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MQUINAS TRMICAS ALTERNATIVAS

1. CLASES DE MOTORES Y SU OPERACIN1.1 Introduccin y perspectiva histrica1.2 Clasificacin de los motores1.3 Ciclo de operacin en motores1.4 Componentes del motor1.5 Operacin del motor de ECH1.6 Ejemplos de motores de encendido por ignicin1.7 Operacin del motor de EC2. PARMETROS DE OPERACIN EN MCI2.1 Caractersticas importantes en el motor2.2 Relaciones geomtricas en motores2.3 Torque y potencia al freno2.4 Trabajo indicado por ciclo2.5 Eficiencia mecnica2.6 Potencia de rodamiento2.7 Presin media efectiva2.8 Consumo especfico de combustible y eficiencia2.9 Relaciones aire-combustible y combustible-aire2.10 Eficiencia volumtrica2.11 Peso especfico y volumen especfico del motor2.12 Factores de correccin para potencia y eficiencia volumtrica2.13 Emisiones especficas e ndice de emisiones2.14 Relaciones entre parmetros de rendimiento3. DINMICA DEL MECANISO BIELA-MANIVELA3.1 Cinemtica del mecanismo biela-manivela3.2 Fuerzas que actan en el mecanismo biela-manivela3.3 Equilibrado de los motores3.4 Uniformidad de la marcha del motor4. TERMOQUMICA DE LAS MEZCLAS AIRE-COMBUSTIBLE4.1 Caractersticas de llama4.2 Modelo de gas ideal4.3 Composicin del aire y de los combustibles4.4 Estequiometra de la combustin4.5 La primera ley de la termodinmica y la combustin4.6 La segunda ley de la termodinmica aplicada a la combustin4.7 Mezclas de gases que reaccionan qumicamente5. CICLOS TERMODINMICOS IDEALES DE LOS MCIA5.1 Generalidades5.2 Ciclos de los motores de mbolo

5.3 Influencia de los diversos factores sobre el rendimiento trmico y sobre la presin media del ciclo5.4 Ciclos termodinmicos de los motores sobrealimentados6. CICLOS REALES DE LOS MCIA6.1 Generalidades6.2 Ciclo de cuatro tiempos6.3 Ciclo de dos tiempos6.4 Proceso del ciclo real7. INTERCAMBIO DE GASES7.1 Proceso de admisin generalidades7.2 Parmetros del proceso de admisin7.3 Coeficiente de llenado7.4 Diversos factores que influyen sobre el coeficiente de llenado7.5 Proceso de escape generalidades7.6 Sobrealimentacin de motores7.7 Sistemas de sobrealimentacin7.8 Sobrealimentacin por turbocompresor7.9 Curvascaractersticasdelosmotoressobrealimentadospara automviles8. FORMACIN DE LA MEZCLA EN MECH (CARBURACIN)8.1 Las necesidades del motor8.2 Sistema de carburacin del combustible8.3 El tubo venturi8.4 Flujo de combustible8.5 El carburador simple8.6 Elementos del carburador8.7 Tipos de carburador8.8 La distribucin del combustible8.9 El mltiple8.10 Sistemas de inyeccin8.11 Sistemas electrnicos de inyeccin8.12 Particularidades de los sistemas de carburacin de los motores de aviacin9. PROCESO DE COMPRESIN Y COMBUSTIN EN MCIA DE ECH9.1 Proceso de compresin generalidades9.2 Determinacin de los parmetros al final de la compresin9.3 Influencia de diferentes factores sobre el proceso de compresin9.4 Movimiento de la mezcla en el proceso de compresin9.5 Caractersticas de la combustin en los MECH9.6 Factores que afectan el proceso de combustin en los MECH9.7 Principales alteraciones de la combustin normal en los MECH 10.FORMACIN DE LA MEZCLA EN EL MOTOR DIESEL

10.1 Generalidades10.2 Requisitos que debe cumplir el equipo de inyeccin y clasificacin de los sistemas de alimentacin de los motores Diesel10.3 Proceso de inyeccin de combustible y parmetros que lo caracterizan10.4 Factores que influyen en el proceso de inyeccin de combustible10.5 Clculo del proceso de inyeccin y eleccin de los elementos del equipo de inyeccin para un motor Diesel10.6 Sistemas de inyeccin de alta presin (Common Rail) 11.PROCESO DE COMPRESIN Y COMBUSTIN EN MCIA DE EC11.1 Proceso de compresin generalidades11.2 Determinacin de los parmetros al final de la compresin11.3 Influencia de diferentes factores sobre el proceso de compresin11.4 Movimiento de la mezcla en el proceso de compresin11.5 Combustin en los motores Diesel11.6 Influencia de algunos factores sobre el proceso de combustin en el motor Diesel12. FACTORESQUEINFLUYENSOBRELOSPARMETROSINDICADOSYEFECTIVOSDELMOTORYSOBRELA TOXICIDAD.12.1 Generalidades12.2 Influencia de diferentes factores en los parmetros indicados y en la toxicidad del MECH12.3 Influencia de distintos factores sobre los parmetros indicados y txicosdel motor Diesel12.4 Factores que influyen sobre los parmetros efectivos del motor 13.COMPRESORE ALTERNATIVOS.13.1 Introduccin13.2 Clasificacin de los compresores alternativos13.3 Funcionamiento13.4 Compresibilidad13.5 Mezcla de gases13.6 Ciclos de compresin13.7 Requisito de potencia13.8 Etapas mltiples13.9 Claves para la seleccin de compresores13.10 Seleccin de compresores reciprocantes13.11 Control de compresores reciprocantes

Captulo 1CLASES DE MOTORESY SU OPERACION

CLASES DE MOTORES Y SU OPERACIONPgina 10 de 10

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1.1 INTRODUCCION Y PERSPECTIVA HISTORICA

El objetivo de los motores de combustin interna es la produccin de energa mecnica partir de la energa qumica contenida en el combustible. En los motores de combusti interna a diferencia de los motores de combustin externa, dicha energa se libera mediant la combustin del combustible dentro del motor. La mezcla de aire y combustible que s introduce al cilindro antes de la combustin y los residuos de la combustin quemados so los fluidos de trabajo reales. La combustin efectiva se produce en la interaccin direct entre estos fluidos de trabajo y los componentes mecnicos del motor. Los motores d combustin interna se pueden clasificar en:

MOTORES DE ENCENDIDO POR CHISPA, llamados tambin motores Otto o a gasolin (aunque se usen otros combustibles).

Fig. 1.1 Motor a Gasolina Dodge Magnum, 5.7 lt, V-8. (Daimler Chrysler)

MOTORES DE ENCENDIDO POR COMPRESION o motores Diesel.

Fig. 1.2 Motor Diesel Jeep Grand Cherokee 2003, 3.7 lt. Direct injection. (Daimler Chrysler)

Las turbinas a gas son tambin por definicin motores de combustin interna. Sin embarg convencionalmente el trmino se usa slo para los motores que se encienden por chisp (ECH) y por compresin (EC).

Debido a su simplicidad, tamao compacto y alta relacin Potencia/peso, estos dos tipos d motores han encontrado amplia aplicacin en el transporte (Tierra, Mar y Aire) y l generacin de potencia (Plantas estacionarias y motores industriales).Los motores trmicos han servido al hombre por ms de dos siglos y medio. En lo primeros 150 aos se usaron los motores de vapor. No fu sino hasta 1860 que el motor dcombustin interna lleg a ser realmente prctico. Los primeros motores desarrollados par uso comercial quemaban mezclas de carbn a presin atmosfrica (no haba compresiantes de la combustin). J.J. Lenior (1822-1900) desarroll el primer motor de este tipo co fines comerciales.

El gas y el aire eran llevados dentro del cilindro durante la primera mitad de la carrera de pistn, la carga era luego encendida por una chispa lo cual incrementaba la presin y lo gases quemados entregaban energa al pistn durante la segunda mitad de la carrera. E ciclo se completaba con una carrera de escape. Cerca de 5.000 de estos motores s construyeron en 1860 y 1865 en tamaos hasta de de 6 h.p. la eficiencia era alrededor de 5%. Un desarrollo ms exitoso fue un motor atmosfrico introducido en 1867 por Nikolas A Otto (1832-1891) y Eugen Langen (1833-1895), el cual usaba el incremento de presi producido por la combustin de la mezcla de aire y combustible para acelerar u mecanismo de pistn y cremallera tal que su momento generara un vaco en el cilindro.

Fig. 1.3 Nikolas August Otto (1832-1891)

La presin atmosfrica empujaba a continuacin el pistn en sentido contrario con un cremallera engranada a travs de un trinquete al eje de salida. Estos motores de los cuale se construyeron cerca de 5.000 tenan una eficiencia trmica cercana al 11%. Una vlvul deslizante controlaba la admisin, la ignicin que se produca mediante una llama a gas y e escape.

