HISTORIA DE LOS MOTORES

Los primeros artífices del motor de explosión aparecieron con la llegada del siglo XIX. La razón
de ser de su búsqueda estuvo íntimamente ligada a la aparición de los primeros automóviles.
Pronto se vio que la máquina de vapor era demasiado voluminosa para ser utilizada como
fuente generadora de energía en tales vehículos. Se necesitaba un motor que combinase el
hornillo, la caldera y el cilindro de la máquina de vapor en una unidad pequeña y ligera.

La máquina de combustión interna, en la cual el combustible inyectado, mezclado con aire, se

hace estallar para mover el émbolo dentro de un cilindro, resultó ser la solución más adecuada.
La patente más antigua para un motor de explosión se remonta al año 1800, cuando Philippe
Lebon proyectó hacer, para que el pistón se moviera, una mezcla de aire y gas de alumbrado
que explotara en el cilindro.

Pero Lebon no alcanzó a llevar a la práctica su idea, la que fue aprovechada primero por Rivaz,
en 1807, y luego por Ettiene Lenoir, un francés de origen belga, en 1852. Aunque el motor de
gas de Rivaz representó un progreso evidente, el de Lenoir fue en verdad el primero realmente
práctico, con autoencendido. Sin embargo, a pesar de que un vehículo equipado con un motor
de Lenoir hizo con positivo éxito un viaje de diez millas entre París y Joinville-le-Port, se trataba
de un modelo demasiado poco potente. Quedó en evidencia que era preciso comprimir la
mezcla antes de hacerla explotar. Este problema fue resuelto por Alphonse Beau de Rochas,
quien, en 1862, propuso para ello un ciclo de cuatro tiempos. El nuevo sistema fue adoptado
por esa época por el alemán Nikolaus August Otto, quien fabricó eficientes motores fijos de
gas, y enunció con claridad sus principios de funcionamiento.

EL MOTOR DE GASOLINA.

Entre los colaboradores de Otto se encontraba Gottfried Daimler, quien sería el que en
definitiva obtuviera el motor de gasolina.

Daimler, al igual que otros investigadores que no alcanzaron su éxito, tomó conciencia de que
el motor de gas, de alimentación particularmente incómoda y volumen desmesurado, no
constituía la solución adecuada, por lo que había que buscar otro sistema. Antes que él, el
austríaco Siegfried Marcus construyó, en 1875, un motor lento de cuatro tiempos y dispositivo
magnético de encendido. Infortunadamente para él y para el progreso de la técnica de esa
época, su motor hacía un ruido tan estridente y desagradable al funcionar que las autoridades
de Viena le prohibieron persistir en sus experimentos.

Siete años después del “ruidoso” fracaso de Marcus, Daimler, en compañía de Maybach,
empezó a ensayar los primeros motores de gasolina. Su construcción era tan compacta que
resultaron adecuados para vehículos ligeros, y alcanzaron ritmos de novecientas revoluciones
por minuto.

En 1885 fue montado uno de estos motores en una especie de bicicleta de madera, y al año
siguiente en un carruaje de cuatro ruedas. 

En 1889 el inventor germano dio otro paso fundamental al construir el motor definitivo para
automóvil. Al mismo tiempo, otro alemán, el mecánico Karl Benz, de Mannheim, estaba
trabajando en el mismo sentido, y en 1885 patentó un automóvil con un motor de cuatro
tiempos y estructura de tubos, lo cual representaba un peso total más conveniente en relación
a la capacidad del motor.

Tanto los inventos de Daimler como de Benz llamaron extraordinariamente la atención en

Francia, nación que hizo todo lo posible por poseerlos. Así, la patente de Daimler fue comprada
por los ingenieros galos René Panhard y Emile Levassor, cuya ambición era construir un
auténtico vehículo a base del motor de explosión.

Estos dos hombres hicieron sus primeros ensayos en 1890 y 1891, sin prestar atención a los
comentarios que se hacían en los cafés de los bulevares, que iban del más benevolente
escepticismo a la más despiadada burla. Tras realizar una exitosa prueba, consistente en un
viaje de ida y vuelta, las opiniones negativas fueron pulverizadas, trocándose en franca
admiración. Ambos pioneros dieron comienzo entonces a la industria del automóvil, y Panhard-
Levassor, la más antigua marca de autos del mundo, empezó a recibir sus primeros pedidos,
los que muy pronto debió compartir con Armand Peugeot.

HISTORIA DEL MOTOR DE COMBUSTION EXTERNA

A principios del siglo XIX la revolución industrial comenzaba a tomar fuerza. El símbolo de esta
etapa histórica era la máquina de vapor que contaba ya con algunos años de desarrollo. Sin
embargo las máquinas de vapor eran aún monstruos enormemente costosos, muy ineficientes
e incluso peligrosos, pues las calderas explotaban frecuentemente. Estos y otros
inconvenientes sumados a la imposibilidad de desarrollar motores simples, económicos de
construir y accesibles a pequeñas industrias, fueron los motivos por los que el reverendo inglés
Robert Stirling propuso la idea de un nuevo motor que funcionara con un principio totalmente
distinto: "el motor de aire caliente". En 1816 obtuvo la patente de su invento. Estos motores de
aire caliente se conocen hoy con el nombre de su inventor. Primeras Aplicaciones En sus
primeros tiempos, el motor se usó como fuente de poder de pequeñas máquinas herramientas
y bombas de agua. El notable inventor sueco John Ericsson diseño y construyó un barco
movido con un motor de esta clase. Por la misma época logró una patente para una bomba de
agua accionada por un motor Stirling que se convirtió rápidamente en un éxito de ventas entre
los granjeros del oeste norteamericano. Incluso hasta las primeras décadas del siglo XX se
vendían ventiladores de mesa que funcionaban con un pequeño mechero en la parte inferior
del aparato. El perfeccionamiento de las máquinas de vapor, el desarrollo posterior del motor
de combustión interna y años después la difusión de las redes eléctricas le dieron al motor de
aire caliente un golpe del que nunca pudo recuperarse (hasta ahora). El resurgimiento En la
década del '60 hubo un resurgimiento en el interés sobre este tipo de máquinas. Por esos años
la empresa Philips desarrolló un generador portátil de energía eléctrica. Este artefacto
generaba corriente eléctrica a la par que el sistema de refrigeración del aparato producía agua
caliente para uso doméstico. Posteriormente gracias al impulso de investigación en nuevas
fuentes de energía, provocadas por la primera crisis energética de principios de la década del
'70 hubo nuevos avances en este sentido. En aquellos duros tiempos de surtidores vacíos
surgió le necesidad de encontrar motores alternativos a los tradicionales. Entonces la
necesidad, llevó a algunas compañías automotrices a desarrollar vehículos con motores de
ciclo Stirling, desde el punto de vista energético mucho más eficientes que los tradicionales y
amigos del medio ambiente. Los resultados fueron alentadores, pero el fin de la escasez
petrolera hizo olvidar aquellas ventajas. Más recientemente se han utilizado máquinas de ciclo
Stirling para generar energía eléctrica a partir de concentradores solares. Estos ingenios tienen
la ventaja de tener el más alto rendimiento en conversión de la energía calorífica del sol en
electricidad en las plantas solares termoeléctricas.

