[TÉCNICA] ¿Cómo funciona un motor de gasolina?

[Carlos VW]

Cómo funciona un motor de gasolina

Primero, hagamos una pequeña introducción, por eso de quedar bien con el inventor.
Aunque se suele conocer como "motor de gasolina", en realidad se llama motor Otto, en honor a la persona que lo ideó.

Y no, no fue éste Otto el que lo inventó. Aunque reconoced que hubiese molado. Se trata de este otro: Nikolaus August Otto. Fue una lluviosa tarde de 1876.

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Bueno, tras la breve (brevísima) introducción histórica, vayamos a lo que interesa de verdad.
Primero se hará una clasificación según el sistema de aportación de combustible. A continuación se describirán los 4 tiempos del motor Otto. Luego se relatará cómo se regula la potencia y por último, cómo se realiza la combustión. Así que vamos por faena:

Tipología

- Carburador. Es el sistema de alimentación que se usaba antiguamente. Se basa en el efecto Venturi. A ver, traduzco: dicho efecto se origina cuando disminuimos la sección de un conducto para volver a agrandarlo después. Aquí se origina una depresión, causada por el aumento de la velocidad del fluido. Para un mismo caudal de fluido, si hacemos más pequeña el área de paso, éste debe pasar más rápido necesariamente. Lógico, ¿no? En el lugar de la depresión, se coloca un tubito por el que se aspira el combustible y se mezcla en el flujo de aire.

- Inyección monopunto. Este sistema tampoco se usa ya. De hecho, se ideó con la única premisa de ahorrarse los costes de desarrollo de un motor nuevo. Una ñapa, vamos. Todos sabemos que las normas anticontaminantes se hacen cada vez más duras. Así, cuando con el carburador ya no se podían pasar, se sustituyó por este sistema, algo más limpio y, sobretodo, con el que se podía controlar el parámetro inyección. Consistía básicamente en quitar el carburador y colocar un inyector en su lugar.

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Duró poco, puesto que la normativa se volvió a endurecer y entró en juego la siguiente evolución:

- Inyección multipunto. Consiste en un inyector por cilindro. Este tipo de inyección se puede dividir en 2 grupos, según el lugar donde se inyecte el combustible:

       o   Inyección indirecta. No se puede comparar con la inyección indirecta Diesel. El inyector se sitúa justo antes de la válvula de admisión. En los Diesel se inyectaba en la culata, bajo una elevada presión. Aquí se inyecta en el colector de admisión, a presión atmosférica (aproximadamente).

       o   Inyección directa. El inyector está dentro de la cámara de combustión. Así pues, aquí se deberá inyectar con más presión, pero no tanta como en un Diesel, puesto que la relación de compresión de un motor Otto es mucho menor. Las ganancias que se obtienen con la inyección directa de gasolina no son las mismas que con los motores Diesel. Así pues, que no os venga un avezado vendedor de coches y os venda la moto. Actualmente se tiende por el camino de la inyección directa. Sobretodo si se apoya con una buena sobrealimentación (y esto no quiere decir ponerse hasta las trancas de comer). Ahí están los motoracos TSI, de Volkswagen que corren que se las pelan o bien consumen poco. Si les pisas, consumen. No hay milagros cuando se habla de tecnología. Es lo que hay.

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Como los motores de gasolina que reinan hoy día son los multipunto de inyección indirecta, nos centraremos en éstos para explicar su ciclo de funcionamiento. Así que venga:


Los 4 tiempos del ciclo Otto

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Bueno, aquí estamos con la clásica imagen del cilindro haciendo su trabajo de forma secuencial. Fijaros en la situación del inyector de combustible: justo antes de la válvula de admisión. Es el sitio donde se sitúa en los motores de inyección indirecta multipunto.