Para superar este motor de baja eficiencia y peso excesivo, Otto propuso un ciclo motri con cuatro carreras del pistn, una carrera de admisin, una carrera de compresin, ante de la ignicin, una carrera de expansin o de potencia, donde el trabajo era entregado a cigeal y finalmente una carrera de escape. El propuso, tambin la incorporacin de u sistema de induccin de carga estratificada, aunque este no fu llevado a la prctica.

El primer prototipo de este motor de cuatro carreras funcion en 1876. Una comparaci entre el motor Otto de cuatro tiempos y su predecesor, el motor atmosfrico de Langen, s muestra en la tabla 1.1 y explica el xito del primero: la enorme reduccin de peso volumen. Debido a esto fu posible la verdadera produccin industrial del motor d combustin interna. En 1890, casi 50.000 de estos motores haban sido vendidos.

Tabla 1.1 Comparacin entre los motores Otto cuatro tiempos y Otto-Langen.

En 1884, una patente francesa no publicada en 1862 adjudicaba a Alphonse Beau d Rochas (1815-1893) el principio del ciclo de cuatro tiempos. Este descubrimiento puso e tela de juicio la validez de la patente de Otto, y en Alemania fu invalidada. Beau d Rochas tambin propuso condiciones bajo las cuales se obtena la mxima eficiencia en u motor de combustin interna, ellas fueron:

1. El mayor volumen del cilindro posible con el mnimo de superficies.2. La mayor velocidad de trabajo posible.3. La mayor relacin de expansin posible.4. La mayor presin posible al comienzo de la expansin.

Las primeras dos condiciones minimizan las prdidas de carga por calor.

La tercera condicin reconoce que entre ms grande sea la expansin de los gase despus de la combustin mayor ser el trabajo logrado.

La cuarta condicin demuestra que entre ms alta se tenga la presin inicial se lograr un mayor expansin posible y se producirn presiones ms altas en todos los procesos como consecuencia una mayor transferencia de potencia. Aunque Beau de Rochas hiz estos escritos antes que Otto, l nunca llev estas ideas a la prctica. Por esta razn e inventor del motor de combustin interna moderno se le atribuye a N. Otto.

En los aos 1880 varios ingenieros ( por ejemplo: Dugald Clero (1854-1913) y Jame Robson (1844-1929) ) en Alemania alcanzaron gran xito al desarrollar el motor de do tiempos en el cual los procesos de escape y de admisin ocurren durante el final de l carrera de potencia y el comienzo de la carrera de compresin.

James Atkinson (1846-1914) en Inglaterra construy un motor con una carrera d expansin ms larga que la compresin, ste tena una alta eficiencia pero mecnicament era muy dbil. Esto comprob que la eficiencia era una funcin directa de la rata d expansin.

Sin embargo la relacin de compresin utilizada fu limitada a un nmero menor de cuatr debido a problemas de detonacin del combustible. Fueron requeridos desarrollo posteriores en los sistemas de carburacin e ignicin, antes de que los motores a gasolin de alta velocidad para automviles llegaran a ser disponibles a finales del siglo XIX. E progreso en los motores estacionarios tambin tuvo gran desarrollo. A finales de 1890 s desarroll un motor monocilndrico a gas con dimetro del pistn de 1300 mm el cua produca 600 BHP a 90 RPM.

En gran Bretaa, a causa de las restricciones legales sobre combustibles voltiles, s propicio la construccin de motores que utilizaban Keroseno. Motores de aceite de relaci de compresin baja con vaporizadores de combustible externo e ignicin elctrica s desarrollaron con eficiencias comparables a las de los motores a gas (14% a 18%). E motor Hornsby-Ackroyd lleg a ser el motor de aceite ms popular en Gran Bretaa, el cua tambin se construy en gran nmero en los Estados Unidos.

En 1892 el ingeniero Alemn Rudolf Diesel (1858-1913) bosquej en su patente una form nueva de motor de combustin mediante la ignicin de un combustible lquido dentro d aire calentado nicamente por la compresin; ste permita duplicar la eficiencia sobr otros motores de combustin interna. Fueron posibles relaciones de compresin much mayores, sin detonacin, sin embargo, tom 5 aos en desarrollar un motor prctico co esfuerzos de Diesel y recursos de M.A.N. en Ausburg.

Fig. 1.4 Rudolf Diesel (1858-1913).

Los desarrollos en los motores as como su mercado constantemente creciente h continuado desde entonces. Un desarrollo ms reciente ha sido el motor de combusti interna rotativo.

Aunque una amplia variedad de motores rotativos experimentales han sido propuestos travs de los aos, el primer motor de combustin interna prctico, el motor Wankel, no fu probado exitosamente sino hasta 1957. Este motor evolucion a travs de muchos aos d investigacin y desarrollo, se bas en los diseos del inventor Alemn Flix Wankel.

Diego2006-02-16 02:26:38--------------------------------------------MCI = Motores de Combustion InternaDiego2006-02-16 02:26:17--------------------------------------------Unmarked set by Diego

Fig. 1.5 Flix Wankel (1902-1988).

Los combustibles tambin han tenido un gran impacto en el desarrollo del M.C.I. Lo motores ms antiguos quemaban gas, gasolina y fracciones livianas de petrleo, esto fueron construidos a finales del siglo XIX y se desarrollaron varios tipos de carburadore para vaporizar el combustible y mezclarlo con aire. Antes de 1905 haban pocos problema con la gasolina, aunque la relacin de compresin era baja (4 o menos) para evitar l detonacin, la alta volatilidad del combustible facilitaba el arranque y permita un bue funcionamiento en ambientes fros. Debido a la gran escasez de crudo y para satisfacer e incremento en la demanda de gasolina (quintuplicada) entre 1907 y 1915, la produccin d crudo debi aumentarse. Mediante el trabajo de William Barton (1865-1954) y su asociados de la Standard Oil of Indiana, se desarroll un proceso de cracking trmico en e cual los aceites ms pesados eran calentados a presin y descompuestos en combustible ms voltiles y menos complejos. Esas gasolinas producidas a travs de este mtodo satisficieron la demanda, pero debido a su mayor punto de ebullicin crearon problemas d arranque en ambientes fros. Afortunadamente los sistemas de arranque de accionamient elctrico se introdujeron en 1912, justo en el momento que se necesitaban. En zona rurales, el Keroseno fue el combustible usado para motores de combustin interna, ya qu ste se usaba para calentamiento e iluminacin.

En el periodo posterior a la I guerra mundial se tuvo un avance significativo en e conocimiento de cmo los combustibles afectan la combustin y particularmente l detonacin. El efecto antidetonante del tetraetilo de plomo fue descubierto por la Genera Motors y estuvo disponible como aditivo para la gasolina en los Estados Unidos en 1923. finales de los aos 30s, Eugne Houdry encontr que al hacer pasar petrleo vaporizad sobre un catalizador activado a temperaturas entre 450 y 480 C, ste era convertido e gasolinas de mayor calidad que las obtenidas por el mtodo de Cracking.

Estos desarrollos y otros permitieron que se produjeran combustibles con mejore propiedades antidetonantes en grandes cantidades, as la relacin de compresin de lo motores se increment constantemente mejorando la potencia y la eficiencia.

Durante las ltimas dcadas, han aparecido factores importantes que afecta significativamente el diseo y la operacin de los motores de combustin interna. Esto factores son:

La necesidad de controlar la contaminacin del aire. La necesidad del consumo de combustible.

El problema de la contaminacin del aire producida por los automviles empez a notars en las dcadas de los 40s, en la ciudad de los Angeles. En 1952 el profesor A.J. Haage Smith demostr que el problema del smog resultaba de las reacciones entre xidos d nitrgeno e hidrocarburos en presencia de la luz solar.

Oportunamente se lleg a establecer que el automvil era el mayor contribuyente d emisiones de hidrocarburos y xidos de nitrgeno, as como el primer causante de los alto niveles de monxidos de carbono en reas urbanas. Los motores Diesel son fuente significativas de holln o partculas de humo, as como de hidrocarburos y xidos d nitrgeno.

Las principales emisiones contaminantes producidas por el motor de un automvil son:

Monxido de carbono (CO): es un gas venenoso inodoro e incoloro.

Hidrocarburos o compuestos orgnicos voltiles (VOCs): son producidos principalmente por la evaporacin de los residuos no quemados en la combustin.

Oxidos de nitrgeno (NO, NO2, llamados tambin NOx): contribuyen a crear el smog, la lluvia cida y tambin irritan las membranas mucosas de los humanos.

