Evolución histórica del automóvil

Un rápido repaso de la evolución histórica del automóvil, desde la época de los carruajes hasta el concepto moderno de automóvil. El motor de combustión interna, sus patentes de invención y observaciones del desarrollo de la industria automotriz

La carrera por lograr reemplazar al caballo por un carro autopropulsado comenzó a fines del siglo XVII y tuvo su foco de nacimiento en dos regiones principales: Gran Bretaña y EEUU. Más de 70 años después, el ingeniero francés Joseph Cugnot diseñó y construyó el primer vehículo autopropulsado, un tractor de tres ruedas de uso militar. Se construyó en 1771 y se encuentra en la actualidad en un museo. Era interesante como innovación pero muy poco útil. Tanto en Francia, Inglaterra y EEUU, otros ingenieros de la época de Cugnot intentaron crear sus propios vehículos autopropulsados pero tenían demasiados defectos.

En EEUU, en el año 1789, se otorgó la primera patente por un carruaje de vapor a Oliver Evans, un inventor independiente. El primer vehículo que rodó por los caminos estadounidenses fue construido en 1803, también obra del inventor Oliver Evans. En Europa, el primer carruaje de vapor fue fabricado en 1801 por el ingeniero inglés Richard Trevithick, quien en 1803 también diseñó y construyó un carruaje llamado "London Carriage". Éste último no progresó técnicamente a pesar de ser fabricado durante un considerable período de tiempo. Gran Bretaña, especialmente Inglaterra, vio un período de evolución muy importante entre 1820 y 1840. El desarrollo de máquinas a vapor fue trascendental, puntualmente para las máquinas de transporte. Entre los ingenieros de esa época se destacó Hancock. Cabe aclarar que ese período de crecimiento fue relativamente breve.

Quienes aún dependían de los carruajes con caballos, especialmente los trabajadores, crearon el concepto de peaje. Era una cuota del valor monetario superior a la usual que afectaba a los vehículos a vapor, que más allá de la ventaja de eficiencia obtenida, solían desgastar los caminos con mayor prontitud por su elevado peso. El próximo capítulo de la historia de la evolución del automóvil tiene como protagonista a los trenes a vapor. En el año 1865 Gran Bretaña conoció la nueva legislación, que ponía freno al desarrollo de los vehículos a vapor para caminos y rutas normalmente transitados por carruajes a caballo. Este período vacío de avances tecnológicos para los carros autopropulsados se prolongó 30 años.

El motor de combustión interna siguió siendo desarrollado de manera independiente por inventores e ingenieros en países como Alemania, Francia y EEUU. Inglaterra inventó el concepto de vehículo autopropulsado en 1830 pero su política apoyó al crecimiento ferroviario. El resultado fue desperdiciar la oportunidad de marcar soberanía absoluta desde un principio en la industria automotriz. Incluso el famoso inventor estadounidense Tomas Edison reconoció en 1901 que "El vehículo de motor debería haber sido británico". Dijo que los británicos lo inventaron en 1830 y que ellos cuentan con calles de calidad sólo igualable por las francesas. También criticó duramente las reglamentaciones que impedían el avance en otras áreas de tecnología.

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Desarrollos previos al motor de combustión interna de tipo actual a gasolina

Hasta llegar al motor de combustión interna alimentado a nafta, técnicos, ingenieros y científicos de todo el mundo experimentaban con desarrollos propios evaluando el diseño, funcionamiento y rendimiento con combustibles como gas y kerosene. En 1678 el científico holandés Christian Huygens generó un diseño de motor de combustión interna que finalmente nunca construyó. En 1805, un suizo llamado Isaac Rivaz armó un carro autopropulsado de diseño mecánico propio. En 1863 el francés Étienne Lenoir presentó en París un vehículo de transporte autopropulsado que utilizaba como combustible el gas para iluminación. Los alemanes Eugen Langen y August Otto desarrollaron un motor a gas en 1866 y recién para 1876 August Otto diseñó y construyó un 4 cilindros que sentó las bases para los posteriores diseños de motores de combustión interna.

