Motor de cuatro tiempos

Nicolaus Otto era un vendedor ambulante de una empresa de comestibles. En sus viajes, conoció el motor de combustión interna construido en París por el belga Jean Joseph Etienne Lenoir . En 1860, Lenoir creó con éxito un motor de doble efecto que funcionaba con gas de alumbrado con una eficiencia del 4%. El motor Lenoir  de 18 litros producía solo 2 caballos de fuerza. El motor Lenoir funcionaba con gas de alumbrado derivado del carbón, que había sido desarrollado en París por Philip Lebon . ^{[ 2 ]} 

En 1861, al probar una réplica del motor Lenoir, Otto se percató de los efectos de la compresión en la carga de combustible. En 1862, intentó crear un motor que mejorara la baja eficiencia y fiabilidad del motor Lenoir. Procedió a diseñar un motor que comprimiera la mezcla de combustible antes de la ignición, pero fracasó, ya que dicho motor apenas funcionaba unos minutos antes de averiarse. Muchos otros ingenieros intentaron resolver el problema, sin éxito. ^{[ 2 ]}

En 1864, Otto y Eugen Langen fundaron la primera empresa de producción de motores de combustión interna, NA Otto and Cie (NA Otto y Compañía). Otto and Cie logró crear un motor atmosférico exitoso ese mismo año. ^{[ 2 ]} La fábrica se quedó sin espacio y se trasladó a la ciudad de Deutz , Alemania, en 1869, donde la empresa pasó a llamarse Deutz Gasmotorenfabrik AG (Compañía de Fabricación de Motores de Gas Deutz). ^{[ 2 ]} En 1872, Gottlieb Daimler era el director técnico y Wilhelm Maybach era el jefe de diseño de motores. Daimler era un armero que había trabajado en el motor Lenoir. Para 1876, Otto y Langen lograron crear el primer motor de combustión interna que comprimía la mezcla de combustible antes de la combustión para obtener una eficiencia mucho mayor que cualquier motor creado hasta entonces.

Daimler y Maybach dejaron sus empleos en Otto & Cie y desarrollaron el primer motor Otto de alta velocidad en 1883. En 1885, produjeron el primer automóvil equipado con un motor Otto. El Daimler Reitwagen, que utilizaba un sistema de encendido por tubo caliente y el combustible conocido como ligroína, se convirtió en el primer vehículo del mundo propulsado por un motor de combustión interna. Empleaba un motor de cuatro tiempos basado en el diseño de Otto. Al año siguiente, Karl Benz produjo un automóvil con motor de cuatro tiempos, considerado el primer automóvil. ^{[ 3 ]}

En 1884, la empresa de Otto, entonces conocida como Gasmotorenfabrik Deutz (GFD), desarrolló el encendido eléctrico y el carburador. En 1890, Daimler y Maybach fundaron una empresa llamada Daimler Motoren Gesellschaft . Hoy en día, esa empresa es Daimler-Benz .

El motor de ciclo Atkinson es un tipo de motor de combustión interna de un solo tiempo inventado por James Atkinson en 1882. El ciclo Atkinson está diseñado para proporcionar eficiencia a expensas de la densidad de potencia y se utiliza en algunas aplicaciones eléctricas híbridas modernas.

El motor de pistón original de ciclo Atkinson permitía que las carreras de admisión, compresión, potencia y escape del ciclo de cuatro tiempos ocurrieran en una sola vuelta del cigüeñal y fue diseñado para evitar infringir ciertas patentes que cubrían los motores de ciclo Otto. ^{[ 4 ]}

Debido al diseño único del cigüeñal del Atkinson, su relación de expansión puede diferir de su relación de compresión y, con una carrera de potencia más larga que la de compresión, el motor puede lograr una mayor eficiencia térmica que un motor de pistón tradicional. Si bien el diseño original del Atkinson no es más que una curiosidad histórica, muchos motores modernos utilizan una distribución de válvulas no convencional para producir el efecto de una carrera de compresión más corta y una carrera de potencia más larga, logrando así las mejoras en el ahorro de combustible que puede proporcionar el ciclo Atkinson. ^{[ 5 ]}