Como resultado de estos estudios, las normas sobre emisiones para automviles en lo Estados Unidos fueron introducidas primero en California y luego en el resto del pas, a comienzo de los aos 60s. La tabla 1.2 muestra los lmites mximos permitidos para la emisiones en Estados Unidos a partir de 1968, ao en el cual se impusieron por primer vez controles a este respecto.

Tabla 1.2 Lmite de emisiones en los Estados Unidos.

En Europa y Japn, se siguieron impartiendo las normas sobre emisiones as como par motores en otras aplicaciones. (Ver tablas 1.3 y 1.4).

Tabla 1.3 Lmite de emisiones en la Unin europea.

Tabla 1.4 Lmite de emisiones en Japn.

Se ha logrado una gran disminucin en las emisiones contaminantes de motores Diesel de ECH. Para el control de emisiones la mayora de los automviles modernos se equipa con convertidores catalticos de tres vas (Ver Fig. 1.6 y 1.7 a,b,c). "De tres vas" se refier a las tres emisiones reguladas que ayuda a reducir (Monxido de carbono, molculas d VOCs y de Nox). El convertidor utiliza dos diversos tipos de catalizadores: un catalizador d reduccin y un catalizador de oxidacin. Ambos tipos consisten en una estructura d cermica cubierta con un catalizador de metal, generalmente platino, radio y/o paladio. L idea es crear una estructura que exponga un rea superficial mxima del catalizador a l corriente del extractor a la vez que se logra la reduccin al mnimo de la cantidad d catalizador requerido ya que ste resulta muy costoso.

Fig. 1.6 Ubicacin del convertidor cataltico en un automvil.

Fig. 1.7 a,b,c Convertidor cataltico de tres vas. Note los dos catalizadores separados.

La preocupacin por los efectos txicos del plomo en los aditivos antidetonantes h conllevado a la reaparicin de la gasolina sin plomo (unleaded). Tambin el mxim contenido de plomo en la gasolina con plomo (leaded) ha sido sustancialmente reducido Los requerimientos de los controles de emisiones contaminantes, as como el desarrollo d combustibles han producido cambios importantes en la forma como se disean y operan lo motores de combustin interna.

Los motores de combustin interna son tambin una fuente importante de ruido. Hay varia fuentes de ruido en el motor, el sistema de escape, el sistema de admisin, el ventilado utilizado en el sistema de enfriamiento y otros.

El ruido puede ser generado por efectos aerodinmicos, por fuerzas que resultan de lo procesosdecombustinoporexcitacinmecnicadecomponentesrotativos reciprocantes. La legislacin sobre niveles de ruido en vehculos para la conservacin de medio ambiente se introdujo a comienzos de los 70s.

Durante los aos 70s, el precio del petrleo se elev rpidamente a varias veces, est preocup demasiado la disponibilidad del petrleo a largo plazo. Se produjeron presione

para el mejoramiento de la eficiencia de los motores de combustin interna.

No obstante las exigencias del control de emisiones han dificultado el mejoramiento en l disminucin del consumo de combustibles, la no utilizacin y la reduccin de plano en l gasolina han llevado a bajar las relaciones de compresin en los motores de encendido po chispa. Demasiado trabajo se est llevando a cabo sobre el uso de combustible alternativos a la gasolina y el Diesel, se est prestando especial atencin a lo combustibles no derivados del petrleo, gas natural, metanos y etanos, mientras que l gasolina sinttica y el Diesel hecho de esquisto o Carbn y el hidrgeno pueden se posibilidades en el futuro.

Podra pensarse que despus de ms de un siglo de desarrollo el motor de combusti interna ha alcanzado su mximo grado de optimizacin y rendimiento, pero no es as. Lo motores continan mostrando mejoras importantes en la eficiencia, la potencia y la calida de control de las emisiones nocivas. Los nuevos materiales ofrecen la posibilidad de reduci el peso, costo y las prdidas de calor, as como la fabricacin de sistemas diferentes y m eficientes en los motores.

Otros tipos de motores tales como el motor de carga estratificada (el cual combin caractersticas normalmente asociadas con el encendido por chispa y compresin) con s amplia adaptabilidad a diferentes combustibles puede llegar a ser suficientemente atractiv para alcanzar su produccin en gran escala, con la experiencia y conocimiento adquirido se siguen perfeccionando los motores para hacerlos cada vez mas eficientes y meno peligrosos sobre el hombre y el medio ambiente.

Captulo 1CLASES DE MOTORESY SU OPERACION

1.2 CLASIFICACION DE LOS MOTORES

Hay diferentes tipos de motores de combustin interna que pueden ser clasificados de acuerdo a los siguientes criterios:

1. Segn la aplicacin, en motores de automvil, camiones, locomotoras, aviones, marinos, sistemas de generacin de potencia porttiles y generacin de energa elctrica.

2. Segn el diseo bsico del motor, en motores reciprocantes y rotativos.

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Fig. 1.8 Motor reciprocante refrigerado por aire.Fig. 1.9 Motor ratativo Wankel.

3. Segn el ciclo de trabajo, en ciclo de cuatro tiempos, de aspiracin natural, sobrealimentado y turbocargado; en ciclo de dos tiempos, con barrido por el crter, sobrealimentado, supercargado y turbocargado.

4. Segn diseo y localizacin de las vlvulas o las lumbreras, vlvulas sobre la culata, vlvulas en el bloque, vlvulas rotativas, lumbreras de barrido cruzado (lumbreras de admisin y escape ubicadas en lados opuestos del cilindro en uno de sus extremos), lumbreras de barrido en bucle (lumbreras de admisin ubicadas en un mismo lado del cilindro y en uno de sus extremos), barrido uniflujo (vlvulas o lumbreras de admisin y escape ubicadas en diferentes extremos del cilindro).

Fig. 1.10 Vlvula de admisin sobre el bloque.

Fig. 1.11 Vlvulas sobre la culata.

5. Segn el combustible utilizado, en motores de gasolina, Diesel, gas natural, GLP (Gas de Petrleo Licuado), alcohol (metanol, etanol), hidrgeno y otros.

6. Segn el mtodo de preparacin de la mezcla, en motores de carburador, de inyeccin de combustible en las lumbreras de admisin o en el mltiple de admisin, de inyeccin de combustible dentro de los cilindros.

Fig. 1.12 Vista transversal de un carburador.

Fig 1.13 Inyeccin de combustible dentro del cilindro.

7. Segn el mtodo de ignicin, en MCI de encendido por chispa, de ignicin por compresin (en Diesel convencionales as como la ignicin en motores a gas mediante la inyeccin piloto de aceite combustible).

8. Segn el diseo de la cmara de combustin, cmara abierta (en forma de cua, hemisfrica, de pistn cncavo, etc), cmara dividida (pequeas y grandes cmaras auxiliares por ejemplo, cmaras de turbulencia, precmaras de combustin).

Fig. 1.14 Cmara abierta (Pistn cncavo).

9. Segn el mtodo de control de carga, en MCI de estrangulamiento de mezcla de aire y combustible sin que sta vare, control o estrangulamiento del flujo de combustible nicamente, en sistemas de estrangulamiento mixtos.

10. Segn el mtodo de enfriamiento, enfriado por agua, enfriado por aire, sin enfriamiento (solamente por conveccin natural y radiacin).

Fig 1.15 Partes de un sistema de enfriamiento por agua.

Animacin 1.1 : Partes de un sistema de enfriamiento por agua. Por favor haga click en el botn "Start".

Tabla 1.5 Clasificacin de los motores reciprocantes segn tipo de servicio.

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1.3 CICLO DE OPERACIN EN MOTORES

La mayora de los motores de combustin interna son mquinas reciprocantes en las cuales un mbolo, tiene un movimiento dentro de un cilindro transmitiendo la energa mediante un sistema biela-manivela al eje de salida. La rotacin de la manivela es producida por un movimiento cclico en el pistn tal como se muestra en la figura 1.16. El pistn llega al punto superior (TC) y al punto inferior (BC) cuando la manivela se encuentra en el punto mnimo y mximo respectivamente de la carrera. El volumen barrido por el pistn o la diferencia entre el volumen mximo o total (Vt) y el volumen muerto (Vc), recibe el nombre de desplazamiento, volumen desplazado o barrido (Vd). La relacin entre el volumen mximo y el volumen mnimo es la relacin de compresin (rc), valores tpicos para la relacin de compresin estn entre 8 y 12 para motores de encendido por chispa, y entre 12 y 24 para motores de encendido por compresin.

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Fig. 1.16 Geometra bsica de un motor reciprocante de combustin interna.