HISTORIA DEL MOTOR ELÉCTRICO

Werner
von
Siemens 
pate ntó
en 1 866 la
dinamo.
Con ello no
sólo

contribuyó al inicio de los motores eléctricos, sino también introdujo el concepto de Ingeniería
Eléctrica, creando planes de formación profesional para los técnicos de su empresa. La
construcción de las primeras máquinas eléctricas fue lograda en parte, sobre la base de
experiencia práctica. A mediados de la década de 1880, gracias a la teoría desarrollada
por Nikola Tesla y al éxito de Werner von Siemens, la ingeniería eléctrica se introdujo como
disciplina en las universidades.
La fascinación por la electricidad aumentó con la invención de la dinamo. Karl Marx predijo que
la electricidad causaría una revolución de mayores alcances que la que se vivía en la época
con las máquinas de vapor. Antonio Pacinotti inventó el inducido en forma de anillo en una
máquina que transformaba movimiento mecánico en corriente eléctrica continua con una
pulsación, y dijo que su máquina podría funcionar de forma inversa. Ésta es la idea del motor
eléctrico de corriente continua.
Los primeros motores eléctricos técnicamente utilizables fueron creados por el ingeniero  Moritz
von Jacobi, quien los presentó por primera vez al mundo en 1834.

HISTORIA DE MOTOR DE COMBUSTION INTERNA

La invención se puede remontar a dos italianos: el padre Eugenio Barsanti, un

sacerdote escolapio, y Felice Matteucci, ingeniero hidráulico y mecánico, que ya en 1853
detallaron documentos de operación y construcción y patentes pendientes en varios países
europeos como Gran Bretaña, Francia, Italia y Alemania. 1
Los primeros prototipos carecían de la fase de compresión; es decir, la fase de succión
terminaba prematuramente con el cierre de la válvula de admisión antes de que el pistón
llegase a la mitad, lo que provocaba que la chispa que generaba la combustión que empuja la
carrera del pistón fuese débil. Como consecuencia el funcionamiento de estos primeros
motores era deficiente. Fue la fase de compresión la que dio una eficiencia significativa al
motor de combustión interna, que lograría el reemplazo definitivo de los motores a vapor e
impulsaría el desarrollo de los automóviles, ya que lograba desarrollar una potencia igual o
mayor en dimensiones considerablemente mucho más reducidas.
Las primeras aplicaciones prácticas de los motores de combustión interna fueron los motores
fuera de borda. Esto fue debido a que el principal impedimento para la aplicación práctica del
motor de combustión interna en vehículos terrestres era el hecho de que, a diferencia de la
máquina de vapor, no podía comenzar desde parado. Los motores marinos no sufren este
problema, ya que las hélices son libres de un significativo momento de inercia.
El motor tal como lo conocemos hoy fue desarrollado por el alemán Nikolaus Otto, quien en
1886 patentó el diseño de un motor de combustión interna a cuatro tiempos,  basado en los
estudios del inventor francés Alphonse Beau de Rochas de 1862, que a su vez se basó en el
modelo de combustión interna de Barsanti y Matteucci

MOTORES DE COMBUSTION EXTERNA

Un motor de combustión externa es un motor térmico que realiza una conversión de energía
calorífica en energía mecánica mediante un proceso de combustión que se realiza fuera de la
máquina, generalmente para calentar agua que, en forma de vapor, será la que realice el
trabajo, en oposición a los motores de combustión interna, en los que la propia combustión,
realizada dentro del motor, es la que lleva a cabo el trabajo.
En los motores de combustión externa tradicionales, el combustible se quema en un hogar,
produciéndose en una caldera que normalmente quema el carbón fuera del motor para
convertir el agua en vapor.

1. APLICACIONES

Inicialmente muy común, esa tecnología murió con el invento de los motores Otto y Diesel,
hasta renacer al inicio del siglo XX impulsado por la compañía Philips en Holanda.
La segunda guerra mundial puso fin a una serie de nuevos desarrollos y solo hace 25 años se
volvieron a dar nuevas iniciativas y desarrollos. Hoy en día se utilizan motores Stirling para
generar calor, para impulsar submarinos y próximamente como motores en automóviles
híbridos.
Sus aplicaciones son muchas. Existen pequeños motores capaces de funcionar con la
temperatura de la palma de la mano y se han construido prototipos para corazones artificiales
implantables.
Existen varios tipos de motores de combustión externa, las principales son :

2. CLASIFICACION DE MOTORES

a.- MOTOR STIRLING

b.- MOTOR NUCLEAR

c.- MOTORES DE VAPOR

a.-MOTOR STIRLING

Un motor Stirling es un motor térmico operando por compresión y expansión cíclica de aire u

otro gas, el llamado fluido de trabajo, a diferentes niveles de temperatura tales que se produce
una conversión neta de energía calorífica a energía mecánica.

El motor Stirling es el único capaz de aproximarse (teóricamente lo alcanza) al rendimiento

máximo teórico conocido como rendimiento de Carnot, por lo que, en lo que a rendimiento de
motores térmicos se refiere, es la mejor opción.
a.1. Análisis termodinámico de Schmidt

La teoría de Schmidt es un método “isotérmico” de cálculo para los motores Stirling. Es el

método más simple y útil para el diseño de motores Stirling.

