HISTORIA DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA

Desde siempre la primera energía mecánica utilizada por el hombre ha tenido el origen en su propia energía muscular, incrementada a través de mecanismos simples como la palanca y la polea. Otro paso importante en la obtención de la energía necesaria para realizar las labores más extenuantes consistió en la domesticación de los animales para la sustitución de la energía humana por la animal, en general más potente. 

A lo largo de los años la mejora progresiva de diversos aparejos permitió ir incrementando la capacidad de tiro de los animales. La importancia del aprovechamiento de la energía de los animales en la sustitución de tareas de los hombres se comprende fácilmente teniendo en cuenta que aún hoy en día se sigue utilizando. Un paso importante ha sido el aprovechamiento de las energías potenciales de la naturaleza como la hidráulica y la eólica, que eran las más fácilmente detectables por el hombre. 

Así, las primeras ruedas hidráulicas, precursoras de las actuales turbinas, constituyeron las primeras actividades de producción en serie en las que se utilizó maquinaria. El uso de la energía hidráulica pasó de los molinos de grano a las demás actividades industriales, hasta tal punto que la revolución industrial se inició en un momento en el que las máquinas hidráulicas, sobre todo motores, estaban muy extendidas. Los primeros motores de vapor se usaron en muchas ocasiones para bombear agua y mover ruedas hidráulicas. 

Respecto a la energía eólica aparte de su uso convencional para mover barcos, comenzó a utilizarse más tarde que la hidráulica con fines industriales. Tanto la energía hidráulica como la eólica tienen el inconveniente de ser fuentes de energía de carácter estacional cuya utilización está limitada a la presencia de saltos de agua y a la relativa constancia de la velocidad y dirección del viento, respectivamente. La aparición de las primeras máquinas de vapor potenció y aceleró el gran desarrollo tecnológico que dio lugar a la revolución industrial a principios del siglo XVII.

QUE ES UN MOTOR?

Es una máquina capaz de convertir la energía química de los combustibles (gasolina, acpm, gas, alcohol, etc) en energía mecánica, es decir, genera movimiento. Para hacerlo primero debe trasladar desde uno de sus componentes llamado carburador, la mezcla de aire con el combustible, hasta una recámara llamada cilindro, luego comprimirla y después de ello quemarla, hasta convertir la explosión de la mezcla en trabajo útil y por último expulsar los gases producidos.

En resumen, un motor de combustión interna, es el conjunto de elementos que permiten transformar la energía latente de un combustible en energía mecánica.

LAS MÁQUINAS DE FUEGO

La obtención de energía mecánica a partir de la combustión de combustibles se produjo antes del desarrollo de las bases termodinámicas (siglo XIX). Así, el aparato más antiguo de obtención de energía mecánica a partir del estado térmico proporcionado por el fuego data del siglo I antes de Cristo y está descrito en los escritos de Herón de Alejandría. 

El aparato que posteriormente recibiría el nombre de “eolípila”, consiste en una esfera giratoria hueca provista de unos codos acodados diametralmente opuestos y orientados en sentidos opuestos que era alimentada con vapor procedente de calentar agua con fuego. 

El vapor entraba en la esfera a través de unos soportes huecos y al circular por los codos acodados hacía girar la esfera.

Este dispositivo usado, posteriormente en el antiguo Egipto con fines litúrgicos, constituye el primer antecedente de las turbinas de vapor modernas, aunque el principio de reacción pura por el que trabaja no se aplica a ninguna de las turbinas existentes actualmente.

1678 -Abbé Jean de Hautefeuille

No se conocen más antecedentes serios de construcción de máquinas térmicas hasta finales del siglo XVII, en 1678, cuando el francés Abbé Jean de Hautefeuille, a quien la historia ha acreditado con el origen del motor de combustión con pistón, propuso usar la capacidad explosiva de la pólvora en un cilindro para mover un pistón y obtener trabajo.

1680 – Huygens y Papin

Estos franceses diseñaron un motor de combustión interna basado en la explosión de una carga de pólvora dentro del cilindro. La falta de control en la explosión, y particularmente la dificultad de cargar el cilindro con el combustible sólido entre cada carrera de trabajo, frenó el desarrollo de este motor excepto para algunas aplicaciones específicas como ciertos tipos de catapultas, pero desde el punto de vista anecdótico algunos lo consideran el primer motor de “explosión”. 

VACÍO A PARTIR DE LA CONDENSACIÓN DE VAPOR

1712 – Thomas Newcomen

El inventor inglés Thomas Newcomen (1663-1729) construye una máquina de vapor con pistones y cilindros que resulta muy eficiente.

Uno de los inventos que ha influido de forma más decisiva en la historia de la humanidad es, sin duda, la máquina de vapor, desarrollada por el herrero de profesión, Thomas Newcomen a principios del siglo XVIII. 