La mayora de los motores reciprocantes operan en lo que se conoce como el ciclo de cuatro tiempos, cada cilindro requiere cuatro carreras de su pistn, dos revoluciones del cigeal para completar la secuencia de eventos que producen una carrera de potencia. Tanto motores de encendido por chispa como de encendido por compresin usan este ciclo el cual consta de:

Fig 1.17 Ciclo de operacin de un motor cuatro tiempos.

1. Una carrera de admisin (Fig.1.17-a), la cual comienza con el pistn en el punto muerto superior (TC), el cual absorbe la mezcla fresca dentro del cilindro. Para incrementar la masa inducida la vlvula de admisin abre un poco antes de que la carrera empiece y cierra despus de que ste termine.

2. Una carrera de compresin, cuando ambas vlvulas se cierran y la mezcla dentro del cilindro se comprime a una pequea fraccin de su volumen inicial, (Fig.1.17-b,c), hacia el final de la carrera de compresin la combustin se inicia y la presin dentro del cilindro se eleva rpidamente.

3. Una carrera de potencia, o carrera de expansin, la cual empieza con el pistn en TC ( Punto muerto superior) y termina en BC, (Fig.1.17-d), a causa de los gases a alta presin y temperatura quienes empujan el pistn hacia abajo y fuerzan la manivela a rotar, el trabajo obtenido durante la carrera de potencia es cerca de 5 veces mayor que el realizado por el pistn durante la carrera de compresin. Cuando el pistn se acerca al punto muerto inferior (BC), la vlvula de escape se abre e inicia el proceso de escape, (Fig.1.17-e).

4. Una carrera de escape, (Fig.1.17-f) donde los gases producidos durante la combustin salen del cilindro, primero porque la presin en el cilindro es sustancialmente mayor que la

presin en el escape, y porque son barridos por el pistn cuando ste se mueve hacia el TC. Cuando el pistn se acerca a TC, la vlvula de admisin abre y es slo hasta despus de pasar por TC que la vlvula de escape cierra e inicia el ciclo otra vez. Para obtener una mayor salida de potencia a partir de un tamao dado de motor, as como un diseo ms sencillo de vlvulas, se desarroll el ciclo de dos tiempos, el cual es aplicable tanto en motores de encendido por chispa como en motores de encendido por compresin.

En la figura 1.18 se muestra uno de los diseos ms sencillos de motor de 2 tiempos. Las lumbreras en la pared del cilindro, abren y cierran por el movimiento del pistn controlando el flujo de admisin y escape mientras el pistn se acerca al BC. Las dos carreras son:

1. Una carrera de potencia o expansin, similar a la que ocurre en el ciclo de cuatro tiempos hasta que el pistn se acerca al BC, cuando se abren las lumbreras de escape y luego las de admisin, (Figura 1.18 a-b-c). La mayora de los gases quemados salen del cilindro por un proceso de soplado, debido a la mayor presin a la que se encuentran los gases respecto a la presin en el escape. Cuando el puerto de entrada se abre, mezcla fresca que ha sido previamente comprimida en el crter fluye hacia el cilindro, y dado el diseo del pistn y las lumbreras, estos desvan el chorro entrante para barrer en forma efectiva los gases residuales.

Fig 1.18 Ciclo de operacin de un motor de dos tiempos.

2. Una carrera de compresin, (Figura 1.18 d-e), la cual empieza con el cierre de las lumbreras de admisin y escape comprimiendo el contenido del cilindro y succionando carga fresca al crter. Cuando el pistn se acerca al TC, se inicia la combustin.

Cada uno de estos ciclos se desarrollaron para una vuelta o revolucin del cigeal, sin embargo es difcil llenar el volumen desplazado con mezcla fresca pues una parte de ella fluye directamente a la atmsfera durante el proceso de barrido.

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1.4 COMPONENTES DEL MOTOR

Las figuras 1.19 y 1.20 muestran la configuracin de un motor de cuatro y dos tiempos, respectivamente. El motor de encendido por chispa en un automvil generalmente es un motor de cuatro tiempos en lnea. El Diesel, es un gran motor de ocho cilindros en V, con un proceso de barrido a lo largo del eje del cilindro.

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Fig 1.19 Motor a Gasolina Cuatro Tiempos

Fig 1.20 Partes de un motor GM 16-278A de dos tiempos V-8. Electro Motive Division, General Motors Corporation.La funcin y materiales de algunos de sus principales componentes son los siguientes. Los cilindros del motor, estn contenidos dentro del bloque del motor como se muestra enla figura 1.21. El bloque tradicionalmente ha sido fabricado de hierro fundido debido a subuena resistencia al desgaste y bajo costo, los ductos para el agua de enfriamiento son fundidos dentro del bloque. En motores de trabajo pesado y de camin a menudo se usan camisas de cilindro removibles las cuales pueden ser reemplazables fcilmente, cuando se desgastan, stas son llamadas camisas secas o hmedas dependiendo de si estn en contacto directo con el agua de enfriamiento (Ver figura 1.22).

El aluminio se est usando cada vez ms en los motores pequeos de encendido por chispa, para reducir peso, se le pueden insertar camisas de hierro durante el proceso de fundicin o ms tarde durante el maquinado.

Fig. 1.21 Bloque del motor.Fig. 1.22 Camisa del cilindro.

El cigeal tradicionalmente ha sido hecho de acero forjado, aunque tambin se construye de hierro fundido nodular.

Fig. 1.23 Cigueal.

Fig. 1.24 Conjunto Crter-cigeal.

El cigeal esta soportado por cojinetes de bancada cuyo nmero mximo es uno ms que el nmero de cilindros, pero puede ser menor como se muestra en la figura 1.27. Tanto los cojinetes de biela como los de bancada utilizan cojinetes de acero con insertos de bronce, babbit o aluminio, como material de friccin.

El crter del cigeal se encuentra sellado, los pistones son hechos de Aluminio en motores pequeos o hierro fundido en motores grandes de baja velocidad.

Fig. 1.25 Vista general Cigeal-Pistones.

El pistn sirve para sellar el cilindro as como para transmitir la presin del gas generado por la combustin al cigeal a travs de la biela.

(a)

( b )

Fig. 1.26 Biela. (a) Acero Forjado, (b) Aluminio

La biela usualmente es hecha de acero forjado o aleado (aunque algunas veces es de aluminio en motores pequeos), est unida al pistn por medio de un buln de acero, el cual generalmente es hueco para reducir su peso.

( a )

( b )( c )

Fig. 1.27 Partes del Cigeal.

El movimiento oscilante de la biela, ejerce una fuerza oscilante sobre las paredes del cilindro, la cual se reduce con la falda del pistn. El pistn (Ver figuras 1.28 y 1.29) est provisto de anillos los cuales se montan en ranuras hechas en la cabeza del pistn, estos tienen como funcin sellar, evitando las fugas de gas, as como tambin controlan el flujo de aceite.

Fig. 1.28 Partes del Conjunto Biela Pistn.

El anillo superior es el anillo de compresin, el cual hace fuerza hacia afuera y contra la pared del cilindro y hacia abajo contra la cara de la ranura del pistn. El anillo inferior recoge el exceso de aceite de las paredes del cilindro y lo regresa al crter. El crter debe ser ventilado para mover los gases que se fugan a travs de los anillos del pistn para

evitar que la presin en ste se eleve.

( a )

( b )

Fig. 1.29 Pistones (a) Despiece, (b) Diferentes configuraciones

La culata (Fig. 1.30), tapa los cilindros y est hecha de hierro fundido o aluminio. Esta debe ser fuerte y rgida para distribuir las fuerzas que los gases ejercen sobre ella, a travs del bloque del motor, lo ms uniformemente posible. La culata contiene la buja en los motores de encendido por chispa o el inyector de combustible en los motores de encendido por compresin, y parte del mecanismo de vlvulas en los motores con vlvulas en la culata.

Fig. 1.30 Culata

Las vlvulas mostradas en la figura 1.31, son vlvulas de movimiento axial, son normalmente usadas en motores de cuatro tiempos. Son hechas de acero forjado o aleado.El enfriamiento de la vlvula de escape la cual opera cerca de 1000 C, puede ser mejorado mediante el uso de vlvulas de vstago hueco, parcialmente llenas de sodio, el

cual a travs de su evaporacin y condensacin lleva el calor de la cabeza de la vlvula caliente al vstago, el cual se encuentra ms fro.

Fig. 1.31 Vlvulas

Los motores de encendido por chispa ms modernos tienen las vlvulas en la culata (OHV, o I-HEAD). Esta geometra, conlleva a una cmara de combustin compacta con prdidas de calor y tiempos de viaje de llama mnimos, as como una mejor capacidad de aspiracin. Dicha geometra, tal como la I-HEAD, donde las vlvulas estn a un lado del cilindro, (Ver Fig. 1.32-b), hoy da son usadas slo en motores pequeos.