Hipótesis de la teoría de Schmidt El volumen del motor es fácilmente calculado usando la

geometría interna y analizando el movimiento de sus partes. La presión es calculada usando
las leyes de los gases ideales, haciendo las siguientes suposiciones:

a) No hay pérdidas de presión en los intercambiadores de calor y no hay diferencias de presión

interna.

b) Los procesos de expansión y de compresión son isotérmicos.

c) El gas es considerado un gas ideal.

d) Hay regeneración perfecta.

e) El espacio muerto de expansión es mantenido a la temperatura Te, y el de compresión a Tc.

f) La temperatura del gas en el regenerador está en función de Th y Tk, que son las
temperaturas del gas en el enfriador y calentador, respectivamente.

g) El espacio de expansión es Ve y de compresión Vc.

a.2. Análisis isotérmico ideal

Esquema del análisis isotérmico ideal de un motor Stirling.

El motor contiene:

i. Espacio de compresión (c)

ii. Enfriador (k)
iii. Regenerador (r)
iv. Calentador (h)
v. Espacio de expansión (e)

Cada componente es considerado como una entidad o celda homogénea. El gas interior está
representado por una masa instantánea “M”, temperatura absoluta “T”, volumen “V” y presión
“P”.

Se considerará que la masa total del gas es constante.

Aplicando la ecuación de estado de los gases ideales, tenemos:

a.3.- Temperatura promedio en el regenerador

Analizando el regenerador, tenemos:

Distribución de la temperatura en el regenerador

Resolviendo, tenemos:
El trabajo realizado por el sistema, en un ciclo, está dado por la integral cerrada de  PdV .
Donde θ es el ángulo de giro de la manivela del motor.

a.4.- Análisis
térmico general de un motor Stirling

Esquema térmico general de un motor Stirling.

Análisis cinemático del mecanismo

En este capítulo se realizará el análisis cinemático del mecanismo rómbico, ya que éste es el
mecanismo que se uso para el motor estudiado.

El mecanismo rómbico se eligió por las siguientes razones:

 Este mecanismo nos da uno de los “mejores” ciclos para el motor Stirling.

 Elimina la fuerza lateral que actúa sobre el pistón-cilindro que se produciría con un
mecanismo de biela-manivela.

 Nos da un balance dinámico perfecto entre sus partes. Así como este mecanismo tiene
ventajas, también tiene desventajas:

 Requiere de alta precisión en su fabricación.

 Tiene un gran número de partes móviles.

 Tiene mayor desgaste. A continuación realizaremos el análisis cinemático del motor, pero
antes mencionaremos la nomenclatura a utilizar:  θ = Ángulo de la manivela con respecto a la
vertical.

 Ld = Longitud del desplazador.

 Lp = Longitud del pistón.

 Lvd = Longitud del vástago del desplazador.

 Lvp = Longitud del vástago del pistón.

 Dp = Diámetro de paso de los engranajes. 62

 Rm = Radio de la manivela.

 L = Longitud de la biela.

 E = Longitud desde el eje central del pistón hasta un extremo de la biela.

 e = Longitud muerta del espacio caliente.

Esquema para el cálculo cinemático de un motor Stirling con mecanismo rómbico.

a.5.-Diseño del mecanismo rómbico para la transformación del movimiento

Para dimensionar un mecanismo rómbico sólo se requieren de dos parámetros, los cuales,
según textos [8], tienen los valores que mencionaremos a continuación.

Se sabe que para los valores de z  2,5-2,6 y rho  0,96 -0,97, se obtienen los mejores
resultados para el ciclo termodinámico del motor Stirling.

Cálculos para el motor Stirling con el mecanismo rómbico.

Según el gráfico hallaremos las posiciones de los vástagos del pistón y del desplazador en
función del ángulo de la manivela, respectivamente:

Ángulo de la manivela correspondiente a la posición máxima del pistón:

Ángulo de la manivela correspondiente a la posición mínima del pistón:

Ángulo de la manivela correspondiente a la posición máxima del desplazador:

Ángulo de la manivela correspondiente a la posición mínima del desplazador:

Posiciones máximas y mínimas del vástago del pistón:

La longitud de la carrera del pistón:

3 . MOTOR NUCLEAR
Motor térmico en el cual la fuente de calor es exterior al mismo, es decir, la combustión no se
produce dentro del cilindro o de la turbina.
En los motores de combustión externa tradicionales, el combustible se quema en un hogar,
produciéndose en una caldera el vapor que actúa en forma de fluido activo y acciona los
pistones, si se trata de un motor alternativo, o los alabes de la turbina, si se trata de un motor
rotativo. El vapor, después de la expansión, puede condensarse y regresar a la caldera.

El motor de vapor fue perfeccionado por Watt. Los primeros intentos para aprovechar los
motores de combustión externa para lo locomoción por carretera, se remontan al comienzo del
siglo xix; sin embargo, a principios del siglo xx, los motores de combustión interna se
impusieron definitivamente. En los años setenta, los motores de vapor se emplean aún, en
algunos países, para tracción ferroviaria y se prefieren, en instalaciones fijas, por la posibilidad
de emplear combustibles baratos (carbón, aceites pesados, etc.).

En los motores de combustión externa nucleares, el calor se obtiene aprovechando la energía

desarrollada por una reacción nuclear. En algunos casos (turbinas de ciclo cerrado y centrales
nucleares), se recurre a un fluido intermedio para la transmisión del calor de la fuente al fluido
activo.
4. MOTORES DE VAPOR

Una máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma la energía térmica
de una cantidad de agua en energía mecánica. En esencia, el ciclo de trabajo se realiza en dos
etapas:

Se genera vapor de agua en una

caldera cerrada por calentamiento,
lo cual produce la expansión del
volumen de un cilindro empujando
un pistón. Mediante un mecanismo
de biela - manivela, el movimiento
lineal alternativo del pistón del
cilindro se transforma en un
movimiento de rotación que
acciona, por ejemplo, las ruedas de
una locomotora o el rotor de un
generador eléctrico. Una vez
alcanzado el final de carrera el
émbolo retorna a su posición inicial
y expulsa el vapor de agua
utilizando la energía cinética de un
volante de inercia.