El papel trascendental que ha desarrollado este motor térmico lo indica el hecho de que fue el único utilizado por el hombre durante aproximadamente 150 años.

1770 – Nicolás Joseph Cugnot

Este militar francés  consigue amoldar un motor a vapor a su carreta.  Escritor e inventor francés, dio el gran paso, al construir un automóvil de vapor, diseñado inicialmente para arrastrar piezas de artillería. 

El Fardier, como lo llamó Cugnot, comenzó a circular por las calles de París en 1769. Se trataba de un triciclo que montaba sobre la rueda delantera una caldera y un motor de dos cilindros verticales y 50 litros de desplazamiento; la rueda delantera resultaba tractora y directriz a la vez, trabajando los dos cilindros directamente sobre ella. 

En 1770 construyó un segundo modelo, mayor que el primero, y que podía arrastrar 4,5 toneladas a una velocidad de 4 km/h. Con esta versión se produjo el que podría considerarse primer accidente automovilístico de la historia, al resultar imposible el correcto manejo del monumental vehículo, que acabó chocando contra una pared que se derrumbó fruto del percance. Cugnot todavía tuvo tiempo de construir una tercera versión en 1771, que se conserva expuesta en la actualidad en el Museo Nacional de la Técnica de París.

1782- James Watt

El ingeniero escocés James Watt (1736-1819) construye una máquina a vapor mucho más eficiente que la máquina de Newcomen. El interés que despertó en él este motor provocó que dedicase el resto de su vida a su mejora y construcción.  

El uso de la máquina de vapor se popularizó tanto que llegó a ser empleada en la navegación hacia 1807 por Fulton y más tarde, en 1825 G. Stephenson la usó para accionar una locomotora.

MOTORES DE AIRE CALIENTE

A pesar del éxito logrado con el desarrollo de la máquina de vapor, hubo algunos intentos de emplear el aire en vez del vapor como fluido de trabajo, siguiendo principios similares, desarrollar lo que se ha dado en llamar motores de aire caliente. 

Así en 1759, en pleno apogeo de la máquina de Newcomen, H. Wood describía una patente la cuál decía que se podía introducir aire caliente a presión desde un horno en un cilindro y, después de enfriarlo, dejar que la presión atmosférica empujara el pistón realizando la carrera de trabajo. 

Aunque el señor Wood nunca logró fabricar uno de estos motores, si logró sentar las bases para la posterior aparición de los motores de aire caliente, que básicamente, reflejaron sus ideas.

Se puede dar por sentado que la máquina de vapor alcanzó un elevado nivel de desarrollo sin que se conociera claramente la naturaleza de los procesos termodinámicos que tenían lugar en su interior. Así, en el momento de aparición de la máquina de vapor no se sabía que el calor era una forma de transporte de energía y que el trabajo era su equivalente mecánico.

1859 – Etienne Lennoir

Este francés desarrolló el motor de gas sin compresión fuertemente inspirado en las máquinas de vapor de la época. Se usaba una mezcla aire y gas de hulla que se quemaba a presión atmosférica. La eficiencia de este motor era baja debido a lo corta que era la carrera de expansión y a la ausencia de compresión previa de la mezcla. Pese a esto, se construyeron cerca de 500  motores de este tipo en Francia e Inglaterra.

Principios de Beau de Rochas

En Francia, en 1862, Beau de Rochas sentaba los cuatro principios fundamentales para ahorro de combustible en un motor de combustión a pistones:

1. Relación superficie - volumen lo más pequeña posible para el cilindro.

2. Proceso de expansión lo más rápido posible.

3. Expansión lo máxima posible.

4. Máxima presión posible al inicio del proceso de expansión. 

Las primeras dos condiciones van encaminadas a reducir al mínimo las pérdidas de calor, permitiendo así que toda la energía disponible en los gases de escape se transforme en trabajo. La tercera condición prevé la expansión de los gases hasta el máximo, de tal manera que se obtenga el máximo trabajo de la expansión. La cuarta condición reconoce el hecho de que entre más alta sea la presión inicial, mayor es la presión a través de la carrera para una relación de expansión dada y hace posible mayores relaciones de expansión, resultado ambas en más trabajo.

Beau de Rochas, también indicó el método de operación deseado para el motor de combustión interna a pistón:

1. Admisión durante la carrera de bajada del pistón.

2. Compresión durante la subida del pistón.

3. Encendido de la carga en las cercanías del punto muerto superior, seguida por una expansión durante la carrera de bajada del pistón.

4. Escape durante la siguiente carrera de subida del pistón.

Han transcurrido cerca de 150 años y los principios siguen siendo prácticamente los mismos, únicamente se han variado los tiempos de aperturas y cierres de válvulas con el fin de incrementar las velocidades y las potencias.

Así funciona el motor de 2 tiempos

Así se hace un pistón

Clasificación de los motores