El motor diésel es un perfeccionamiento técnico del motor de ciclo Otto de 1876. Mientras que Otto se dio cuenta en 1861 de que la eficiencia del motor podía incrementarse comprimiendo primero la mezcla de combustible antes de su ignición, Rudolf Diesel quería desarrollar un tipo de motor más eficiente que pudiera funcionar con un combustible mucho más pesado. Los motores Lenoir , Otto Atmospheric y Otto Compression (tanto de 1861 como de 1876) fueron diseñados para funcionar con gas de alumbrado (gas de hulla) . Con la misma motivación que Otto, Diesel quería crear un motor que proporcionara a las pequeñas empresas industriales su propia fuente de energía para que pudieran competir con las grandes empresas y, al igual que Otto, liberarse de la necesidad de depender del suministro municipal de combustible. Como Otto, tardó más de una década en producir el motor de alta compresión que podía autoencender el combustible inyectado en el cilindro. Diesel utilizó una mezcla de aire y combustible en su primer motor.

Durante la fase inicial de desarrollo, uno de los motores explotó, casi acabando con la vida de Diesel. Sin embargo, perseveró y finalmente, en 1893, creó un motor exitoso. El motor de alta compresión, que enciende el combustible mediante el calor de la compresión, se conoce actualmente como motor diésel, ya sea de cuatro o dos tiempos.

El motor diésel de cuatro tiempos se ha utilizado en la mayoría de las aplicaciones de servicio pesado durante muchas décadas. Utiliza un combustible pesado con mayor contenido energético y que requiere menor refinamiento para su producción. Los motores de ciclo Otto más eficientes alcanzan una eficiencia térmica cercana al 30%.

La potencia máxima generada por un motor está determinada por la cantidad máxima de aire que ingresa. La potencia generada por un motor de pistón está relacionada con su tamaño (volumen del cilindro), si es un motor de dos o cuatro tiempos, la eficiencia volumétrica , las pérdidas, la 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 . Las válvulas, los pistones y las bielas sufren fuerzas de aceleración severas. A altas velocidades del motor, pueden producirse roturas físicas y vibraciones en los anillos del pistón , lo que resulta en pérdida de potencia o incluso la destrucción del motor. Las vibraciones en los anillos del pistón ocurren cuando los anillos oscilan verticalmente dentro de las ranuras del pistón en las que se alojan. Estas vibraciones comprometen el sellado entre el anillo y la pared del cilindro, lo que provoca una pérdida de presión y potencia en el cilindro. Si un motor gira demasiado rápido, los resortes de las válvulas no pueden actuar con la suficiente rapidez para cerrarlas. Esto se conoce comúnmente como " flotación de válvulas " y puede provocar el contacto entre el pistón y la válvula, dañando gravemente el motor. A altas velocidades, la lubricación entre el pistón y la pared del cilindro tiende a deteriorarse. Esto limita la velocidad del pistón en motores industriales a unos 10  m/s.

Un motor de combustión interna es capaz, en promedio, de convertir solo entre el 40 % y el 45 % de la energía suministrada en trabajo mecánico. Gran parte de la energía residual se disipa en forma de calor, que se libera al ambiente a través del refrigerante, las aletas, etc. Si de alguna manera se pudiera capturar el calor residual y transformarlo en energía mecánica, se podría mejorar el rendimiento del motor y/o la eficiencia del combustible, aumentando así la eficiencia general del ciclo. Se ha comprobado que incluso recuperar solo el 6 % del calor residual puede incrementar considerablemente la eficiencia del motor. ^{[ 8 ]}

Se han ideado numerosos métodos para extraer el calor residual de los gases de escape de un motor y utilizarlo para generar trabajo útil, reduciendo al mismo tiempo las emisiones contaminantes. El ciclo Rankine , la turbocompresión y la generación termoeléctrica pueden ser sistemas muy útiles para la recuperación de calor residual .