Fig. 1.32 Geometra de las Vlvulas.( a.OHV, b. I-HEAD )

El vstago de la vlvula, se mueve dentro de una gua de vlvula, la cual puede ser parte integral de la culata (o bloque en los motores I-HEAD) o puede ser una unidad separada insertada en la culata o bloque. Los asientos de las vlvulas pueden ser maquinados dentro del metal de la culata o del bloque (si son de hierro fundido), o se pueden utilizar incrustaciones de acero endurecido.

Fig. 1.33 Configuracin de las Vlvulas.

Un resorte en la vlvula, agarrado al vstago de sta gira la vlvula cerrndola. Un rotador de vlvula gira la misma unos pocos grados al abrir para mantener el asiento de sta limpio y evitar puntos calientes as como, prevenir la formacin de depsitos en la gua de la vlvula.Un eje de levas, como el mostrado en la fig. 1.34, est hecho de acero forjado o hierro fundido, con una leva por vlvula, se usa para abrir y cerrar las vlvulas. Las superficiesde las levas son endurecidas para obtener una duracin adecuada.

Fig. 1.34 Arbol de levas.

Arbol de levas

Fig. 1.35 Transmisin Directa del Arbol de levas al vstago de la vlvula.

Transmisin a travs de seguidor pivotado sobre la vlvula

En motores de cuatro tiempos, el eje de levas girar a la mitad de la velocidad del cigeal, los seguidores o elevadores mecnicos o hidrulicos se deslizan dentro del bloque y sobre la leva, dependiendo de la localizacin tanto de las vlvulas como del eje de levas, se necesitan accesorios adicionales para transmitir el movimiento del impulsador al vstago de la vlvula; por ejemplo, en un motor con vlvula en la culata y eje de levas a un costado, necesita una varilla de empuje y un balancn como se muestra en la fig. 1.36. La tendencia actual en motores automotrices es la de montar el eje de levas sobre la culata con las levas actuando ya sea directamente o a travs de un seguidor pivotado sobre la vlvula. Los ejes de levas son accionados desde el cigeal mediante piones, cadenas o correas dentadas.

Fig. 1.36 Transmisin por Balancn del Arbol de levas al vstago de la vlvula.

Transmisin por varilla de empuje y Balancn

Un mltiple de admisin de Aluminio o hierro fundido y un mltiple de escape, generalmente de hierro fundido completan el conjunto del motor. Otros componentes especficos en los motores de encendido por chispa son el carburador, el sistema de ignicin y el sistema de inyeccin de combustible en los motores de encendido por compresin que sern descritos ms adelante.

Captulo 1CLASES DE MOTORESY SU OPERACION

1.5 OPERACIN DEL MOTOR DE ENCENDIDO POR CHISPA.

En los motores de encendido por chispa, el aire y el combustible se mezclan en el sistema de admisin antes de entrar al cilindro, usando un carburador (Figuras 1.37 y 1.38) o un sistema de inyeccin de combustible.

CLASES DE MOTORES Y SU OPERACIONPgina 1 de 8

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Fig. 1.37 Componentes de un carburador.

Fig. 1.38 Vistas generales de un carburador.

En aplicaciones automotrices, la temperatura del aire que entra al sistema de admisin, se controla mediante la circulacin del aire atmosfrico cerca del mltiple de escape. La relacin entre flujo msico de aire y flujo msico de combustible debe ser mantenida aproximadamente constante cerca de 15, para asegurar una combustin confiable para el flujo de aire existente hacia el motor, esto de la siguiente manera: el aire fluye a travs del vnturi (una tobera convergente-divergente), originando un diferencial de presin entre la entrada de este y la garganta, el cual se utiliza para clasificar una cantidad apropiada del combustible de la cmara del flotador a travs de una serie de orificios dentro del flujo de aire en la garganta del venturi; Esto se conoce como efecto vnturi y se esquematiza en la figura 1.39. Un poco ms abajo del venturi se ubica una vlvula estranguladora la cual controla el flujo de mezcla y as la salida de potencia del motor. El flujo de entrada se estrangula por debajo de la presin atmosfrica, mediante la reduccin del rea de flujo cuando la potencia requerida ( a cualquier velocidad del motor ) es menor que la mxima que se puede obtener cuando la vlvula est abierta totalmente. El mltiple de admisin generalmente se calienta para promover una rpida propagacin del combustible y as obtener una distribucin ms uniforme de combustible entre los cilindros.

Fig. 1.39 Efecto vnturi

La inyeccin de combustible dentro del mltiple de admisin o lumbreras de admisin es una alternativa a los carburadores, la cual es cada vez ms usada. Con la inyeccin en las lumbreras, el combustible es inyectado a travs de inyectores individuales en un sistema de suministro de combustible a baja presin, dentro de cada una de las lumbreras de admisin. Hay varios sistemas de admisin diferentes: de inyeccin mecnica usando una bomba de inyeccin accionada por el mismo motor, inyeccin electrnica controlada como la que se muestra en la fig. 1.40; En ste sistema la taza de flujo de aire se mide directamente. Las vlvulas de inyeccin se accionan dos veces por cada revolucin del eje de levas mediante pulsos de inyeccin cuya duracin est determinada por la unidad de control electrnica, para suministrar la cantidad de combustible a cada cilindro por ciclo. Una posibilidad alterna es utilizar un inyector nico localizado por encima de la vlvula de estrangulacin en la posicin normalmente ocupada por el carburador ste sistema permite el control electrnico del flujo de combustible a bajo costo.

Fig. 1.40 Esquema de un sistema de inyeccin electrnica L-Jetronic. Robert Bosch GmbH.

La secuencia de eventos que tienen lugar dentro del cilindro del motor se ilustra en la en la siguiente animacin y en la figura 1.42 donde se grafican algunas variables contra el ngulo del cigeal a lo largo de todo el ciclo de cuatro tiempos.

Animacin 1.2 : Gasolina dos tiempos.

Fig. 1.41 Ciclo dos tiempos en un motor a gasolina: a- Potencia o expansin, b- compresin

Animacin 1.3 : Motor a gasolina cuatro tiempos.

Fig. 1.42 Secuencia de eventos en un motor de cuatro tiempos de encendido por ignicin.

El ngulo del cigeal es una variable independiente muy til ya que los procesos que ocurren dentro de un motor, utilizan intervalos de ngulo que casi no varan en un amplio rango de RPM. La figura 1.42 muestra los tiempos de operacin de las vlvulas as como la relacin volumtrica en un tpico motor de automvil de encendido por chispa, para mantener un alto flujo de mezcla a altas velocidades del motor y por ende una alta potencia de salida, la vlvula de admisin abre antes de TC, y cierra sustancialmente despus de BC. Durante la admisin, la carga inducida se mezcla en el cilindro con los gases residuales del ciclo previo.

Despus que la vlvula de admisin se cierra, el contenido del cilindro se comprime a una temperatura y presin por encima de la atmosfrica debido a que hay una disminucin del

volumen del cilindro, al mismo tiempo se transfiere calor al pistn, culata y paredes del cilindro pero su efecto, comparado con los gases de la combustin es muy pequeo. Entre 10 y 40 grados del cigeal antes del punto muerto superior, una descarga elctrica a travs de la buja inicia el proceso de combustin. En el distribuidor un interruptor rotativo, accionado por el eje de levas, corta la corriente de la batera a travs del circuito primario de la bobina de ignicin, el bobinado secundario de la bobina de ignicin conectado a la buja produce un alto voltaje a travs de los electrodos de ste cuando el campo magntico desaparece tal como se muestra en la animacin.

Animacin 1.4 : Sistema de ignicin.

Tradicionalmente, se han utilizado platinos accionados por una leva para interrumpir la corriente del primario de la bobina, aunque actualmente la tendencia es utilizar dispositivos electrnicos. Una llama turbulenta desarrollada a partir de la descarga de la buja se propaga a travs de la mezcla de aire y combustible. La duracin de este proceso de combustin vara con el diseo y operacin del motor pero tpicamente demora de 40 a 60 grados de giro del cigeal, como se muestra en la figura 1.42. A medida que la mezcla se quema, la presin en el cilindro se eleva por encima del nivel debido a la nicamente compresin (lnea de trazos). Debido a las diferencias en el patrn de flujo y composicin de la mezcla entre cilindros y dentro de cada cilindro de un ciclo a otro, el desarrollo de cada proceso de combustin difiere un poco; como resultado, la forma de la curva de presin contra ngulo de cigeal en cada cilindro y de un ciclo a otro no es exactamente la misma.

