es transformada en el movimiento de la papa. Puede utilizarlo también para otros propósitos. Por ejemplo, si pudiera crear un ciclo que le permitiera ejecutar explosiones como esta cientos de veces por minuto, y si pudiera utlizar esa energía de manera eficiente, lo que ha obtenido es la idea del motor de un auto.

 Casi todos los autos de hoy utilizan lo que es llamado un ciclo de combustión de cuatro tiempos para convertir gasolina a movimiento. El ciclo de cuatro tiempos también es conocido como ciclo de Otto, en honor a Nikolaus Otto quien lo inventó en 1867. El ciclo es ilustrado en la siguiente figura. Estos son:

• Succión.
  
• Compresión.
  
• Encendido.
  
• Descarga.
  

Note que el movimiento que viene de una combustión interna es rotacional, mientras que el movimiento que obtuvo la papa es lineal. En una máquina el movimiento lineal es convertido a rotacional por la polea. El movimiento rotatorio es conveniente porque deseamos rotar las ruedas del auto como sea.

Hasta ahora el concepto ha sido muy simple. Ahora veamos todas las partes que trabajan juntas para hacer esta operación.

Partes de un Motor
La figura de la izquierda indica todas las partes en un motor de 4 ciclos simple. He aquí una simple descripción de cada una, además de un vocabulario que le ayudará a entender de qué se habla cuando de autos se trata.

• Cilindro: el pistón se mueve de arriba a abajo dentro del cilindro. El motor descrito aquí tiene un cilindro. Lo que es típico en las máquinas cortadoras de césped, pero los autos tienen más de un cilindro (4, 6 y 8 son los más comunes). En motores multi-cilindros estos están colocados en una de tres formas: en línea, en V u opuestos, tal como se muestra:

  
  Diferentes configuraciones tienen direfentes efectos, costos de fabricación y características que las hacen más convenientes a algunos vehículos.
  

• Productor de chispa: Este provee la chispa que enciende la mezcla de aire/combustible para que pueda ocurrir la combustión. La chispa debe suceder justo en el momento exacto.
  
• Válvulas: Las válvulas de succión y descarga se abren en el instante en que la mezcla entra y cuando sale. Note que las válvulas están cerradas durante la compresión y la combustión mientras que la cámara de combustión está sellada.
  
• Pistón: un pistón es una pieza de metal cilíndrica que se mueve de arriba a abajo dentro del cilindro.
  
• Anillos del Pistón: proveen un sello movible entre los bordes exterior e interior del cilindro. Los anilos sirven para dos propósitos 1) Previenen que la mezcla de aire/combustible en la cámara de combustión se filtre durante la compresión y combustión, y 2) Mantienen al aceite lejos del área de combustión, donde sería quemado. La mayoría de autos "queman aceite" y se les debe añadir un cuarto por cada 1000 millas.
  
• Cámara de combustión: esta es el área donde la compresión y la combustion tienen lugar. Mientras el pistón se mueve de arriba a abajo, puede ver que el tamaño de la cámara de combustión cambia. Tiene un volumen máximo y un mínimo. La diferencia entre el máximo y el mínimo es llamada desplazamiento, y es medida en litros o en centímetros cúbicos (CC's) donde 1000 cc equivalen a un litro. Así que si tiene un motor de cuatro cilindros y cada cilindro se desplaza medio litro, entonces el motor es "un motor de 2.0 litros". Si cada cilindro se desplaza medio litro y hay 6 cilindros colocados en V tiene un "3.0 litros V6". Generalmente el desplazamiento le dice algo acerca de cuánto poder tiene un motor. Un cilindro que desplace medio litro puede almacenar el doble de aire/combustible que desplaza un cuarto de litro, y por ello se esperará cerca del doble de poder del cilindro más grande (si todo lo demás es igual). Así que un motor 2.0 litros es la mitad de poderoso que uno 4.0 litros. Puede obtener mayor desplazamiento incrementando el número de cilindros o agrandando la cámara de combustión (o los dos).
  
• Conector: conecta el pistón a la polea. Puede rotar y moverse para que la polea ruede.
  
• Polea: hace que el movimiento de arriba a abajo de pistón se transforme en un movimiento circular.