El vapor a presión se controla

mediante una serie de válvulas de
entrada y salida que regulan la
renovación de la carga; es decir, los flujos del vapor hacia y desde el cilindro.

El motor o máquina de vapor se utilizó extensamente durante la Revolución Industrial, en cuyo

desarrollo tuvo un papel relevante para mover máquinas y aparatos tan diversos como bombas,
locomotoras, motores marinos, etc. Las modernas máquinas de vapor utilizadas en la
generación de energía eléctrica no son ya de émbolo o desplazamiento positivo como las
descritas, sino que sonturbo máquinas; es decir, son atravesadas por un flujo continuo de vapor
y reciben la denominación genérica de turbinas de vapor. En la actualidad la máquina de vapor
alternativa es un motor muy poco usado salvo para servicios auxiliares, ya que se ha visto
desplazado especialmente por el motor eléctrico en la maquinaria industrial y por el motor de
combustión interna en el transporte.

4.1. Funcionamiento del motor de vapor

El vapor de la caldera entra en la cámara, en donde en el extremo delantero se encuentra un

cilindro, que por la expansión del volumen del agua, empuja un pistón. A través de un
mecanismo de biela-manivela el movimiento circular de este pistón se convierte en un
movimiento de traslación o de rotación.
Este movimiento es capaz de hacer girar ruedas por ejemplo de una locomotora o incluso
provocar la rotación de un rotor en un generador eléctrico. Cuando acaba con el ciclo, el
émbolo vuelve al lugar en el que comenzó y todo el vapor se expulsa con inercia aplicando
la energía cinética (la misma que tanto tiene que ver en el funcionamiento de la montaña
rusa).
Al mismo tiempo, mediante una serie de válvulas se produce una renovación en la entrada y la
salida de los flujos de vapor, también de forma constante.

4.2.-Partes de un motor de vapor:

Un fuego en el que el carbón se quema.
Una caldera llena de agua que el calor calienta para generar el vapor.
Un cilindro y un pistón, bastante parecido al de la bomba de la bicicleta pero mucho más
grande. El vapor de la caldera es entubado dentro del cilindro, causando que el pistón se
mueva primero de una forma y luego de otra. Este movimiento de entrada y salida (el cual es
conocido como “alternativo”)
una máquina unida al pistón. Podría ser cualquier cosa desde una bomba de agua a una
máquina de fábrica o incluso ¡una locomotora de vapor gigante corriendo arriba y abajo por
unas vías de ferroviarias.
 MOTORES DE COMBUSTION INTERNA
El motor de combustión interna ha evolucionado mucho desde los inicios hasta el día de hoy,
desde los comienzos de esta tecnología donde nadie apostaba por él, debido a que la máquina
de vapor era más competente, hasta el día de hoy donde es el motor más utilizado del mundo
para el transporte.
El motor de combustión interna ha mejorado en muchos aspectos, el rendimiento de los
motores ha evolucionado desde el orden del 10% que alcanzaban los primeros motores, hasta
el 35% o 40% que se alcanzan hoy en día. El rendimiento de los motores no es el único
aspecto que se ha mejorado, sino que a base de nuevas tecnologías aplicadas, diversas
aplicaciones electrónicas, mejorías en los combustibles, materiales más ligeros y resistentes,
etcétera, han conseguido potencias brutales en estos motores térmicos.
Con las nuevas tecnologías se ha mejorado también la duración de estos motores, donde hoy
en día con la electrónica se intenta optimizar el motor suprimiendo algunas piezas móviles que
pueden causar problemas como averías, también de esta manera conseguimos que el
mantenimiento del motor sea reducido considerablemente, haciendo de éstos, máquinas más
asequibles y abaratar costes en la producción y en su mantenimiento.Generalmente se
distinguen tres tipos principales de motores de
combustión interna:

MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

2 TIEMPOS 4 TIEMPOS
Turbinas de gas y
turborreactores
Otto Diesel Otto Diesel Wankel
 A. MOTOR DE 2 TIEMPOS

El motor de dos tiempos fue el primer motor de combustión interna que se construyó. La
fabricación, mantenimiento y funcionamiento es mucho más sencillo que el motor de cuatro
tiempos, a continuación explicaremos sus partes básicas y el ciclo de funcionamiento.
Para la construcción de un motor de dos tiempos nos podemos basar en dos ciclos, el Otto y el
Diesel. En este apartado solo citaremos el motor de dos tiempos de Otto, ya que el Diesel no
se utiliza hoy en día.
A.1 CICLO OTTO DE 2 TIEMPOS

1er tiempo: Admisión – compresión: Cuando el pistón está en el punto más bajo, es decir en
el Punto Muerto Inferior (PMI), empieza el proceso de admisión. La lumbrera de admisión deja
pasar el carburante (aire y combustible) hacia el cilindro. Una vez aspirado el carburante el
pistón va ascendiendo mientras comprime la mezcla.

2º tiempo: Expansión - escape de gases: En el momento que el pistón está en el punto más
alto, es decir, el Punto Muerto Superior (PMS), la bujía (en caso del ciclo Otto) hace saltar una
chispa que enciende la mezcla, incrementando la presión en el cilindro y hace desplazar al
pistón hacia abajo. Cuando está a la altura de la lumbrera de escape, la propia presión de los
gases tiende a salir del cilindro, dejando al cilindro vacío para volver a empezar un nuevo ciclo.
Este motor como podemos observar hace un trabajo en cada revolución, es decir una explosión
en cada vuelta del cigüeñal. Esto crea una mayor potencia frente a los motores de cuatro
tiempos que hacen una explosión cada dos vueltas del motor. También, el motor de dos
tiempos incorpora menos piezas móviles como las válvulas, levas, árbol de levas, etc, y su
funcionamiento es más sencillo. En contrapartida el motor de cuatro tiempos hay más
facilidades a la hora de modificarlo, rinde mucho más, consumiendo mucho menos y
contaminando menos.
Este tipo de motor, hoy en día aún se utiliza, aunque siempre en motores de pequeña
cilindrada como: ciclomotores, cortacésped, motosierras, etc.
El combustible utilizado en el motor Otto de dos tiempos, al igual que en el ciclo Otto de cuatro
tiempos es la nafta o llamado comúnmente gasolina.
 B. MOTOR DE 4 TIEMPOS

El motor de 4 tiempos fue toda una revolución en el mundo del motor, desde que
Alphonse Beau de Rochas ideó este ciclo y más tarde Nikolaus August Otto lo mejoró,
ha habido muchos más cambios que han mejorado su rendimiento y hasta hoy en día
es utilizado. A continuación explicaremos en que se basa el ciclo de 4 tiempos.