1.- Admisión. Se abre la válvula de admisión y el pistón tira p'abajo. Y lo que aspira no es aire, como en el motor Diesel. Aquí lo que entra es mezcla. Muy importante. Más tarde hablaremos de ella. Así pues, fijaros que la aportación de combustible en este tipo de motores es en el primer tiempo. En los Diesel era en el segundo, es decir, en la... :

2.- Compresión. Bueno. La válvula de admisión ya se ha cerrado y el pistón realiza su carrera ascendente. Así, se comprime la mezcla. Al comprimir elevamos su presión y temperatura. Lo malo es que aquí tenemos combustible de por medio, y si nos flipamos mucho puede PETAR por si sólo. Y eso no nos conviene, ¿verdad? ... ¿Verdad que no? ¡Decid que no, hombre! Como norma general, eso no suele ocurrir, y se termina la carrera de compresión felizmente y sin sobresaltos.

3.- Explosión. Cuando la mezcla está calentita y bajo presión, se enciende. ¿Cómo? Fácil. Con una chispa. La misma chispa que genera la bujía. Fijaros en una cosa importantísima: que podemos controlar el momento exacto de inicio de la combustión. ¿En un motor Diesel se podía? El que haya dicho que SÍ que se pegue una auto-colleja.
La capacidad de controlar el momento exacto de ignición es uno de los poderes que siempre ha ansiado el ser humano, casi tanto como ser el dueño del mundo.
Otra cosa muy importante es que aquí, a pesar del nombre de la fase, la mezcla no estalla, sino que se quema formando un frente de llama. Después se hablará de esto también. Y ahora, la última pantalla:

4.- Escape. No tiene mucho secreto ni hay diferencia respecto al motor Diesel: Se abre la válvula de escape y salen los gases ya quemados. Y a por otro ciclo, como los culturistas.

Bien, camaradas. Ahora sus vamos a explicar una cosilla muy importante en un motor de combustión interna. Se ha comentado que en los motores de ciclo Otto la relación aire-combustible está fijada, por que si no, la mezcla no se quema. Pero si eso está fijado, ¿cómo regulamos la entrega de potencia del motor? ¿Nos veremos obligados a ir a fondo todo el rato y a quemar rueda en los semáforos? Tranquilos. Eso sólo lo hacen los chicos tuning por que no saben nada acerca de:

La regulación de la carga en los motores de ciclo Otto

Antes de nada, que quede claro que esto no significa llenar más o menos el maletero. Cuando se habla de carga en el mundo motoril, se refiere a la posición del acelerador. Así, media carga quiere decir medio gas y plena carga, gas a fondo.
Bueno, respondamos a las preguntas expuestas unas líneas arriba. Tenemos una mezcla fijada. ¿Cómo regulamos la potencia? Pues variando la cantidad de mezcla. ¿Y cómo? Mirad, en los motores Diesel, el motor aspiraba todo el aire que podía y luego se aportaba el combustible. Bien. Pues entonces, en un motor Otto lo que tenemos que hacer es estrangularlo para que no pueda aspirar todo el aire (mezcla, en este caso) que pueda. La manera de estrangularlo es con la mariposa. Se trata de una válvula situada en el colector de admisión. Se controla con el pedal del acelerador, y regula el paso de aire hacia los cilindros. O sea que, los pistones intentan aspirar todo lo que pueden y esta válvula les corta el rollo. Y así va la cosa. Cuando la válvula se encuentra abierta a tope, es como si ésta no existiera, y es cuando el motor aspira todo lo que puede. En estas condiciones se va a plena carga. Es decir, a todo gas. Unas fotillos para aclarar el concepto:

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Y ahora os preguntaréis: Pero si los pistones intentan absorber todo lo que pueden y antes hay una válvula que se lo impide, estamos tirando energía, ¿no? Pozí. Esas pérdidas se llaman pérdidas de bombeo, y es una cagada del propio diseño del motor Otto. En algunos motores de inyección directa de gasolina se puede suprimir la mariposa, pues se forma una mezcla estequiométrica (relación aire:combustible de 14,7:1) alrededor de la bujía solamente. Es lo que se llama carga estratificada.