Un día se levanta en la mañana y acciona su auto pero este no funciona... ¿Qué puede estar mal? Ahora que sabe cómo funciona un motor, puede entender las cosas básicas que mantienen a un motor trabajando. Hay tres cosas fundamentales que pueden ayudar a mantener la máquina malfuncionando: una mala mezcla de combustible, falta de condensación o falta de chispa. Detrás de esto hay cientos de cosillas que pueden provocar problemas, pero estas son el "gran árbol". Basados en el motor simple del que hemos estado hablando, he aquí una guía rápida de esos problemas que afectan su máquina:

• Mala mezcla de combustible: una mala mezcla de combustible puede ocurrir de varias maneras. Quizás usted está sin gas, y la máquina está recibiendo aire pero no combustible. O el aire succionado podría estar siendo estorbado y tendría combustible pero no aire. O el sistema de combustible puede estar entregando mucho o poco combustible a la mezla, haciendo que la combustión no opere normalmente. O puede haber impurezas en el combustible (como agua en su tanque de gas) que hace que el combustible no se queme.
  
• Falta de compresíon: si la carga de aire y combustible no puede ser comprimida apropiadamente, entonces el proceso de combustión no funciona como debería. Esto puede ocurrir si 1) sus anillos del pistón están trabajando mal (permitiendo que el aire/combustible atraviese el pistón durante la compresión), o 2) si las válvulas de succión o descarga no están sellando apropiadamente, o 3) el cilindro tiene un orificio. El "orificio" más común en un cilindro ocurre en la parte superior del cilindro (lo que sostiene las válvulas y el generador de chispas) (también conocido como la cabeza del cilidro) se ata a sí mismo. Generalmente el cilindro y la cabeza del cilindro se unen con una placa entre ellos para asegurar un buen sello. Si la placa se rompe se crean pequeños orificios entre el cilindro y la cabeza y estos orificios causan escapes.
  
• Falta de Chispa: la chispa puede no existir o ser débil por varias razones. Si su generador de chispas o el alambre conectado a ella está defectuoso la chispa será débil. Si el alambre no existe, o el sistema que envía una chispa a atra véz del alambre no trabaja apropiadamente, no habrá chispa. Si la chispa ocurre antés o despues del ciclo el combustible no se encenderá en el momento apropiado y puede ocasionar una gran gama de problemas.

Subsistemas del Motor
Como puede ver en las descripciones de arriba, una máquina tiene varios subsistemas que ayudan a hacer su trabajo para convertir combustible en movimiento. La mayoría de esos subsistemas pueden ser implementados utilizando diferentes tecnologías, y mejores tecnología pueden mejorar el rendimiento del motor. He aquí una descripción de todos los diferentes subsistemas usados en los motores modernos:

• Sistema de lubricación: asegura que en cada movimiento del motor éste reciba aceite para que se puedar mover con facilidad. Las dos principales cosas que necesitan aceite son los pistones (para que se puedan deslizar fácilmente en su cilindro) y la polea para que pueda rotar libremente. En la mayoría de los autos el aceite es succionado por una bomba, corre hacia el filtro para quitarle impurezas, y luego lanzado en chorritos a las paredes del cilindro. El aceite usado es recolectado y utilizado para repetir el ciclo.
  
• Sistema del combustible: bombea gasolina desde el tanque y lo mezcla con aire para que pueda ir a los cilindros. Hay tres maneras comunes de repartir el combustible: carburación, inyección directa e inyección de puerto. En la carburación un aparato llamado carburador mezcla gas con aire y lo envía al motor. Para motores de inyección de combustible (fuel inyection) el combustible es inyectado individualmente a cada cilindro justamente a la válvula de succión (inyección de puerto) o directamente en el cilindro (inyección directa).
  
• Sistema de descarga: incluye el tubo de escape y el mofle. Sin un mofle lo que se escucharía es el ruido de muchas pequeñas explosiones que vienen al escape. Un mofle reduce el sonido.
  
• Tren de válvulas: se consta de las válvulas y un mecanismo que las abre y cierra. El sistema de abrir y cerrar es llamado árbol de levas. El árbol de levas tiene mecanismos que mueven las válvulas de arriba a abajo, como se muestra en la figura.
  La mayoría de motores modernos tienen lo que es llamado árbol de levas superior. Esto significa que el árbol de levas está ubicado sobre las válvulas (como se muestra en la figura). El árbol de levas activa las válvulas directamente mediante una unión muy breve. Los motores más antiguos utilizan un árbol de levas ubicado en un sumidero cerca a la polea.
  
• Sistema de encendido: produce un alto voltaje eléctrico y lo transmite al productor de chispas por medio de cables de encendido. La carga primero va a un ditribuidor, el cual se puede encontrar fácilmente bajo el capó de la mayoría de los autos. El distribuidor tiene un cable central y 4, 6 ó 8 cables (dependiendo del número de cilindros) adicionales. Esos cables de encendido envían la carga a cada generador de chispa.
  