B.1 Ciclo Otto de 4 tiempos

1er tiempo: Admisión: En el momento que el pistón está en el punto más alto (PMS), la
válvula de admisión se abre y el propio pistón por el vacío que se crea dentro del cilindro aspira
la mezcla (aire y combustible) hasta llegar al punto más bajo del cilindro (PMI).

2º tiempo: Compresión: Después del ciclo de admisión, el pistón se encuentra en el punto

más bajo (PMI), en este momento la válvula de admisión se cierra y el pistón empieza a
ascender comprimiendo la mezcla hasta llegar al punto más alto del cilindro (PMS)

3er tiempo: Expansión: Una vez que en la carrera de compresión se ha comprimido la

mezcla, la bujía hace saltar una chispa y enciende la mezcla, aumentando la presión en el
cilindro y haciendo descender el pistón hacia el punto más bajo (PMI). En esta carrera de
expansión es donde se realiza el trabajo útil.

4º tiempo: Escape de gases: Cuando el pistón llega al punto más bajo (PMI), se abre la
válvula de escape y el pistón empieza a ascender empujando los gases quemados hacia el
exterior. En el momento que llega al punto más alto (PMS) la válvula de escape se cierra.
B.2 Ciclo Diesel de 4 tiempos

1er tiempo: Admisión: En el momento que el pistón está en el punto más alto (PMS), la
válvula de admisión se abre y el pistón aspira aire fresco (a diferencia del ciclo Otto de 4
tiempos) hasta llegar al punto más bajo del cilindro (PMI).

2º tiempo: Compresión: Después del ciclo de admisión, el pistón se encuentra en el punto

más bajo (PMI), en este momento la válvula de admisión se cierra y el pistón empieza a
ascender comprimiendo el aire hasta llegar al punto más alto del cilindro (PMS)

3er tiempo: Expansión: Una vez que en la carrera de compresión se ha comprimido la

mezcla, el inyector se encarga de inyectar el combustible dentro del cilindro. La propia presión
del aire enciende la mezcla, aumenta la presión en el cilindro y desciende el pistón hacia el
punto más bajo (PMI). En esta carrera de expansión es donde se realiza el trabajo útil.

4º tiempo: Escape de gases: Cuando el pistón llega al punto más bajo (PMI), se abre la
válvula de escape y el pistón empieza a ascender empujando los gases quemados hacia el
exterior. En el momento que llega al punto más alto (PMS) la válvula de escape se cierra.

El motor Diesel de 4 tiempos es la máquina térmica más eficiente de todos los tiempos,
superando al ciclo Otto con creces. Ese rendimiento tan alto se consigue que al entrar solo aire,
la carrera de compresión puede ser mucho más eficaz comprimiendo mucho más sin
problemas de detonación y realizando más trabajo. En contrapartida la velocidad máxima del
motor está muy limitada, ya que para que se encienda la mezcla hace falta un volumen mínimo
de aire.

El combustible utilizado en el motor Diesel es el aceite pesado o más comúnmente llamado

gasoil.
B.3 Ciclo Wankel de 4 tiempos

El ciclo Wankel es un proceso muy similar al motor Otto de 4 tiempos, aunque en este caso la
única pieza móvil dentro del motor (sin contar válvulas) es el rotor, es una pieza con forma de
triángulo equilátero que va girando constantemente (a diferencia del motor a pistón que tiene
puntos muertos) y por lo tanto es la pieza que realiza el trabajo.

1er tiempo: Admisión: La entrada de admisión permanece constantemente abierta. Cuando

cualquiera de los tres lados del rotor pasa por esa apertura, éste aspira la mezcla de
carburante.

2º tiempo: Compresión: La parte del estator donde ocurre el proceso de compresión (lugar
donde ocurren los procesos) es más estrecha que todas las demás. El rotor trae la mezcla que
ha cogido en el proceso de admisión donde aquí al ser más estrecho se comprimirá.

3er tiempo: Expansión: Una vez comprimida la mezcla, la bujía hace saltar una chispa que
empujará el rotor para que siga su recorrido. En este tiempo de expansión es donde se
realizará el trabajo útil.

4º tiempo: Escape de gases: Aquí, al igual que en el tiempo de admisión, la apertura de

escape permanece constantemente abierta. Una vez que ha explotado la mezcla, los gases
están a alta presión. Entonces al encontrar esta apertura los gases quemados salen por su
propia presión. A partir de aquí vuelve a empezar el ciclo.
C. TURBINAS DE GAS Y TURBORREACTORES

Las turbinas de gas y los turborreactores son también considerados motores de

combustión interna. Este motor es mucho más sencillo que cualquier otro motor de
combustión interna y su funcionamiento también lo es. Es considerado un motor de
combustión interna porque la combustión ocurre dentro del motor y porque las fases son
parecidas a los demás motores.

Primeramente el compresor recoge el aire del exterior (fase 1 de admisión). El compresor

(movido por la turbina 1 -T1-) presiona el aire para meterlo en la cámara de combustión
(fase 2 de compresión). Después se enciende el combustible mezclado con aire que ha
enviado el compresor y esos gases se expanden por la primera turbina y más tarde por la
segunda turbina. La presión de esos gases hace mover a las dos turbinas y éstas últimas
mueven un cigüeñal o eje motor (fase 3 de expansión). Finalmente los gases salen al
exterior (fase 4 de escape de gases).

El funcionamiento de la turbina de gas es idéntico a los turbo-compresores utilizados en los

motores alternativos a pistón para comprimir el aire de admisión. La turbina de gas tiene un
alto rendimiento térmico, es decir con poco combustible es capaz de entregar una gran
potencia. Con una pequeña turbina de gas podemos entregar potencias mucho mayores
que cualquier otro motor de combustión interna. En contrapartida, la turbina de gas para
que entregue esa gran potencia, necesita un régimen de giro muy alto, por lo tanto en
arrancadas es un motor muy débil. También a estas turbinas les cuesta mucho cambiar de
régimen lo que no dejaría efectuar grandes aceleraciones a pequeñas velocidades. Eso la
deja lejos del mercado de los en automóviles.

