Los motores son una pieza clave en cualquier aeronave ya que no sólo generan la energía para mantenerla en el aire, sino que también depende de ellos su eficiencia. Es por esto que este tipo de motores son objeto de continua investigación con el fin de encontrar nuevos tipos de combustible, alcanzar mayor eficiencia y lograr reducir la emisión de gases de efecto invernadero al tiempo que se recortan los gastos operativos para las compañías.
El motor de encendido por chispa fue diseñado en papel por el inventor francés Alphonse Beau de Rochas, en 1862. Sin embargo, no fue hasta 1876 que el ingeniero alemán Nikolaus Otto desarrolló un motor de cuatro tiempos basado en el modelo propuesto por Beau de Rochas. A partir de aquí, se inventó el motor de combustión interna que pasó a ser conocido como “motor de ciclo Otto” y que sería aplicado a la incipiente aeronáutica de finales del siglo XIX.
En el motor de cuatro tiempos, el ciclo termodinámico se completa en cuatro carreras del émbolo y dos vueltas del cigüeñal, controlando la renovación de la carga mediante la apertura y cierre de las válvulas de admisión y escape.
Así, las fases definidas por Nikolaus Otto para el funcionamiento de un motor de combustión interna con encendido por chispa son 4.
En la primera fase del motor de cuatro tiempos la válvula de admisión se abre, el descenso del pistón aspira la mezcla aire-combustible y se va metiendo en el cilindro. En este primer tiempo el cigüeñal gira 180º y el árbol de levas da 90º, la válvula de admisión se encuentra abierta y su carrera es descendente.
Tras la primera fase, la válvula de admisión se cierra, el pistón comienza a subir produciendo una compresión de la mezcla de aire y combustible. Al término de esta fase el cigüeñal habrá dado su primera vuelta completa.
Cuando el pistón llega al punto muerto superior (conocido también por sus siglas PMS) el gas ha alcanzado la presión máxima y se genera la chispa en la bujía provocando, así, la explosión de la mezcla. En esta fase, además, el pistón vuelve a desplazarse hacia abajo.
En esta última fase, el pistón llega al punto muerto inferior (conocido también por sus siglas PMI) y la válvula de escape se abre. Ahora el pistón se desplazará hacia arriba y los gases producidos durante la combustión saldrán despedidos.
Terminado todo este proceso, el cigüeñal habrá realizado dos vueltas completas por lo que el ciclo de combustión habrá concluido y se iniciará de nuevo.
El ciclo Otto ofreció varias ventajas sobre los motores anteriores que usaban vapor, combustión externa o ciclos de dos tiempos. Primero, era más eficiente en combustible porque reducía la pérdida de calor y utilizaba la expansión completa del gas. Segundo, era más confiable pues evitaba los problemas de condensación, corrosión y lubricación que afectaban a las máquinas de vapor. Y tercero, era más adaptable ya que podía funcionar con diferentes combustibles como gasolina, etanol o gas natural, y podía ampliarse o reducirse para diferentes aplicaciones.
Ventajas de un motor de 4 tiempos
Las principales ventajas de los motores de 4 tiempos son las siguientes:
Inconvenientes de un motor de 4 tiempos
Sin ser inconvenientes si no, más bien, características propias de este tipo de motores podemos identificar las siguientes desventajas:
En este caso, el ciclo del motor se completa en dos carreras del émbolo y una vuelta del cigüeñal.
Ventajas del motor de 2 tiempos:
Inconvenientes de un motor de 2 tiempos
Al igual que sucede con los motores de 4 tiempos, aquí también encontramos una serie de desventajas que son características de los motores 2T:
El motor de combustión interna es uno de los inventos más influyentes de la era moderna ya que se utiliza en automóviles, aviones, generadores y muchas otras máquinas de diversas aplicaciones.
Durante los años 1930, el motor de combustión interna, o motor Otto, en sus diferentes formas (radial estático y rotatorio, refrigerados por aire y líquido) era el único tipo de planta motriz disponible para los diseñadores aeronáuticos. Sin embargo, los ingenieros empezaron a comprender que el motor de pistones estaba limitado en términos del máximo rendimiento que podía alcanzar ya que éste era, esencialmente, el de la eficiencia de la hélice. Esta alcanzaba su máximo cuando las puntas de las palas se aproximaban a la velocidad del sonido. Por tanto, si se quería incrementar el rendimiento del motor, y del avión, para superar esta barrera era necesario encontrar un sistema radicalmente mejorado del diseño del motor de pistones o idear un nuevo tipo de planta motriz, lo que dio lugar al desarrollo del motor a reacción.
Los motores de avión, diseñados para cumplir con estrictos estándares de seguridad y eficiencia, ofrecen hoy día un equilibrio perfecto entre potencia, resistencia y economía. Con avances constantes en tecnología y diseño, los motores utilizados en la aviación comercial se han convertido en máquinas de ingeniería de vanguardia que impulsan la conectividad global y hacen posible los viajes aéreos a gran escala.
Actualmente, la energía que se utiliza en movilidad representa más del 25% del suministro mundial. La demanda de petróleo en todo el planeta se concentra en el sector del transporte con más del 50% (World Energy Outlook, 2013), siendo el motor de combustión interna alternativo MCIA (World Energy Council, 2011) el sistema de propulsión más utilizado. La gran mayoría de estudios relacionados con los MCIA, se basan en disminuir el consumo de combustibles y en la reducción de emisiones contaminantes (U.S Departament of Energy).
Dentro de los 17 Objetivos de Desarrollo Sostenible establecidos por las Naciones Unidas en 2015 para la Agenda 2030, el ODS 7 trata sobre alianzas para erradicar la contaminación producida por las energías fósiles y resolver la ineficacia de los gobiernos para implementar energías limpias y renovables. El acceso a fuentes de energías modernas y sostenibles es esencial no sólo para hacer frente al cambio climático sino también para el crecimiento económico de los países.
El ciclo Otto sigue siendo el modo de operación dominante para la mayoría de los motores de combustión interna, especialmente para los vehículos de gasolina. No obstante, se enfrenta a una creciente competencia y presión de nuevas tecnologías como motores eléctricos, sistemas híbridos, celdas de combustible y motores de hidrógeno que ofrecen beneficios potenciales con menores emisiones, mayor eficiencia, menor ruido y mayor sostenibilidad.
La invención del ciclo Otto no trajo una solución fija y definitiva, sino que fue un punto de partida para un mayor desarrollo y mejora de la movilidad.
A partir del ciclo Otto se han venido creando diferentes variaciones para abordar los desafíos y optimizar el rendimiento de los motores de combustión interna. Por ejemplo, el ciclo Atkinson utiliza una carrera de expansión más larga que la carrera de compresión para aumentar la eficiencia y reducir las emisiones. O el ciclo Miller, que utiliza un sobrealimentador o un turbocompresor para aumentar la presión de admisión y reducir la carrera de compresión evitando, así, golpes. Por otro lado, el ciclo Diesel utiliza una relación de compresión más alta y sin bujía para encender la mezcla de combustible y aire solo por calor, lo que resulta en una mayor eficiencia y menores emisiones. Por último, encontramos el ciclo HCCI que combina características de los ciclos Otto y Diesel para lograr un encendido por compresión de carga homogéneo, un modo de combustión que reduce los golpes y las emisiones.
El futuro del ciclo Otto dependerá de lo bien que se adapte e integre con las nuevas tecnologías, así como de su capacidad de satisfacer las demandas y expectativas cambiantes de los consumidores, los organismos reguladores y la sociedad.
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