Hay un tiempo de chispa ptimo en el cual, de una masa de mezcla de aire y combustible dentro del cilindro se obtiene un torque mximo. Adelantar ms el tiempo o retardarlo de este punto ptimo d una salida menor de torque. Este tiempo ptimo llamado tiempo de mximo torque al freno es un compromiso emprico entre comenzar la combustin muy temprana durante la carrera de compresin (cuando se transfiere trabajo del pistn a los gases) y completar la combustin muy tarde en la carrera de expansin (disminuyendo as el pico de presin mxima).

Cerca de los dos tercios de la carrera de expansin, la vlvula de escape empieza a abrirse, la presin es mayor en el cilindro que en el mltiple de escape y ocurre un

proceso de soplado. Los gases quemados fluyen a travs de la vlvula hacia la lumbrera y mltiple de escape hasta que la presin en el cilindro y el escape se equilibren. La duracin de este proceso depende del nivel de presin dentro del cilindro hacia el mltiple durante la carrera de escape. La vlvula de escape abre al final de la carrera de admisin para asegurar que el proceso de soplado no demore hasta la carrera de escape.

La vlvula de escape permanece abierta hasta despus del TC, la vlvula de admisin abre un poco antes del TC. Las vlvulas de admisin abren y cierran lentamente para evitar el ruido y desgaste excesivo de la leva. Para asegurar que las vlvulas estn totalmente abiertas, cuando la velocidad del pistn es mxima los perodos de apertura de las vlvulas son altos. Si el flujo de admisin se estrangula a una presin por debajo de la del mltiple de escape, ocurre un contraflujo de gases quemados hacia el mltiple de admisin cuando las vlvulas de admisin estn comenzando a abrir.

Animacin : Tiempos de apertura y cierre de las vlvulas Haga click en el cuadro para cambiar el perfil de las levas.

La animacin muestra cmo dos levas de perfiles diferentes (una regular y otra de alto desempeo) tienen diversa sincronizacin en las vlvulas. Note que el escape (crculo rojo) y la admisin (crculo azul) se traslapan mucho ms en la leva de alto desempeo. Los crculos muestran cunto tiempo las vlvulas permanecen abiertas, El traslape de las vlvulas (cuando las vlvulas de escape y admisin estn abiertas al mismo tiempo) se destaca al principio de cada la animacin.

Captulo 1CLASES DE MOTORESY SU OPERACION

1.6 EJEMPLOS DE MOTORES DE ENCENDIDO POR IGNICION

Esta seccin presenta algunos ejemplos de motores de encendido por ignicin con el fin de ilustrar los diferentes tipos de motores de uso comn.

Pequeos motores de encendido por ignicin se usan en muchas aplicaciones: en el hogar (cortadoras de csped, barredoras de nieve), en generacin porttil de potencia, en motocicletas y barcos con motor fuera de borda. En la mayora de las aplicaciones un bajo peso, forma compacta y un bajo costo en relacin a la potencia generada son las caractersticas ms importantes; el consumo de combustible, la vibracin del motor y la durabilidad del motor son menos importantes.

Los motores de ms de 2.5 lt de volumen desplazado con un arreglo de cuatro pistones en lnea son los ms usados en automviles. Estos proporcionan dos pulsos de torque por revolucin del cigeal y las fuerzas primarias de inercias (no las secundarias) estn balanceadas.

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Animacin 1.5 : Cuatro cilindros en lnea.

El arreglo en V con dos hileras de cilindros puestos a 90o unos de otros o a un ngulo ms agudo, proporciona un bloque ms compacto y es usado ampliamente en motores de volumen desplazado.

( a )( b )

Fig. 1.43 Corte isomtrico de dos motores en V (a) Seis cilindros (b) Ocho cilindros.

La fig. 1.43 (a) muestra un motor V-6, en el cual los seis cilindros han sido colocados en dos hileras de tres cada una con un ngulo de 60o entre sus ejes. Seis cilindros se usan usualmente en el rango de 2.5 a 4.5 lt de volumen desplazado; proporcionan una operacin con tres pulsos de torque por revolucin.

El arreglo en lnea resulta en un motor de gran tamao dando una elevacin de la vibracin torsional del cigeal y haciendo que la distribucin uniforme de aire y combustible en cada cilindro sea ms difcil.

Animacin 1.6 : Seis cilindros en V.

El arreglo en V es mucho ms compacto y en el V-6 se proporciona balance primario de las componentes reciprocantes. Con este arreglo, un momento oscilante se impone sobre el cigeal debido a las fuerzas secundarias de inercia, lo cual resulta en un motor con menos balanceo que la versin en lnea. Los arreglos V-8 y V-12 tambin son comnmente usados para proporcionar un motor compacto, de baja vibracin y de gran volumen desplazado.

Otra configuracin usada comnmente es la de los motores con cilindros opuestos como se muestra en la fig. 1.44; Estos se utilizan por ejemplo en motores de trabajo ligero.

Animacin 1.7 : Cuatro cilindros opuestos.

Fig. 1.44 Motor con arreglo de cilindros a 180.

Los motores radiales cuya posicin de los cilindros forma una estrella, comunmente los contienen los aviones.

Animacin : Motor Radial

Se puede observar en la animacin un motor de cinco cilindros, aunque se pueden encontrar en gamas de tres a nueve cilindros. El motor radial tiene la misma clase de pistones, vlvulas y bujas que cualquier motor de cuatro tiempos. La gran diferencia est en el cigeal. En vez del eje largo que se utiliza en un motor con varios cilindros como el de automvil, hay un solo cubo; todas las bielas conectan con este cubo. Una biela es fija, y se conoce generalmente como la barra principal, las dems se llaman barras de articulacin montadas sobre pernos que les permiten articular mientras que el cigeal y los pistones se mueven.

Los motores radiales tienen varias ventajas para los aeroplanos: Pueden producir mucha potencia. Un motor radial tpico en un B-17 tiene nueve cilindros, desplaza 1.800 pulgadas cbicas (29,5 litros) y produce 1.200 caballos de fuerza. Ya que todos los pistones estn en el mismo plano, se puede conseguir que se refrigeren principalmente por aire. Esto ahorra el peso de refrigeracin por agua. Un lugar en donde usted puede ver la influencia del concepto de motor radial, es el motor de dos cilindros de una motocicleta Harley Davidson.

Los turbocargadores son usados para incrementar la mxima potencia que puede obtenerse de un motor con un desplazamiento determinado. El trabajo transferido por ciclo por cada pistn, el cual controla la potencia entregada por el motor, depende de la cantidad de combustible quemado por ciclo en cada cilindro. Esto a su vez depende de la cantidad de aire fresco que inducido en cada ciclo. Incrementando la densidad del aire antes de entrar al motor se incrementa la mxima potencia que un motor de un desplazamiento dado puede entregar. La figura 1.45 muestra un turbocargador utilizado en motores a gasolina

( a )( b )

Fig. 1.45 Turbocargador (a) Vista general (b) Compresor

El turbocargador, una combinacin de turbina y compresor como se muestra en la fig. 1.46-a, utiliza la energa disponible de los gases de escape para lograr la compresin del flujo de entrada.

Fig. 1.46-a Vista isomtrica del conjunto turbina-compresor

El flujo de aire pasa a travs del compresor, el inter-enfriador , el carburador, el manifold de entrada y luego por la vlvula de admisin al cilindro. La presin del aire al entrar a la cmara de combustin est alrededor de 100Kpa por encima de la presin atmosfrica. El flujo de salida a travs de la vlvula de escape conduce la turbina que a su vez proporciona la potencia al compresor (Ver figura 1.46-b)

Fig. 1.46-b Vista isomtrica del conjunto turbina-compresor

Una vlvula de By-pass (Wastegate) controla el flujo de escape en la turbina, derivando parte de ste cuando se presenta algn aumento brusco de presin en la misma.La figura 1.47 muestra un motor de encendido por chispa con ciclo de dos tiempos. Estosson usados en aplicaciones de motores pequeos donde el bajo costo y la relacin peso/potencia son importantes y el factor de uso es bajo como en motores fuera de borda

en pequeas embarcaciones, motocicletas y sierras de cadena.

Fig. 1.47 Motor fuera de borda

El motor rotativo Wankel, mostrado en la figura 1.48, es un motor alternativo a la geometra de los motores reciprocantes ilustrados anteriormente.

Fig. 1.48 Motor Wankel de dos rotores. Desplazamiento de cada cmara de trabajo 573 cm3, relacin de compresin 9.4, potencia mxima 55 Kw a 7000 rpm. (Toyo Kogyo Company Ltda.)

Se utiliza cuando su tamao compacto y su alta velocidad (lo cual resulta en una alta relacin potencia/peso y potencia/volumen) y su inherente balanceo y suavidad, compensan su alta transferencia de calor y sus problemas de sellado y fugas. Las partes del motor se muestran en la animacin. (Insertar animacin explosin Wankel).