Es utilizada para mover hélices en la antigua aviación, actualmente se utilizan para la

propulsión de aviones a reacción, es decir para impulsar el avión antes de volar. En
automoción se han hecho algunos prototipos como el Volvo ECC, aunque no se llevo a la
venta. Donde más se utilizan estos motores es en generadores de corriente en centrales
térmicas.

Otro tipo de motor de combustión interna es el turborreactor, donde su funcionamiento es

muy parecido a la turbina de gas.

Primeramente, al igual que en la turbina de gas, el compresor recoge el aire del exterior
(fase 1 de admisión). El compresor (movido por la turbina 1 -T1-) presiona el aire para
entrarlo en la cámara de combustión (fase 2 de compresión). Después se enciende el
combustible mezclado con aire que ha enviado el compresor y esos gases se expanden
parcialmente por la primera turbina. La turbina al moverse hace mover al compresor que va
fijado a ella mediante un eje, esto provoca poder seguir con la compresión. Los gases
cuando salen de la turbina se acaban expandiendo en el exterior, transformando esa
energía en energía cinética de los gases que provocará una gran potencia de reacción
(fases de expansión y de escape).

El principio de funcionamiento del turborreactor es el famoso fenómeno físico de acción –

reacción, es decir, al salir los gases de la turbina se expanden en el exterior provocando
una fuerza contraria de igual de módulo que la que ellos hacen, por lo tanto impulsan el
avión.

Los turborreactores o motores a reacción son los motores que se utilizan hoy en día en la
aviación, sobretodo en aviones supersónicos, es decir aviones capaces de traspasar la
velocidad del sonido.
 MÁQUINAS TÉRMICAS

1. ¿QUÉ SON MÁQUINAS TÉRMINAS?

Una máquina térmica es un conjunto de elementos mecánicos que permite

intercambiar energía, generalmente a través de un eje, mediante la variación de energía de
un fluido que varía su densidad significativamente al atravesar la máquina. Se trata de
una máquina de fluido en la que varía el volumen específico del fluido en tal magnitud que los
efectos mecánicos y los efectos térmicos son interdependientes.

Por el contrario, en una máquina hidráulica, que es otro tipo de máquina de fluido, la variación
de densidad es suficientemente pequeña como para poder desacoplar el análisis de los efectos
mecánicos y el análisis de los efectos térmicos, llegando a despreciar los efectos térmicos en
gran parte de los casos. Tal es el caso de una bomba hidráulica, a través de la cual
pasa líquido. Alejándose de lo que indica la etimología de la palabra «hidráulica», también
puede considerarse como máquina hidráulica un ventilador, pues, aunque el aire es un fluido
compresible, la variación de volumen específico no es muy significativa con el propósito de que
no se desprenda la capa límite.

En una máquina térmica, la compresibilidad del fluido no es despreciable y es necesario

considerar su influencia en la transformación de energía.

1.1 MÁQUINA TÉRMICA Y MOTOR TÉRMICO

En un principio se podría definir a una máquina térmica como un dispositivo, equipo o una
instalación destinada a la producción de trabajo en virtud de un aporte calórico. Aunque en
algunas definiciones se identifican como sinónimos los términos «máquina térmica motora» y
«motor térmico», en otras se diferencian ambos conceptos. Al diferenciarlos, se considera que
un motor térmico es un conjunto de elementos mecánicos que permite obtener energía
mecánica a partir de la energía térmica obtenida mediante una reacción de combustión o
una reacción nuclear.

Un motor térmico dispone de lo necesario para obtener energía térmica, mientras que una
máquina térmica motora necesita energía térmica para funcionar, mediante un fluido que
dispone de más energía a la entrada que a la salida.

2. FUNDAMENTO DE LAS MÁQUINAS TÉRMICAS.

2.1 PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA.

El primer principio es una ley de conservación de la energía y, a su vez, una definición

precisa del calor. Afirma que, como la energía no puede crearse ni destruirse (dejando a un
 lado las posteriores ramificaciones de la equivalencia entre masa y energía) la cantidad de
energía transferida a un sistema en forma de calor más la cantidad de energía transferida
en forma de trabajo sobre el sistema debe ser igual al aumento de la energía intern del
sistema. El calor y el trabajo son mecanismos por los que los sistemas intercambian energía
entre sí.

2.2 SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA.

Es una de las leyes más importantes de la física; aun pudiéndose formular de muchas
maneras todas lleva a la explicación del concepto de irreversibilidad y al de entropía. Este
último concepto, cuando es tratado por otras ramas de la física, sobre todo por la mecánica
estadística y la teoría de la información, queda ligado al grado de desorden de la materia y
la energía de un sistema. La termodinámica, por su parte, no ofrece una explicación física
de la entropía, que queda asociada a la cantidad de energía no utilizable de un sistema. Sin
embargo, esta interpretación meramente fenomenológica de la entropía es totalmente
consistente con sus interpretaciones estadísticas. Así, tendrá más entropía el agua en
estado gaseoso con sus moléculas dispersas y alejadas unas de las otras que la misma en
estado líquido con sus moléculas más juntas y más ordenadas.

3. CLASIFICACIONES DE LAS MAQUINAS TERMICAS.

3.1 SEGÚN EL SENTIDO DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA.

3.1.1 Máquinas térmicas motoras.

3.1.2 Máquinas térmicas generadoras.

3.2 SEGÚN EL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO.

3.2.1 Máquinas volumétricas o máquinas de desplazamiento positivo.

3.2.2 Turbomáquinas.
 LOS MOTORES ELÉCTRICOS

1. LA UTILIZACIÓN DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS

En las actividades industriales y comerciales es necesario mover distintos procesos

productivos, maquinaria y equipos diversos, como ventiladores, bandas transportadoras,
bombas de agua, escaleras eléctricas, compresores, taladros, es decir, un sinfín de
aplicaciones mecánicas que requieren movimiento. La forma más fácil de llevar a cabo ese
movimiento es mediante un motor eléctrico, como se muestra en la Figura 1.