El concepto moderno de automóvil

El paso de carruaje autopropulsado al concepto de automóvil tuvo lugar entre 1885 y 1887. En ese período Karl Benz y luego Gottlieb Daimler vendieron los primeros vehículos a nafta con un rendimiento aceptable. La diferencia entre ellos era que Karl Benz tenía intención de fabricar autos mientras que Gottlieb Daimler solo se interesaba por vender motores para poder así financiar sus desarrollos posteriores. El auto de Benz era superior como conjunto dado a que utilizaba la última tecnología de la industria de las bicicletas. Pronto se consolidó como productor, su modelo de tres ruedas se vendió con éxito a partir de 1888 dando origen a la industria del automóvil. Por otra parte, el carro de Daimler era mediocre excepto por su motor. El impulsor era técnicamente superior al de su rival Benz y en poco tiempo revolucionó la incipiente industria automotriz.

Paralelamente a los productos de Daimler y Benz, inventores e ingenieros franceses fabricaban vehículos a vapor de excelente calidad y buen rendimiento. El punto de confluencia importantísimo para la evolución y consolidación del automóvil se dio en 1889, cuando dos ingenieros franceses, Émile Levassor y René Panhard, descubrieron y conocieron el motor Daimler en la Exposición Universal de París. Solicitaron los derechos para copiar su diseño y los obtuvieron un año después.

Luego consideraron que el automóvil no tendría un gran futuro y cedieron sus derechos sobre los motores Daimler a Peugeot, que fabricó 5 autos en 1891 y 29 en 1892 convirtiéndose en el primer productor en serie del planeta, seguido posteriormente por la Benz. En el nuevo continente, Estados Unidos tuvo su primer auto a nafta en 1891 construido por John Lamberty. En 1895 Charles Duryea y su hermano Frank crearon la primera empresa fabricante de autos de Estados Unidos. Sus antecedentes eran la creación de prototipos, entre ellos el que los hizo populares en 1893. Hasta ese entonces, la superioridad de los motores Daimler era indiscutida.

La expansión de la industria automotriz en Europa y Estados Unidos

Así como en el pasado las leyes inglesas detuvieron el desarrollo de la industria automotriz, en 1901 se enmendaron al impedir que el "British Motor Syndicate" se apropiara de la exclusividad de los derechos de fabricación de los motores Daimler. Pronto Benz se convirtió en el principal productor y vendedor de autos en Europa, fabricando 2500 autos sólo en el año 1900. En la década de 1890 Henry Ford decidió entrar al negocio de los automóviles. Su primer dolor de cabeza fue la patente obtenida por Baldwin Selden en 1895, que se adueñaba de los derechos de la aplicación del motor de combustión interna a los carros. En EEUU, en 1899 Olds fabricó 400 autos en 6 meses y se convertía en el mayor fabricante de Estados Unidos.

En 1899 la Electric Vehicle Company compró esa patente y dio licencias a productores locales, mientras que Ford se negó a hacerlo y fue a proceso judicial en 1903. Para mediados de 1911, Henry Ford ganó en la corte. Para entonces, había más de 600.000 autos vendidos en EEUU, pero muchos funcionaban a vapor o a electricidad. Evitar este intento de monopolio le costó a EEUU diez años de desventaja frente a Europa, que lo hizo en 1901.

El automóvil en principios de siglo XX

Francia vivía un impulso notable en la industrian ni siquiera pudo ser superada por los ingleses que crecieron un 200% en el año 1913. Alemania estaba en tercer lugar con una producción de la mitad de la producción francesa y dos tercios de la inglesa. Estados Unidos tenía una gran población con buen ingreso, situación que ayudó al crecimiento vivaz de la industria. A su vez, sus métodos de producción masiva resultaron extraordinariamente eficientes, por lo que superar en volumen a Europa no fue difícil. En esa época los autos eran más valorados por sus innovaciones aplicadas al confort y a la elegancia, que por sus prestaciones. Eso llegaría más tarde, aún considerando que las competencias nacieron antes del siglo XX.