La relación biela-carrera es la relación entre la longitud de la biela y la longitud de la carrera del pistón. Una biela más larga reduce la presión lateral del pistón sobre la pared del cilindro y las fuerzas de tensión, lo que aumenta la vida útil del motor. Sin embargo, también incrementa el costo, la altura y el peso del motor.

Un motor de carrera cuadrada es aquel cuyo diámetro de cilindro es igual a su carrera. Un motor cuyo diámetro de cilindro es mayor que su carrera se denomina motor de carrera corta ; por el contrario, un motor cuyo diámetro de cilindro es menor que su carrera se denomina motor de carrera corta.

Las válvulas suelen ser accionadas por un árbol de levas que gira a la mitad de la velocidad del cigüeñal . Este árbol de levas cuenta con uno o más árboles de levas a lo largo de su longitud, cada uno diseñado para abrir una o más válvulas durante la fase correspondiente de la carrera de admisión o escape. Un taqué o balancín entre la válvula y la leva es la superficie sobre la que la leva ejerce presión para abrir la válvula. Muchos motores utilizan uno o más árboles de levas situados "por encima" de una fila (o de cada fila) de cilindros, como se muestra en la ilustración, donde cada leva acciona directamente una válvula mediante un taqué plano. En otros diseños de motor, el árbol de levas se encuentra en el cárter , en cuyo caso cada leva suele contactar con una varilla de empuje , que a su vez contacta con un balancín que abre una válvula; en el caso de un motor de culata plana , la varilla de empuje no es necesaria. El diseño de árbol de levas en cabeza permite, por lo general, mayores velocidades del motor, ya que proporciona la trayectoria más directa entre la leva y la válvula.

Los motores Otto tienen una eficiencia de aproximadamente el 30%; es decir, el 30% de la energía generada por la combustión se convierte en energía rotacional útil en el eje de salida del motor, mientras que el resto se pierde debido al calor residual, la fricción y los accesorios del motor. ^{[ 9 ]} Hay varias maneras de recuperar parte de la energía perdida por el calor residual. El uso de un turbocompresor en los motores diésel es muy efectivo al aumentar la presión del aire de admisión y, en efecto, proporciona el mismo aumento en el rendimiento que tener una mayor cilindrada. La empresa Mack Trucks, hace décadas, desarrolló un sistema de turbina que convertía el calor residual en energía cinética que luego reintroducía en la transmisión del motor. En 2005, BMW anunció el desarrollo del turbosteamer , 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%. ^{[ 10 ]} Por el contrario, un motor de seis tiempos puede reducir el consumo de combustible hasta en un 40%.

Los motores modernos suelen diseñarse intencionadamente para ser ligeramente menos eficientes de lo que podrían ser. Esto es necesario para los sistemas de control de emisiones, como la recirculación de gases de escape y los convertidores catalíticos , que reducen el smog y otros contaminantes atmosféricos. La reducción de la eficiencia puede compensarse con una unidad de control del motor que utilice técnicas de combustión pobre . ^{[ 11 ]}

En Estados Unidos, la normativa Corporate Average Fuel Economy exige que los vehículos alcancen un promedio de 34,9 mpg _{- US} (6,7 L/100 km; 41,9 mpg _{- imp} ) en comparación con el estándar actual de 25 mpg _{- US} (9,4 L/100 km; 30,0 mpg _{- imp} ) . ^{[ 12 ]} A medida que los fabricantes de automóviles buscan cumplir con estos estándares para 2016, se deben considerar nuevas formas de ingeniería del motor de combustión interna (MCI) tradicional. Algunas soluciones potenciales para aumentar la eficiencia del combustible y cumplir con los nuevos mandatos incluyen el encendido después de que el pistón esté más alejado del cigüeñal, conocido como punto muerto superior , y la aplicación del ciclo Miller . En conjunto, este rediseño podría reducir significativamente el consumo de combustible y las emisiones de NO _x .