un motor de cuatro tiempos (también conocido como de cuatro ciclos) es un motor de combustión interna en el que el pistón completa cuatro carreras separadas que comprenden un solo ciclo termodinámico. Una carrera se refiere al recorrido completo del pistón a lo largo del cilindro, en cualquier dirección. Los cuatro golpes separados se denominan:
- toma: esta carrera del pistón comienza en el centro muerto superior. El pistón desciende desde la parte superior del cilindro hasta la parte inferior del cilindro, aumentando el volumen del cilindro., Una mezcla de combustible y aire es forzada por la presión atmosférica (o mayor) en el cilindro a través del puerto de admisión.
- compresión: con las válvulas de admisión y escape cerradas, el pistón regresa a la parte superior del cilindro comprimiendo la mezcla de aire o combustible y aire en la culata.
- POTENCIA: este es el comienzo de la segunda revolución del ciclo. Mientras que el pistón está cerca del centro muerto superior (TDC), la mezcla de aire comprimido y combustible en un motor de gasolina se enciende, por una bujía en los motores de gasolina, o que se enciende debido al calor generado por la compresión en un motor diesel., La presión resultante de la combustión de la mezcla de combustible y aire comprimido fuerza al pistón hacia abajo hacia el Centro muerto inferior (BDC).
- escape: durante la carrera de escape, el pistón vuelve al centro muerto superior mientras la válvula de escape está abierta. Esta acción expulsa la mezcla Combustible-Aire gastado a través de la válvula o válvulas de escape.,
principios de diseño e ingeniería
Limitaciones de potencia de salida
el ciclo de cuatro tiempos
A: admisión
B: compresión
C: Potencia
D: escape
1=TDC
2=BDC
la cantidad máxima de Potencia generada por un motor está determinada por la cantidad máxima de aire ingerido., La cantidad de Potencia generada por un motor de pistón está relacionada con su tamaño (volumen del cilindro), ya sea un diseño de dos o cuatro tiempos, eficiencia volumétrica, pérdidas, relación aire-combustible, el poder calorífico del combustible, el contenido de oxígeno del aire y la velocidad (RPM). La velocidad está limitada en última instancia por la resistencia del material y la lubricación. Válvulas, pistones y bielas amortiguan fuertes fuerzas de aceleración. A alta velocidad del motor, la rotura física y el aleteo del anillo del pistón pueden ocurrir, lo que resulta en la pérdida de potencia o incluso la destrucción del motor., El aleteo del anillo del pistón ocurre cuando los anillos oscilan verticalmente dentro de las ranuras del pistón en las que residen. El aleteo del anillo compromete el sello entre el anillo y la pared del cilindro, lo que causa una pérdida de presión y potencia del cilindro. Si un motor gira demasiado rápido, los resortes de válvula no pueden actuar lo suficientemente rápido como para cerrar las válvulas. Esto se conoce comúnmente como’ flotador de válvula’, y puede resultar en el contacto del pistón con la válvula, dañando gravemente el motor. A altas velocidades, la lubricación de la interfaz de la pared del cilindro del pistón tiende a descomponerse., Esto limita la velocidad del pistón para motores industriales a aproximadamente 10 m/s.
flujo del puerto de admisión/escape
la potencia de salida de un motor depende de la capacidad de la admisión (mezcla de aire y combustible) y la materia de escape para moverse rápidamente a través de los puertos de la válvula, generalmente ubicados en la culata. Para aumentar la potencia de salida de un motor, se pueden eliminar irregularidades en las rutas de admisión y escape, como fallas de fundición, y, con la ayuda de un banco de flujo de aire, los radios de las vueltas del puerto de la válvula y la configuración del asiento de la válvula se pueden modificar para reducir la resistencia., Este proceso se llama porting, y se puede hacer a mano o con una máquina CNC.
sobrealimentación
Una forma de aumentar la potencia del motor es forzar más aire en el cilindro para que se pueda producir más potencia de cada carrera de potencia. Esto se puede hacer utilizando algún tipo de dispositivo de compresión de aire conocido como sobrealimentador, que puede ser alimentado por el cigüeñal del motor.
la sobrealimentación aumenta los límites de potencia de salida de un motor de combustión interna en relación con su desplazamiento., Más comúnmente, el supercargador siempre está funcionando, pero ha habido diseños que permiten que se corte o funcione a velocidades variables (en relación con la velocidad del motor). La sobrealimentación impulsada mecánicamente tiene la desventaja de que parte de la potencia de salida se utiliza para impulsar el sobrealimentador, mientras que la potencia se desperdicia en el escape de alta presión, ya que el aire se ha comprimido dos veces y luego gana más volumen potencial en la combustión, pero solo se expande en una etapa.
turbocompresor
un turbocompresor es un sobrealimentador que es accionado por los gases de escape del motor, por medio de una turbina., Consiste en un conjunto de turbina de alta velocidad de dos piezas con un lado que comprime el aire de admisión y el otro lado que es alimentado por el flujo de salida de gases de escape.
cuando está en ralentí, y a velocidades bajas a moderadas, la turbina produce poca potencia del pequeño volumen de escape, el turbocompresor tiene poco efecto y el motor funciona casi de manera aspirada naturalmente., Cuando se requiere mucha más potencia, la velocidad del motor y la apertura del acelerador se aumentan hasta que los gases de escape son suficientes para ‘girar’ la turbina del turbocompresor para comenzar a comprimir mucho más Aire de lo normal en el colector de admisión.