La finalidad de los motores eléctricos es convertir la energía eléctrica, en forma de corriente

continua o alterna, en energía mecánica apta para mover los accionamientos de todo tipo de
máquinas. Los motores eléctricos cubren toda la gama de aplicaciones que la sociedad
moderna exige, se encuentran tan pequeños como los usados en el giradiscos de un DVD, tan
cotidianos como el de una licuadora, un ventilador o un acondicionador de aire; pero también
los hay tan grandes como los que necesitan las industrias para mover molinos, trituradoras,
compresores de aire, mezcladoras, etc. Existen industrias macro-consumidoras de electricidad
como las fábricas de cemento que llegan a utilizar motores de miles de caballos de potencia.
Otra cualidad que distingue a los motores eléctricos es su larga vida útil (en grandes potencias
industriales deben durar por lo menos 10 años), no obstante en muchas empresas operan
motores con más de 30 años de vida. Una ventaja más son los altos rendimientos que de ellos
se obtiene, en motores pequeños (menos de 1 hp) su eficiencia es del orden del 80%, pero en
grandes capacidades llegan hasta el 96% de eficiencia. Las eficiencias de los motores
eléctricos son en general muy superiores a la de los motores de combustión interna
equivalentes, por ejemplo, un motor diesel tiene un rendimiento aproximado al 40%, con
respecto a un motor eléctrico de similar potencia, además, son mucho más adaptables,
silenciosos y menos contaminantes que los motores de vapor o de explosión, gasolina o diesel.
En la Figura 2 se detallan las partes de un motor eléctrico.

2. CÓMO FUNCIONA UN MOTOR ELÉCTRICO?

Los motores eléctricos están conformados por dos partes principales, i.e.: un estator fijo y un
rotor móvil. Estator fijo. Es la parte externa del motor que no gira, en el se encuentra la
capacidad magnética del motor, está integrado por polos magnéticos (imanes) y un
embobinado de alambres de cobre (Fig 3).

El motor eléctrico usa los polos magnéticos (que funcionan como imanes) para producir el
movimiento del rotor. El accionar de los motores se basa en la ley fundamental de los imanes:
cargas opuestas se atraen e iguales se repelen. Dentro de un motor eléctrico por el
embobinado de cobre circula corriente eléctrica, que a su vez genera su campo magnético,
asegurando con ello que los polos magnéticos del rotor siempre se encuentren en repulsión,
huyendo del estator por la similitud de cargas. Entonces las fuerzas de atracción y repulsión
producen el movimiento circular del rotor, expresada físicamente como una fuerza axial
denominada torque, al cual se le agrega una extensión llamada flecha o eje, que luego es
acoplada al equipo que aprovecha el movimiento que se está produciendo. Rotor móvil. Es la
parte del motor que gira a gran velocidad, debido a la acción de los campos magnéticos
creados en el motor, su velocidad de rotación expresada en revoluciones por minuto (r.p.m.)
depende del número de polos magnéticos del estator (Fig 4). Esta parte se apoya en cojinetes
de rozamiento también denominados baleros. El espacio comprendido entre el rotor y estator
es constante y se denomina entrehierro.
3. TIPOS DE MOTORES

La corriente eléctrica que distribuyen las empresas eléctricas es del tipo alterna, sin embargo
hay aplicaciones que utilizan también la corriente en forma directa, por ello los motores
eléctricos pueden ser de corriente directa o de corriente alterna.

3.1 Motores de corriente directa (o continua)

Los motores de corriente directa o continua, como también se les llama, presentan la ventaja
de tener una gran capacidad para regular su velocidad de rotación, lo cual los hace necesarios
en aquellas de aplicaciones en las cuales se precisa un ajuste fino de la velocidad y torque. En
estos motores el estator está formado por polos principales activados por corrientes continuas.
Suelen llevar además polos auxiliares y en grandes potencias polos de compensación. El rotor
se alimenta con corriente continua a través del colector y las escobillas. Los devanados del
estator pueden alimentarse de diferentes formas, dando lugar a motores de características
distintas.

• Derivación.- El estator se alimenta con la misma tensión de alimentación que el inducido.

• Independiente.- El estator se alimenta con una fuente de corriente continua independiente. •

Serie.- La intensidad que atraviesa los devanados del estator es la misma que alimenta el
inducido.

• Compuesto.- Es una combinación de las características Serie y Derivación.

No obstante, los motores de corriente directa necesitan una alimentación especial diferente a la
que suministran la empresas eléctricas, por ello utilizan equipos adicionales como rectificadores
de potencia, con los que la corriente alterna es convertida a directa; así como en ocasiones
baterías de reserva lo cual incrementa los costos del mismo motor y la instalación
complementaria. Por las grandes ventajas que tiene recibir la corriente alterna, la gran mayoría
de los equipos que requieren de un motor eléctrico utilizan motores de corriente alterna,
preferentemente en forma trifásica, aunque existen muchos motores de baja potencia que
reciben sólo una fase eléctrica (monofásicos). Actualmente, producto del alto desarrollo
tecnológico, los motores de corriente alterna también pueden variar la velocidad y torque que
entregan al equipo acoplado, para ello deben instalarse en combinación con un regulador
electrónico de velocidad variable, conocidos en el lenguaje industrial como “Drivers”,
“Variadores de Frecuencia” ó “Convertidores de Frecuencia Variable”, según se explica en la
Sección VIII. Esta poderosa ventaja está haciendo que los motores de corriente directa sean
paulatinamente reemplazados por motores de corriente alterna con variador de velocidad
integrado. De hecho gran parte de la maquinaria nueva ya no incluye motores de corriente
directa. Otra desventaja de los motores de corriente directa es que precisan un mantenimiento
mayor que los motores de corriente alterna y cada mantenimiento es bastante costoso. El
colector y las escobillas necesitan mucha atención y cuidados. Los motores de corriente
continua presentan la ventaja de una gran capacidad para la regulación de la velocidad, lo cual
los hace necesarios en ciertos tipos de aplicaciones, en los cuales se precisa un ajuste fino de
la velocidad y del torque del motor. Sin embargo, presentan los siguientes inconvenientes:
• Alimentación. La generación y distribución de energía eléctrica se realiza en corriente alterna.
Estos motores necesitan una alimentación especial, mediante equipos rectificadores de
potencia, así como en ocasiones baterías de reserva, lo cual incrementa los costos de la
instalación.