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Normalmente no se tiene esa suerte y tenemos que controlar los caballos con la mariposa, perdiendo rendimiento.
Creo que con esto habrá quedado más o menos claro qué es lo que pasa cuando movemos el pedal del acelerador.
Y ahora vamos a explicar algo que no se ve a simple vista y por eso mola más. Bueno, a mí me mola, ¿qué pasa?

La combustión en un motor de ciclo Otto

Tal y como ya se ha dicho, en el interior del pistón no explota nada, si todo va bien. En la cámara de combustión lo que se genera cuando salta la chispa es un frente de llama. ¿Que qué es eso? Imaginaros una escena de CSI: un tío entra en una habitación oscura llena de gas y enciende una cerilla para ver lo que hay. Entonces se inicia una combustión que va desde la cerilla hacía las paredes de la habitación. Y luego viene el Grissom y pone cara de circunstancia.

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En los motores no viene Grissom, pero la situación es bastante parecida. Para que os hagáis una idea de cómo se quema la mezcla dentro de la cámara de combustión ya va bien.
En el proceso de combustión de un motor Otto hay 2 conceptos básicos: la mezcla y la chispa.

La mezcla

Dicha mezcla esta compuesta por una relación más o menos fija de aire y combustible. Y esa relación no puede ser cualquiera. Repetid este número en voz alta delante del espejo y se os aparecerá el fantasma de Nikolaus Otto y os dará un ticket descuento para gasolina: 14,7. La mezcla (o relación) estequiométrica en un motor que se alimenta de gasolina (para otro combustible será otra relación distinta) es de 14,7 partes de aire por 1 de combustible, en masa. Si pones demasiado aire, la mezcla no quema. Y si pones demasiado poco aire, tampoco. Así que más nos vale mantenernos alrededor de dicha relación estequiométrica.

La chispa

Previamente se ha comentado que la mezcla se quema haciendo saltar una chispa. Y también se ha comentado el enorme poder que nos proporciona la posibilidad de controlar el momento exacto de inicio de la combustión.

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Así, podemos avanzar el encendido (el momento en que salta la chispa) para los momentos en los que la combustión tenga que ser rápida (altas rpm) o retrasarlo para evitar la detonación (fenómeno que se podría generar si repostamos combustible de menor octanaje al recomendado).
Tranquilos, el momento en el que salta la chispa no lo decidimos nosotros, sino el delco (en los motores antiguos) o la centralita (en los motores más modernos). Así que centraros en agarrar fuerte el volante y pisar el acelerador.

Y creo que ya vale por hoy. Os dejo con un par de vídeos que ilustran perfectamente todo lo explicado anteriormente.

En el caso del video "Deutz engine", se trata de un motor de inyección indirecta multipunto, con 16 válvulas (cada cilindro tiene 2 de admisión y 2 de escape). El fluido azul es el aire, el amarillo es el combustible, y el rojo son los gases quemados.

http://www.youtube.com/watch/v/qXA3tAROnBw

Y en este otro vídeo podéis ver cómo se realiza la combustión realmente. La velocidad se ha reducido muchísimo. A velocidad real no veríamos nada.


http://www.youtube.com/watch/v/ec0tczrYuYc

Y se acabó, ahora sí.

No dejen de ver el siguiente mini-post en el que haré una breve comparación Diesel-Gasolina. El combate del siglo. En los próximos días. Hagan sus apuestas.

P.D.: Gracias a Ooznak por poner correctamente los vídeos.

[gael160963]

P.D.: He tratado de poner los vídeos para que se vieran directamente aquí, pero no he podido. Si alguien sabe, que lo haga o me diga cómo hacerlo, por favor.

... ooznak siempre al loro 

... este post promete, estoy esperando el siguiente, a ver quien gana el combate 

[T3Power]

Impresionante el video real...

[mahou1979]

Me ha encantado, gracias Carlos VW 

[Esmolante]

 Acojonante!

Muy muy bueno.

[Carlos VW]

Hola a todos.

Solamente comentar que estoy abierto a toda clase de críticas (mejor si son constructivas  ). Así podré mejorar las siguientes entregas.
Me alegro que os haya gustado.

Un saludo.