El turbocompresor permite un funcionamiento más eficiente del motor porque es impulsado por la presión de escape que de otro modo se desperdiciaría (en su mayoría), pero hay una limitación de diseño conocida como retardo del turbo., El aumento de la potencia del motor no está disponible de inmediato debido a la necesidad de aumentar drásticamente las RPM del motor, para aumentar la presión y hacer girar el turbo, antes de que el turbo comience a hacer cualquier compresión de aire útil. El aumento del volumen de admisión provoca un aumento del escape y hace girar el turbo más rápido, y así sucesivamente hasta que se alcanza una operación constante de alta potencia. Otra dificultad es que la mayor presión de escape hace que el gas de escape transfiera más calor a las partes mecánicas del motor.,
relación de vástago y pistón a carrera
la relación de vástago a carrera es la relación entre la longitud de la biela y la longitud de la carrera del pistón. Una varilla más larga reduce la presión lateral del pistón en la pared del cilindro y las fuerzas de tensión, aumentando la vida útil del motor. También aumenta el costo y la altura y el peso del motor.
un «motor cuadrado» es un motor con un diámetro de agujero igual a su longitud de carrera., Un motor donde el diámetro del agujero es mayor que su longitud de carrera es un motor sobre cuadrado, por el contrario, un motor con un diámetro de agujero que es más pequeño que su longitud de carrera es un motor bajo cuadrado.
tren de válvulas
Las válvulas son típicamente operadas por un árbol de levas que gira a la mitad de la velocidad del cigüeñal. Tiene una serie de levas a lo largo de su longitud, cada una diseñada para abrir una válvula durante la parte apropiada de una carrera de admisión o escape. Un tappet entre la válvula y la leva es una superficie de contacto en la que la leva se desliza para abrir la válvula., Muchos motores utilizan uno o más árboles de levas «por encima» de una fila (o cada fila) de cilindros, como en la ilustración, en la que cada Leva acciona directamente una válvula a través de un taco plano. En otros diseños de motores, el árbol de levas está en el cárter, en cuyo caso cada Leva entra en contacto con una varilla de empuje, que entra en contacto con un brazo oscilante que abre una válvula. El diseño de la leva superior generalmente permite velocidades más altas del motor porque proporciona la ruta más directa entre la leva y la válvula.,
holgura de válvula
la holgura de válvula se refiere al pequeño espacio entre un elevador de válvula y un vástago de válvula que garantiza que la válvula se cierre completamente. En los motores con ajuste mecánico de la válvula, el espacio libre excesivo causa ruido del tren de válvulas. Una holgura de válvula demasiado pequeña puede provocar que las válvulas no se cierren correctamente, lo que resulta en una pérdida de rendimiento y, posiblemente, en un sobrecalentamiento de las válvulas de escape. Por lo general, el espacio libre debe reajustarse cada 20,000 millas (32,000 km) con un medidor de palpador.,
la mayoría de los motores de producción modernos utilizan elevadores hidráulicos para compensar automáticamente el desgaste de los componentes del tren de válvulas. El aceite sucio del motor puede causar la falla del elevador.
balance energético
Los motores Otto son aproximadamente un 30% eficientes; en otras palabras, el 30% de la energía generada por la combustión se convierte en energía de rotación útil en el eje de salida del motor, mientras que el resto son pérdidas debido al calor residual, la fricción y los accesorios del motor. Hay varias maneras de recuperar parte de la energía perdida por el calor residual., El uso de un turbocompresor en motores Diesel es muy efectivo al aumentar la presión de aire entrante y en efecto proporciona el mismo aumento en el rendimiento que tener más desplazamiento. La compañía Mack Truck, hace décadas, desarrolló un sistema de turbina que convertía el calor residual en energía cinética que se retroalimentaba en la transmisión del motor. En 2005, BMW anunció el desarrollo del turbo-vapor, un sistema de recuperación de calor de dos etapas similar al sistema Mack que recupera el 80% de la energía en los gases de escape y aumenta la eficiencia de un motor Otto en un 15%., Por el contrario, un motor de seis tiempos puede reducir el consumo de combustible hasta en un 40%.
Los motores modernos a menudo se construyen intencionalmente para ser ligeramente menos eficientes de lo que podrían ser de otra manera. Esto es necesario para los controles de emisiones, como la recirculación de los gases de escape y los convertidores catalíticos que reducen el smog y otros contaminantes atmosféricos. Las reducciones en la eficiencia pueden contrarrestarse con una unidad de control del motor utilizando técnicas de quema magra.
en los Estados Unidos, el promedio corporativo de ahorro de combustible exige que los vehículos deben alcanzar un promedio de 35.,5 millas por galón (mpg) en comparación con el estándar actual de 25 mpg. A medida que los fabricantes de automóviles buscan cumplir con estos estándares para 2016, podrían tener que considerarse nuevas formas de ingeniería del motor de combustión interna tradicional (ICE). Algunas soluciones potenciales para aumentar la eficiencia del combustible para cumplir con los nuevos mandatos incluyen disparar después de que el pistón esté más lejos del cigüeñal, conocido como centro muerto superior (TDC), y aplicar el ciclo Miller. En conjunto, este rediseño podría reducir significativamente el consumo de combustible y las emisiones de NOx.,
Starting position, intake stroke, and compression stroke.
Ignition of fuel, power stroke, and exhaust stroke.