• Sistema de enfriamiento: en la mayoría de los autos se consta del radiador y una bomba de agua. El agua que circula por pasages alrededor del cilindro y viaja al radiador para enfriarlo. En unos cuantos autos (más notablemente en los Volkswagen Beetles), así como en las motocicletas y podadoras, el motor está sometido a aire frío. El aire frío hace que la máquina no se caliente demasiado.
  
• Sistema de succión de aire: en la mayoría de los autos el aire fluye a travéz de un filtro directo a los cilindros. Las máquinas de alto desempeño están turbo cargadas o super cargadas, haciendo que el aire que llegue a la máquina sea primero presurizado (así que más mezcla de aire/combustible puede ser metida en cada cilindro) para incrementar la eficiencia. La cantidad de presurización es llamada "empujón". Los turbo cargadores utilizan una pequeña turbina atada al tubo de escape que activa una turbina compresora en el flujo de aire entrante. Los super cargadores están atados directamente al motor para activar el compresor.
  
• Sistema de arranque: se consta de un motor encendedor eléctrico y un solenoide. Cuando se voltea la llave en el encendedor el motor de arranque rota el motor unas pocas revoluciones para que el proceso de combustión pueda comenzar. El arranque debe superar: 1) toda la fricción interna causada por los anillos del pistón, 2) la presión de compresión de cualquier cilindro, 3) la energía necesitada para abrir y cerrar válvulas con el árbol de levas, y 4) todas las otras cosas relacionadas a la máquina como la bomba de agua, de aceite, alternador, etc. Debido a esto se necesita mucha energía y ya que un auto utiliza un sistema eléctrico de 12 voltios, cientos de amperios de electricidad deben correr en el motor de encendido. El solenoide es esencialmente un gran switch electrónico que puede soportar tal corriente. Cuando se acciona la llave se activa el solenoide para alimentar el motor.
  
• Sistema de control de emisiones: se consta de un convertidor catalítico, una colección de sensores y accionadores, y una computadora para ajustar todo. Por ejemplo, el convertior catalítico utiliza un catalizador y oxígeno para quemar cualquier combustible sin uso y otros químicos en la descarga. Un sensor de oxígeno verifica que haya suficiente disponible para que el catalizador trabaje y ajusta las cosas si es necesario.
  
• Sistema eléctrico: se consta de una batería y un alternador. EL alternador está conectado al motor por un cinturón y genera electricidad para recargar la bateria. La batería genera 12 voltios de poder para todo lo que en el auto necesita electricidad (sistema de arranque, radio, luces, vidrios eléctricos, asientos eléctricos, computadoras, etc.) a travéz del cableado del vehículo.

Cómo hacer que un Motor genere más Poder
Utilizando toda esta información puede comenzar a ver que hay muchas diferentes maneras de hacer que las máquinas mejoren su rendimiento. Los fabricantes de autos están constantemente jugando con todas las siguientes variables para hacer a las máquinas más poderosas y/o más ahorradoras de combustible.

• Incrementar el desplazamiento: esto significa más poder porque puede quemar más gas durante cada revolución del motor. Puede incrementar el desplazamiento haciendo que el cilindro más grande o añadiendo más cilindros. 12 cilindros parecer ser el límite práctico.
  
• Incrementar el porcentaje de compresión: produce más poder, hasta cierto punto. Entre más se comprima la mezcla aire/combustible, más espontánea es la explosión (antes de que la chispa la encienda). Las gasolinas de alto octano previenen este tipo de combustiones tempranas. Es por esto que los autos de alto desempeño generalmente necesitan gasolina de alto octano -sus máquinas utilizan altos porcentajes de compresión para tener más poder-.
  
• Llenar más cada cilindro: Si coloca más aire (y combustible) en cada cilindro de determinado tamaño, puede obtener más poder del cilindro (de la misma forma que habría aumentado el tamaño del cilindro). Los turbo cargadores y super cargadores presurizan el aire entrante para colocar más aire efectivamente en cada cilindro.
  
• Enfriar el aire entrante: comprimir el aire eleva su temperatura. Debería tener el aire más fresco en el cilindro porque el caliente es el más escaso porque se expande cuando la combustión se produce. Por esto muchos autos con super cargador y turbo cargador tienen un enfriador interno. Este es un radiador especial en el que el aire comprimido pasa para ser enfirado antes de que entre al cilindro.
  
• Dejar que el aire entre más fácil: a medida que el pistón se mueve en la fase de succión, la resistencia del aire puede quitar poder de la máquina. La resistencia del aire puede ser reducida dramáticamente colocando dos válvulas de succión en cada cilindro. Algunos autos modernos lo utilizan. Los filtros de aire grandes también pueden mejorar el flujo de aire.
  