• Mantenimiento. Precisan un mantenimiento mayor que los motores de corriente alterna y son
bastante más costosos.

El colector y las escobillas necesitan mucha atención y cuidados. Los colectores deben tener
una superficie lisa y girar de forma completamente circular. Debe evitarse la aparición de fuego
o chispas debajo de las escobillas, que pueden ser ocasionadas por la marcha no circular del
colector, vibraciones, escobillas gastadas, etc. El colector se debe tornear periódicamente y los
granos de polvo pueden rayarlo. Estas circunstancias los hacen poco adecuados para trabajar
en atmósferas sucias o ambientes explosivos.

3.2Motores de corriente alterna:

Síncronos y asíncronos Los motores de corriente alterna son los más empleados, dada la gran
ventaja de funcionar con la forma de corriente que suministran las empresas eléctricas, no
requieren pasar la corriente alterna a corriente directa, por tanto son de menor costo. Se
clasifican en motores asíncronos (o de inducción) y motores síncronos. En los síncronos el eje
gira a la misma velocidad que lo hace el campo magnético, en los asíncronos el eje se
revoluciona a una velocidad poco menor a la del campo magnético. Los motores asíncronos
basan su funcionamiento en la creación de un campo magnético giratorio en el entrehierro,
debido a la circulación de corriente alterna por los devanados trifásicos y la influencia de los
polos magnéticos del estator. La velocidad de giro de este campo magnético en revoluciones
por minuto (r.p.m.), es:

donde :

f = Frecuencia de alimentación

p = Número de polos del devanado del estator.

ns = Velocidad de giro, en revoluciones por minuto.

Por ejemplo, si se suministra energía eléctrica a un motor de 20 HP de dos polos a una

frecuencia de 60 Hz, ¿cuál será la velocidad sincronía del motor?

La velocidad de giro de un motor eléctrico está determinada por el número de polos

magnéticos, entre más polos el motor revolucionará más lentamente. La Tabla 1 indica la
velocidad de giro del campo magnético en función del número de polos para una frecuencia de
60 Hz.
Tabla 1. Número de polos y velocidad de sincronía de los motores

La razón para utilizar motores de menor velocidad es para incrementar el torque o par que
puede entregar el motor. Este término se refiere al equivalente de fuerza por distancia que es
capaz de ejercer un motor en cada giro. El giro de un motor tiene dos características: el par
motor y la velocidad de giro. El par motor se expresa y mide en Newton-metro (Nm); un par de
20 Nm, es igual al esfuerzo de tracción de 20 Néwtones, aplicado a un radio de un metro. Un
ejemplo práctico para comprender la diferencia entre par y potencia se observa en los pedales
de una bicicleta; en donde el motor sería la persona que pedalea, y el par motor, en ese caso,
la presión o fuerza que ejerce sobre los pedales. Si la persona conduce su bicicleta a una
determinada velocidad fija, por ejemplo, unos 15 km/h, con un engrane grande, dando 30
vueltas por minuto; estaría generando una potencia determinada; ahora sí reduce la velocidad
de giro a 15 revoluciones por minuto, para generar la misma potencia tendría que emplear el
doble de par; pues deberá hacer el doble de fuerza con cada pedaleada para mantener la
velocidad de 15 km/h. La potencia puede ser calculada si se conoce el torque requerido por el
equipo, mediante la siguiente ecuación:

donde:

Potencia será expresada en HP o kW, dependiendo de las unidades empleadas K es una

constante, igual a 7,124 sí T está en Nm; y 5,250 sí T está pie-libra. Por ejemplo, si el torque
requerido para un agitador es de 15 Nm, y se requiere una velocidad de 3,600 r.p.m, ¿cuál será
la potencia nominal del motor para satisfacer esta carga?

En los motores eléctricos el par aumenta para mantener la velocidad cuando la resistencia al
giro es mayor, esto se logra incrementado en número de polos; en operación sí el voltaje se
mantiene constante, el aumento de par incrementa la corriente consumida.
3.2.1.Deslizamiento.

Ya se mencionó que los motores asíncronos no giran a la velocidad del campo magnético,
llamada sincronía, sino que lo hacen a una velocidad muy próxima. Se llama deslizamiento “s”,
a la diferencia entre la velocidad de sincronismo ns y la del rotor n, expresada como un
porcentaje de la velocidad de sincronismo:

Por ejemplo, si un motor de 2 polos a 60 Hz tiene una velocidad a plena carga de 3,550 r.p.m.,
el deslizamiento del mismo es:

O sea, el motor de este ejemplo gira a una velocidad del 1.39% de la velocidad de sincronía
cuando entrega su potencia nominal. Por este motivo, los motores asíncronos no pueden
funcionar a cualquier velocidad, sino a una serie de velocidades cercanas a la de sincronismo,
como lo indica el Gráfico 1. A medida que el motor ocupa menos carga su deslizamiento es
menor, su velocidad de rotación se aproxima más a la de sincronismo; igualmente la corriente
nominal sólo se demanda cuando la carga es del 100%, en la medida que el motor esté a
menor carga se solicita menos corriente, cuando se queda en vacío puede demandar más del
25% de su corriente de placa

3.3.Motor síncrono

Los motores síncronos sustituyen a los motores asíncronos solamente en aplicaciones

que requieren características especiales. Se utilizan en grandes industrias que cuentan con
aplicaciones de velocidad baja además de constante y ser de alta potencia, como: molinos,
mezcladoras, trituradoras. En la pequeña y mediana empresa son prácticamente innecesarios.
Una de las ventajas más importantes de los motores síncronos es que su factor de potencia
puede llegar a tener valores iguales a uno, e incluso se fabrican con “cos f” capacitivo, es decir,
con la intensidad adelantada respecto de la tensión, pudiéndose utilizar por tanto como
generadores de potencia reactiva, compensando así la instalación y evitando recargos por
consumo de potencia reactiva, es decir, disminuyendo el costo de la facturación eléctrica. La
eficiencia de los motores síncronos con cos f = 0.8 en adelante es entre 0.5 a 1 % más bajo
que con un factor de potencia de la unidad.