CICLO DIESEL

El ciclo del motor diésel lento (en contraposición al ciclo rápido, más aproximado a la realidad) ideal de cuatro tiempos es una idealización del diagrama del indicador de un motor Diesel, en el que se omiten las fases de renovación de la carga., y se asume que el fluido termodinámico que evoluciona es un gas perfecto, en general aire. Además, se acepta que todos los procesos son ideales y reversibles, y que se realizan sobre el mismo fluido. Aunque todo ello lleva a un modelo muy aproximado del comportamiento real del motor, permite al menos extraer una serie de conclusiones cualitativas con respecto a este tipo de motores. No hay que olvidar que los grandes motores marinos y de tracción ferroviaria son del ciclo de 2 tiempos.

Consta de las siguientes fases:

1. Compresión, proceso 1-2: es un proceso de compresión adiabática reversible (isentrópica), es decir sin intercambio de calor con el exterior. Viene a simbolizar el proceso de compresión de la masa fresca en el motor real, en el que en el pistón, estando en el punto muerto inferior (PMI), empieza su carrera de ascenso, comprimiendo el aire contenido en el cilindro. Ello eleva el estado termodinámico del fluido, aumentando su presión, su temperatura y disminuyendo su volumen específico, en virtud del efecto adiabático. En la idealización, el proceso viene gobernado por la ecuación de la isoentrópica , con k índice de politropicidad isoentrópico = Cp/Cv.
2. Combustión, proceso 2-3: en esta idealización, el aporte de calor Qp se simplifica por un proceso isóbaro (a presión constante). Sin embargo, la combustión Diesel es mucho más compleja: en el entorno del punto muerto superior (PMS) (en general un poco antes de alcanzarlo debido a problemas relacionados con la inercia térmica de los fluidos, es decir el retraso que hay entre la inyección y la inflamación espontánea), se inicia la inyección del combustible (en motores de automóviles, gasóleo, aunque basta con que el combustible sea lo suficientemente autoinflamable y poco volátil). El inyector pulveriza y perliza "atomiza" el combustible, que, en contacto con la atmósfera interior del cilindro, comienza a evaporarse. Como quiera que el combustible de un motor Diesel tiene que ser muy autoinflamable (gran poder detonante, indice de Cetano alto), ocurre que, mucho antes de que haya terminado la inyección de todo el combustible, las primeras gotas de combustible inyectado se autoinflaman y dan comienzo a una primera combustión caracterizada por ser muy turbulenta e imperfecta, al no haber tenido la mezcla de aire y combustible tiempo suficiente como para homogeneizarse. Esta etapa es muy rápida, y en el presente ciclo se obvia, pero no así en el llamado ciclo Diesel rápido, en el que se simboliza como una compresión isócora al final de la compresión. Posteriormente, se da, sobre la masa fresca que no ha sido quemada, una segunda combustión, llamada combustión por difusión, mucho más pausada y perfecta, que es la que aquí se simplifica por un proceso isóbaro. En esta combustión por difusión se suele quemar en torno al 80% de la masa fresca, de ahí que la etapa anterior se suela obviar. Sin embargo, también es cierto que la inmensa mayoría del trabajo de presión y de las pérdidas e irreversibilidades del ciclo se dan en la combustión inicial, por lo que omitirla sin más sólo conducirá a un modelo imperfecto del ciclo Diesel. Consecuencia de la combustión es el elevamiento súbito del estado termodinámico del fluido, en realidad debido a la energía química liberada en la combustión, y que en este modelo ha de interpretarse como un calor que el fluido termodinámico recibe, y a consecuencia del cual se expande en un proceso isóbaro reversible.
3. Expansión, proceso 3-4: se simplifica por una expansión isentrópica (adiabática) del fluido termodinámico, hasta el volumen específico que se tenía al inicio de la compresión. En la realidad, la expansión se produce a consecuencia del elevado estado termodinámico de los gases tras la combustión, que empujan al pistón desde el PMS hacia el PMI, produciendo un trabajo. Nótese como, como en todo ciclo de motor de cuatro tiempos o dos tiempos, sólo en esta carrera, en la de expansión, se produce un trabajo.
4. Última etapa, proceso 4-1: esta etapa es un proceso isocórico (escape) es decir a volumen constante. Desde la presión final de expansión hasta la presión inicial de compresión. En rigor, carece de cualquier significado físico, y simplemente se emplea ad hoc, para poder cerrar el ciclo ideal. Sin embargo, hay autores que no satisfechos con todas las idealizaciones realizadas, insisten en dar un siginificado físico a esta etapa, y la asocian a la renovación de la carga. , pues, razonan, es esto lo que se produce en las dos carreras que preceden a la compresión y siguen a la expansión: el escape de masa quemada y la admisión de masa fresca. No obstante, el escape es un proceso que requiere mucho más trabajo que el que implica este proceso (ninguno), y además ninguno de los dos procesos se da, ni por asomo, a volumen específico constante.