El motor Wankel tiene dos partes rotativas: el rotor de forma triangular y el eje de salida

con su excntrica integral. El rotor gira directamente sobre la excntrica. El rotor tiene un engranaje interno el cual acopla con el engranaje fijo que se encuentra en uno de las tapas, para mantener la correcta relacin de fase entre las rotaciones del rotor y del eje excntrico. De esta manera el rotor gira y orbita alrededor del eje. La cmara de combustin se forma entre la carcasa central y la superficie del rotor y se sella con sellos en el pice y alrededor del permetro de los lados del rotor.

La figura 1.49 muestra cmo la geometra del motor Wankel opera en el ciclo cuatro tiempos.

Animacin 1.8 : Wankel cuatro tiempos.

Fig. 1.49 Ciclo cuatro tiempos Motor Wankel: (1) Admisin (2) Compresin(3) Ignicin-potencia (4) Escape.

El rotor realiza una revolucin completa mientras el eje excntrico de salida realiza tres

revoluciones y cada cmara produce una carrera de potencia. Por lo tanto, tres pulsos de potencia ocurren por cada revolucin del rotor.

Fig. 1.50 Automvil Mazda RX-8 con motor Wankel.

Captulo 1CLASES DE MOTORESY SU OPERACION

1.7 OPERACIN DEL MOTOR DE ENCENDIDO POR COMPRESION.

En los motores de encendido por compresin slo se induce aire en el cilindro, el combustible (en la mayora de las aplicaciones es un aceite combustible liviano) se inyecta directamente dentro del cilindro del motor justo antes que se requiera que inicie el proceso de combustin. El control de carga se logra mediante la variacin de la cantidad de combustible inyectado en cada ciclo. El flujo de aire a una velocidad del motor dada, se mantiene esencialmente constante. Hay una gran variedad de diseos de motores de encendido por compresin en un amplio rango de aplicaciones (automviles, camiones, locomotoras, marinos, generacin de potencia). Son comunes, motores naturalmente aspirados, donde el aire atmosfrico es inducido, motores turbocargados donde el aire de entrada es comprimido por una combinacin turbina-compresor accionada por los gases de escape y motores super-cargados donde el aire se comprime con una bomba o soplador accionado mecnicamente.

El turbocargador y supercargador incrementan la potencia de salida del motor mediante el incremento del flujo de masa de aire por unidad de volumen desplazado con lo cual se permite un incremento comnmente en grandes motores, para reducir el tamao y peso para una determinada salida de potencia, excepto en motores ms pequeos, el ciclo de dos tiempos es competitivo con el ciclo de cuatro tiempos en gran parte porque en el ciclo diesel solo se pierde aire en el proceso de barrido.

La operacin de un motor de encendido por compresin naturalmente aspirado de cuatro tiempos, se ilustra en la figura 1.51. La relacin de compresin de los motores diesel es

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mucho ms alta que en los motores de encendido por chispa y estn en el rango de 12 a 24, dependiendo del tipo de motor y si es naturalmente aspirado o turbocargado.

Animacin 1.9 : Motor diesel 4 Tiempos.

Fig. 1.51 Secuencia de eventos en un motor cuatro tiempos de EC. de aspiracin natural durante los procesos de Compresin, combustin y expansin.

Los tiempos de operacin de las vlvulas son similares a los de los motores de encendido por chispa. Aire a presion cercana a la atmosferica se induce durante la carrera de admisin y luego se comprime a una presion de 4 MPa (600 Psi ) y temperatura cercana a 800K, durante la carrera de compresin. Cerca de 20 0 antes del punto TC, se inicia la inyeccin de combustible; un perfil de la rata de inyeccin se muestra en la figura 1.51b. El chorro de combustible lquido se atomiza en gotas dentro del aire del cilindro. El combustible lquido se evapora; El vapor de combustible se mezcla con el aire, como la temperatura y la presin se encuentran por encima del punto de ignicin del combustible despus de un corto periodo de espera, se inicia el proceso de encendido espontneo (autoencendido) de parte de la mezcla y empieza el proceso de combustin, elevando la presin en el cilindro. La llama avanza rpidamente a travs de la porcin de combustible inyectado que se ha mezclado con suficiente aire para quemar. A medida que el proceso de expansin sucede, la mezcla entre combustible, aire y gases quemados contina acompaada de una combustin adicional (ver figura 1.51d). A plena carga la masa del combustible inyectado es cerca de 5 % de la masa en el cilindro. El incremento de los niveles de humo negro en el escape limita la cantidad de combustible que puede quemarse eficientemente. El proceso de escape es similar al del motor de cuatro tiempos de encendido por chispa. El finalizar la carrera de escape el ciclo empieza de nuevo.

En el ciclo del motor de encendido por compresin de dos tiempos, los procesos de compresin, inyeccin de combustible, combustin y expansin son similares al proceso de cuatro tiempos siendo diferentes las presiones de admisin y escape. Las secuencias de eventos en un motor de dos tiempos de barrido en bucle se ilustra en la fig. 1.52,En los motores de barrido en bucle tanto las lumbreras de admisin y escape estn en el mismo extremo del cilindro y son descubiertos cuando el pistn se acerca al B.C. (ver fig.1.52 a). Despus que la lumbrera de escape abre, la presin en el cilindro cae

rpidamente debido a un proceso de soplado. (ver fig. 1.52 b). La lumbrera de admisin entonces abre y como la presin en el cilindro.

Fig. 1.52 Secuencia de eventos en un motor dos tiempos EC. durante los procesos de expansin, intercambio de gases y compresin. Ae rea de escape, Ai rea de admisin.

cae por debajo de la presin de entrada, fluye aire hacia el cilindro. Los gases quemados son desplazados por el aire fresco hasta sacarlos del cilindro perdindose parte de aire fresco. Una vez se cierran las lumbreras al empezar el pistn la carrera de compresin los procesos de compresin, inyeccin de combustible, se dan como en el ciclo del motor de encendido por chispa de cuatro tiempos.

Fig. 1.53 (a) Seccin longitudinal de un motor de dos tiempos marino Fairbanks-Morse de 7 cilindros y 300 Kw a 1200 rpm.

Fig. 1.53 (b) Corte transversal de un motor de dos tiempos marino Fairbanks-Morse de 7 cilindros y 300 Kw a 1200 rpm.

El sistema de inyeccin de combustible diesel consiste de una bomba de inyeccin, tuberas de entrega e inyectores de combustible (Ver figura siguiente).

Fig. 1.54 Sistema de inyeccin electrnica Diesel

Varios tipos de bombas de inyeccin e inyectores son usados. Iniciando la carrera del mbolo, el puerto de entrada es cerrado y el combustible atrapado por el mbolo es forzado a travs de la vlvula cheque dentro de la lnea de inyeccin. El inyector tiene uno o ms agujeros a travs de los cuales el combustible se atomiza dentro del cilindro (Ver figura 1.55). Una vlvula de resorte cierra estos agujeros hasta que la presin en la lnea de inyeccin acta sobre una parte de la superficie de la vlvula venciendo la fuerza del resorte y abriendo la vlvula. La inyeccin de combustible empieza poco despus de que la presin el la lnea comienza a elevarse. As, la fase relativa entre el eje de levas de la bomba de inyeccin y el cigeal del motor, controla el comienzo de la inyeccin.

La cantidad de combustible inyectado, lo cual controla la carga, es determinado por el diseo de la leva de la bomba de inyeccin y por la posicin del resorte. As, para un diseo de leva dado rotando el mbolo y su resorte, vara la carga.

a

b

Fig. 1.55 Inyectores (a) Diferentes configuraciones (b) Atomizacin del combustible

CUESTIONARIO

1. A quin se le atribuye el desarrollo del primer motor de combustin interna.

2. Por qu los combustibles han tenido un gran impacto en el desarrollo de los M.C.I.

3. Cules factores importantes afectan significativamente el diseo y la operacin de los motores.

4. Cmo se clasifican los motores segn el ciclo de trabajo y el mtodo de ignicin.

5. Haga una breve descripcin de los ciclos de operacin 2T y 4T.

6. Enumere las ventajas y desventajas del motor 2T.

7. Mencione y describa brevemente los principales componentes del motor.

8. Explique el funcionamiento bsico de un carburador simple.

9. Grafique la secuencia de eventos de un motor 4T de ECH y EC.

10. Qu ventajas tiene un motor turbocargado con relacin a uno de aspiracin natural.

BIBLIOGRAFIA

Heywood, J.B. Internal Combustion Engine Fundamentals. Cap. I y II. McGraw Hill Series in Mechanical Engineering 1988. Ferguson, C.R. Internal Combustion Engines applied Thermosciences.Cap. I. John Wiley & sons, Inc. 1986 www.howstuffworks.com www.epa.gov www.nasa.gov/home/index.html?skipIntro=1 www.memaerobilia.com www.technologie-entwicklung.de www.ausbildungsoffensive-bayern.de/ specials/m... www.autoenciclopedia.com http://mecanicavirtual.iespana.es/

Captulo 2PARAMETROS DE OPERACIONEN MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

2.1 CARACTERSTICAS IMPORTANTES EN EL MOTOR

En este captulo se establecern algunas relaciones geomtricas bsicas, tambin los parmetros caractersticos de la operacin de los M.C.I.. Los factores ms importantes para el usuario de un motor son:

1. Rendimiento del motor en todo su rango de operacin.

2. El consumo de combustible del motor dentro del rango de operacin y el costo del combustible requerido.

3. Los niveles de ruido y las emisiones de sustancias dentro de su rango de operacin.

4. El costo inicial del motor y su instalacin.

5. La confiabilidad y durabilidad del motor, su requerimiento de mantenimiento y cmo sus factores afectan la disponibilidad del motor y los costos de operacin.

