Motores de combustión interna (ICE).

TIPOS DE MOTORES Y SU FUNCIONAMIENTO: UNA PERSPECTIVA HISTÓRICA.

La función principal de los motores de combustión interna (ICE) es convertir la energía química almacenada en el combustible en potencia mecánica. A diferencia de los motores de combustión externa, los motores de combustión interna liberan esta energía quemando (oxidando) el combustible dentro del motor. La mezcla de combustible y aire antes de la combustión y los gases quemados después de la combustión sirven como fluidos de trabajo. La potencia mecánica se genera a través de la transferencia directa de energía entre estos fluidos de trabajo y los componentes del motor.

Los dos tipos principales de motores de combustión interna que se tratan en este artículo son:

• Motores de encendido por chispa (comúnmente conocidos como motores Otto, motores de gasolina o de nafta, aunque se pueden utilizar otros combustibles).
• Motores de encendido por compresión (comúnmente conocidos como motores diésel).

Debido a su simplicidad, durabilidad y alta relación potencia-peso, estos dos tipos de motores se utilizan ampliamente en el transporte (terrestre, marítimo y aéreo) y la generación de energía. La diferencia fundamental entre los motores de combustión interna y otros tipos de motores es que la combustión se produce dentro del componente productor de energía del motor.

Los primeros desarrollos de los motores de combustión interna La era de la combustión externa y del vapor Durante más de 250 años, los motores térmicos prácticos han desempeñado un papel crucial en los avances industriales y tecnológicos. Antes del motor de combustión interna, dominaban los motores de combustión externa, en los que se calentaba agua para producir vapor que luego transfería energía al expansor de pistón-cilindro.

El motor de combustión interna como alternativa viable no surgió hasta la década de 1860. Los primeros motores comerciales quemaban mezclas de carbón, gas y aire a presión atmosférica, sin precompresión antes de la combustión.

El motor atmosférico de Lenoir (1860)

• Desarrollado por J. J. E. Lenoir (1822-1900).
• Utilizaba gas y aire durante la primera mitad de la carrera del pistón.
• El encendido se lograba con una chispa, lo que hacía que la presión aumentara.
• Los gases quemados empujaban el pistón durante la segunda mitad de la carrera.
• Completaban un ciclo con una carrera de escape.
• Producción: alrededor de 5000 motores (hasta 6 caballos de fuerza).
• Eficiencia: solo un 5 % en el mejor de los casos.

El motor atmosférico de Otto y Langen (1867)

Para mejorar la eficiencia, Nicolaus A. Otto (1832-1891) y Eugen Langen (1833-1895) introdujeron un motor atmosférico más eficiente en 1867.

• Utilizaban el aumento de la presión de combustión para acelerar un pistón libre.
• Creaban un vacío en el cilindro.
• La presión atmosférica empujaba el pistón hacia adentro, impulsando un sistema de cremallera y embrague hacia el eje de salida.
• Producción: alrededor de 5000 unidades.
• Eficiencia: mejorada al 11 %.

El nacimiento del motor de cuatro tiempos (1876) Reconociendo las limitaciones de los diseños anteriores, Otto propuso el ciclo de cuatro tiempos:

• Carrera de admisión: la mezcla de aire y combustible ingresa al cilindro.
• Carrera de compresión: la mezcla se comprime antes del encendido.
• Carrera de potencia: la combustión genera trabajo mecánico.
• Carrera de escape: se expulsan los gases quemados.

Su prototipo funcionó con éxito en 1876, reduciendo significativamente el peso y el volumen del motor, sentando las bases para la industria de los motores de combustión interna. En 1890, se habían vendido casi 50.000 unidades en Europa y Estados Unidos.