• Dejar que la descarga salga más fácilmente: si la resistencia del aire hace que se le dificulte la salida a la descarga del cilindro, le quita poder a la máquina. La resistencia del aire puede ser reducida añadiendo una segunda válvula de descarga a cada cilindro (un auto con 2 válvulas de succión y descarga tiene 4 válvulas por cilindro, lo que mejora el desempeño -cuando oiga que un comercial de autos que diga que tiene 4 cilindros y 16 válvulas, lo que está diciendo es que la máquina tiene 4 válvulas por cilindro-). Si el tubo de escape es muy pequeño o el mofle tiene gran cantidad de resistencia de aire entonces esto puede causar una presión que tiene el mismo efecto. Los sistemas de descarga de alto desempeño utilizan cabeceras, grandes tubos de escape para eliminar la presión en el sistema de descarga. Cuando escuche que un auto tiene "descarga dual", la meta es mejorar el flujo de la descarga mediante dos tubos de escape en lugar de uno.
  
• Hacer todo menos pesado: las partes ligeras ayudan al motor a que se desempeñe mejor. Cada vez que un pistón cambia la dirección utiliza energía para detener el recorrido en una dirección y comenzar en otra. Entre más ligero el pistón, menos energía toma.
  
• Inyección de combustible: permite tener una medida precisa de combustible para cada cilindro. Esto mejora el desempeño y la economización de combustible.

• ¿Cuál es la diferencia entre un motor a gasolina y un motor diesel? En un motor diesel no hay chispa de encendido. En cambio, el combustible diesel es inyectado al cilindro y el calor y la presión de la compresión hace que el combustible se encienda. El combustible diesel tiene una desidad de energía más alta que la gasolina, así que las máquinas diesel tienen mayor kilometraje.
  
• ¿Cuál es la diferencia entre en motor de dos tiempos y uno de cuatro? La mayoría de sierras y motores de bote utilizan motores de dos tiempos. En los motores de dos tiempos no hay válvulas movibles y el generador de chispas dispara cada vez que el pistón alcanza la cima de su ciclo. Un hueco en la parte más baja de la pared del cilindro deja entrar gas y aire. A medida que el pistón se mueve de arriba a abajo es comprimido, el productor de chispa inicia la combustion, y la descarga sale a través de otro hueco en el cilindro. Debe mezclar aceite y gas en un motor de dos tiempos porque los huecos en el cilindro previenen el uso de anillos para sellar la cámara de combustion. Generalmente lás máquinas de dos tiempos producen una gran cantidad de poder en relación a su tamaño porque hay dos veces más ciclos de combustion por rotación. De todos modos, estas utilizan más gasolina y queman grandes cantidades de aceite, así que son contaminantes.
  
• Se mencionaron las máquinas de vapor en este artículo, ¿hay algunas otras ventajas de las máquinas a vapor y otros tipos de máquinas de combustión interna? la principal ventaja es que puede utilizar cualquier cosa que queme así como el combustible. Por ejemplo, las máquinas de vapor pueden utilizar carbón, madera o papel como combustible, mientras que una máquina de combustión interna necesita puro, combustible de alta calidad líquido o gaseoso.
  
• Existen otros ciclos detrás del ciclo de Otto usados en los motores de autos? el ciclo de dos tiempos es diferente, como en el ciclo diesel descrito arriba. También existe el ciclo Wankle usado en motores rotatorios (Mazda utilizó una vez el ciclo Wankle pero ya no lo hace - estas máquinas son ligeras por el poder que producen pero utilizan gran cantidad de gas y no demora casi tiempo-). La máquina el el Mazda Millenia utiliza una modificación del ciclo de Otto llamado el ciclo Miller. Las turbinas de gas utilizan el ciclo Brayton.
  
• ¿Porqué tener 8 cilindros en una máquina?, ¿porqué no tener un gran cilindro del mismo desplazamiento en vez de los 8 cilindros? Hay un puñado de razones de porqué un motor de 4.0 litros tiene 8 cilindros en vez de un gran cilindro de 4 litros. La razón principal es la suavidad. Un motor V8 es más suave porque tiene 8 explosiones uiformemente espaciadas en vez de una gran explosión. Otra razón es el torque de arranque. Cuando se arranca un motor V8 se están utilizando 2 cilindros (1 litro) a travéz de sus choques de compresión, mientras que un solo gran cilindro comprimirá 4 litros en cambio.