Es importante notar cómo, en el ciclo Diesel, no se deben confundir nunca los cuatro tiempos del motor con el ciclo termodinámico que lo idealiza, que sólo se refiere a dos de los tiempos: la carrera de compresión y la de expansión; el proceso de renovación de la carga.. cae fuera de los procesos del ciclo Diesel, y ni tan siquiera es un proceso termodinámico en el sentido estricto.

Clasificación de motores

CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES DE ACUERDO A LAS DISPOSICIONES DE LOS CILINDROS: 

Los motores se pueden clasificar de acuerdo a la disposición de los cilindros. Los cilindros de un motor pueden estar dispuestos de diferentes formas, pero de acuerdo con la relación con su número y las dimensiones del automóvil que va a expulsar. 

MOTORES EN LINEA: 

Los motores en línea son la configuración más corriente utilizada en los automóviles, ya sea ubicado de forma longitudinal o transversal y disponiendo del número de cilindros, cilindrada del motor y espacio disponible. Los cilindros van uno a continuación del otro verticalmente en un solo bloque, el montaje general de éstos motores es de 2, 3,4, 5 y 6 cilindros. Los motores en línea son un diseño usual para aplicaciones tanto estacionarias como de transporte, por que ofrece la solución más simple en la construcción y mantenimiento 

MOTORES EN V: 

Los motores en V consisten en dos bancadas o bloques de cilindros en línea, formando un ángulo de 60°, 90° o 120°, se utiliza un solo cigüeñal para ambos bloques. Este sistema ha sido usado para disminuir la longitud que ocupa el motor.
En éstos motores los cilindros se disponen en dos bloques, uno al lado del otro, formando un ángulo de 60°, 90° o 120°, y usando un solo cigüeñal común a ambos bloques. Este sistema ha sido el seguido siempre para los motores de 12 y 16 cilindros, en los que la colocación en línea daría como resultado un motor exageradamente largo, con graves inconvenientes de constitución y colocación, pues ocuparían mucho espacio a lo largo del coche, y los largos cigüeñales habrían de ser enormemente robustos para resistir bien las vibraciones torsionales.

Historia del motor Diesel

Fue inventado y patentado por Rudolf Diesel en 1892, del cual deriva su nombre. Fue diseñado inicialmente y presentado en la feria internacional de 1900 en París como el primer motor para "biocombustible", como aceite puro de palma o de coco. Diesel también reivindicó en su patente el uso de polvo de carbón como combustible, aunque no se utiliza por lo abrasivo que es. El motor diésel existe tanto en el ciclo de 4 tiempos (4T - aplicaciones de vehículos terrestres por carretera como automóviles, camiones y autobuses) como de 2 tiempos (2T - grandes motores de tracción ferroviaria, de propulsión naval, y algunos camiones y autobuses en EE.UU.).

El motor Diesel es un motor térmico de combustión interna alternativo en el cual el encendido del combustible se logra por la temperatura elevada que produce la compresión del aire en el interior del cilindro, según el principio del ciclo del diésel