Avances clave en la evolución del motor de combustión interna Contribución teórica de Beau de Rochas (1862) Aunque la patente de Otto condujo al uso generalizado del ciclo de cuatro tiempos, una patente francesa anterior de 1862 de Alphonse Beau de Rochas (1815-1893) describió los principios teóricos para lograr la máxima eficiencia en un motor de combustión interna:

• Maximizar el volumen del cilindro mientras se minimiza el área de superficie límite.
• Aumentar la velocidad de operación para una mejor gestión del calor.
• Aumentar la relación de expansión para una mayor extracción de energía.
• Maximizar la presión al comienzo de la expansión.

Aunque Beau de Rochas nunca implementó en la práctica estas ideas, sus principios fueron validados más tarde en la investigación de la eficiencia del motor.

Motores de dos tiempos y de alta expansión En la década de 1880, varios ingenieros hicieron contribuciones clave a la tecnología de combustión interna:

• Dugald Clerk (1854-1913) y James Robson (1833-1913) (Inglaterra): desarrollaron motores de dos tiempos.
• James Atkinson (1846-1914) (Inglaterra): diseñó un motor con una carrera de expansión más larga, mejorando la eficiencia pero adoleciendo de debilidades mecánicas.

Las relaciones de compresión se mantuvieron bajas (< 4) para evitar el golpeteo del motor, lo que requirió más avances en la tecnología del carburador y el encendido.

Desarrollo del motor diésel (1892)

• Rudolf Diesel (1858-1913) patentó el motor de encendido por compresión.
• La eficiencia se duplicó en comparación con los motores Otto debido a relaciones de expansión más altas sin detonación.
• El desarrollo tardó 5 años antes de que se construyera un modelo práctico.

Evolución del combustible y avances en los motores

Refinación de gasolina y petróleo crudo

• Los primeros motores funcionaban con gas hasta que la gasolina estuvo disponible a fines del siglo XIX.
• William Burton (1865-1954) y su equipo en Standard Oil of Indiana desarrollaron el proceso de craqueo térmico para extraer más gasolina del petróleo crudo.
• Los aditivos antidetonantes basados en plomo Los aditivos iknock (tetraetilo de plomo) mejoraron la eficiencia del combustible, introducidos en 1923.

Contaminación del aire y control de emisiones

En la década de 1940, las emisiones de los automóviles se relacionaron con la contaminación del aire urbano (por ejemplo, el smog de Los Ángeles).

• A. J. Haagen-Smit (1952) identificó el papel de los óxidos de nitrógeno y los hidrocarburos.
• Se introdujeron estándares de emisiones en California (década de 1960) y luego en todo el mundo.
• Los convertidores catalíticos y la gasolina sin plomo se convirtieron en estándar para reducir los contaminantes.

Crisis energética y combustibles alternativos

La crisis del petróleo de la década de 1970 llevó a:

• Un mayor enfoque en la eficiencia del combustible.
• Investigación sobre combustibles alternativos:
  • gas natural
  • Metanol y etanol (combustibles a base de alcohol)
  • Combustibles sintéticos (petróleo de esquisto, gasolina derivada del carbón, hidrógeno)

Desarrollos recientes y futuros

A pesar de más de un siglo de avances, los motores de combustión interna siguen evolucionando:

• Mayor eficiencia: los ICE modernos logran una mayor economía de combustible y menores emisiones.
• Materiales avanzados: las aleaciones más livianas y resistentes al calor mejoran el rendimiento.
• Nuevas tecnologías de combustión:
  • motores de carga estratificada que combinan los principios Otto y Diesel.
  • Motores rotativos (diseño Wankel).

Los motores de combustión interna siguen a la vanguardia de la tecnología de sistemas de propulsión, enfrentando desafíos pero mejorando continuamente a través de innovaciones de ingeniería.

Términos destacados :

Desde las máquinas impulsadas por vapor hasta los motores de gasolina y diésel de alta eficiencia, el motor de combustión interna ha experimentado un desarrollo incomparable.

A pesar de las tecnologías eléctricas e híbridas emergentes, los ICE continúan mejorando en eficiencia y control de emisiones. Los avances en la tecnología de combustible, los materiales y el diseño de motores aseguran su relevancia en el transporte y la generación de energía en los años venideros