Estos factores controlan los costos totales de operacin del motor que generalmente son la principal consideracin del usuario; adems es importante que el motor pueda satisfacer las normas ambientales.

El rendimiento del motor se define ms exactamente mediante :

1. La potenciacin mxima o torque mximo disponible en cada velocidad dentro del rango til de operacin del motor.

2. El rango de velocidad y potencia dentro de los cuales el motor opera satisfactoriamente.

Los siguientes conceptos se utilizan comnmente para definir el rendimiento de un motor:

POTENCIA NOMINAL: Es la potencia ms alta que se permite desarrollar a un motor durante cortos perodos de operacin.

POTENCIA NORMAL NOMINAL: Es la potencia ms alta que se permite desarrollar a un motor en operacin continua.

VELOCIDAD NOMINAL: Es la velocidad de rotacin del cigeal a la cual se desarrolla la potencia nominal.

PARAMETROS DE OPERACION EN MOTORES DE COMBUSTION INTERNAPgina 1 de 2

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Captulo 2PARAMETROS DE OPERACIONEN MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

2.2 RELACIONES GEMETRICAS EN MOTORES

Los parmetros que definen la geometra bsica de un motor reciprocante son los siguientes (Ver figura 2.1):

1. Relacin de compresin, Rc:

(2.1)

Donde Vd es el volumen desplazado y Vc es el volumen muerto.

2. Relacin entre el dimetro del cilindro y la carrera del pistn.

(2.2)

PARAMETROS DE OPERACION EN MOTORES DE COMBUSTION INTERNAPgina 1 de 4

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Fig. 2.1 Geometra del cilindro, pistn, biela, manivela donde B = ancho de cilindro, L = carrera, l = long. De biela, a = radio de cigueal y 0 = ngulo de cigueal.

3. Relacin entre el largo de la biela y el radio del cigeal.

(2.3)

Adems la carrera y el radio del cigeal se relacionan como:

Valores tpicos para estos parmetros son: Rc= 8 a 12 para motores de encendido por chispa; Rc= 12 a 24 para motores pequeos y medianos, disminuyendo a casi 0.5 para grandes motores de baja velocidad de encendido por compresin; Rc= 3 a 4 para motores pequeos de baja velocidad de encendido por compresin.

4. El volumen del cilindro V en cualquier posicin del cigeal es:

(2.4)

Donde s es la distancia entre el eje del cigeal y el eje del buln y est dada por:

(2.5)

El ngulo que se muestra en la figura 2.1 se llama "ngulo de rotacin del cigeal" : La ecuacin 2.4 se puede reescribir as:

(2.6)

5. El rea superficial de la cmara de combustin A en cualquier posicin del cigeal est dada por:

(2.7)

Donde Acn es el rea superficial del cilindro en la culata y Ap es el rea superficial de la cabeza del pistn. Para pistones de cabeza plana, Ap = . Usando la ecuacin anterior se puede escribir:

(2.8)

6. Una caracterstica importante de velocidad es la velocidad media del pistn Sp:

(2.9)

Donde N es la velocidad de giro del cigeal. La velocidad media del pistn es a menudo un parmetro ms apropiado que la velocidad de giro del cigeal cuando se compara el comportamiento de motores en funcin de la velocidad. La velocidad instantnea del pistn Sp se obtiene de la ecuacin:

(2.10)

Fig. 2.2 Velocidad instantnea del pistn/ Velocidad media del pistn, en funcin del ngulo del cigeal, para R = 3.5

La velocidad del pistn es cero en el comienzo de la carrera y alcanza el valor mximo cerca de la mitad y adquiere un valor nulo nuevamente al final de la carrera. Derivando la ecuacin 2.5 y sustituyendo tenemos:

(2.11)

La figura 2.2 muestra cmo vara Sp en una carrera con R = 3.5.

La resistencia de los gases a fluir dentro del motor as como los esfuerzos debidos a la inercia de las partes mviles limitan la velocidad mxima promedio del pistn a un rango entre 8 y 15 m/s ( 1500 a 3000 Ft/s); Los motores operan en la parte alta de este rango mientras que en la parte baja se ubican los grandes motores Diesel marinos.

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2.3 TORQUE Y POTENCIA AL FRENO

El torque del motor se mide generalmente con el dinammetro. El motor se monta en un bastidor para pruebas y el eje se conecta al rotor del dinammetro. La figura 2.3 ilustra el principio de operacin de un dinammetro. El rotor es acoplado electromagnticamente, hidrulicamente o por friccin mecnica a un estator, el cual est soportado en rodamientos de baja friccin. El estator est balanceado estacionariamente con el rotor. El torque ejercido sobre el estator por el rotor es medido balanceando el estator con pesas, resortes o sistemas neumticos.

Fig. 2.3 Esquema del principio de operacin de un dinammetro.

Animacin : Medicin de torque y potencia.

Usando la rotacin de la figura 2.3 si el torque ejercido por el motor es T:

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(2.12)

La potencia P liberada por el motor y absorbida por el dinammetro es el producto del torque y la velocidad angular.

(2.13a)

donde N es la velocidad de giro del cigeal. En unidades del SI:

(2.13b)

En unidades inglesas:

(2.13c)

Observemos que el torque es la medida de la habilidad de un motor para hacer trabajo y la potencia es la rata a la que se hace el trabajo.

El valor de la potencia al freno medida como se describi anteriormente se llama "Potencia al freno". Esta potencia es la parte til entregada por el motor a la carga, en este caso el freno.

Se llama Torque mximo a la mayor cantidad de fuerza de giro que puede hacer el motor. Esto sucede a cierto nmero de revoluciones. Siguiendo el ejemplo de la grfica en la figura 2.4, Un motor con un torque mximo de 125 Nm @ 2500rpm significa que el motor es capaz de producir una fuerza de giro (Tcnicamente conocido como momento o par torsional) de hasta 125 newton metro cuando est acelerado al mximo y gira a 2500 revoluciones por minuto. Recuerde que el motor esta acelerado al mximo (Tcnicamente conocido como WOT wide open throttle) y no gira a las mximas revoluciones ya que se encuentra frenado por el freno dinamomtrico.

Fig. 2.4 Curvas de torque y potencia vs rpm medidos con el dinammetro.

Mientras mayor sea el torque mximo de un motor, ms fuerte este es. Esto es interesante al momento de comparar motores ya que sin importar el tamao, el tipo, el sistema de encendido el de inyeccin, un motor tendr ms fuerza que otro cuando su torque mximo sea mayor. La tendencia mundial es lograr motores con el torque ms alto posible en todas las revoluciones y principalmente al arrancar. Este efecto se conoce como motor plano.

La potencia indica la rapidez con que puede trabajar el motor. La potencia mxima es el mayor nmero obtenido de multiplicar el torque del motor por la velocidad de giro en que lo genera. En el caso de la figura, el motor tiene una potencia mxima de 38 kW @ 3000 rpm.

Potencia = Torque x velocidad angular. Veamos las unidades : En el sistema internacional el torque se expresa en Nm (Newton metro) La potencia se expresa en W (Vatios) Debido a que los motores usados en la industria automotriz, tienen muchos vatios se acostumbra usar el kW (Kilovatio) 1kW = 1000 W

Relaciones tiles :

Potencia (en kW) = (Torque (Nm) . Revoluciones por minuto del motor (rpm)) / 9550 1kW = 1,34 hp (Horsepower caballo de potencia) El PS es el caballo en el sistema mtrico. 1kW = 1,359 PS 1Nm = 0,73756 lbf ftPara concluir, es bueno recordar que:

El torque y la potencia son indicadores de lo que el motor puede hacer

Los valores de torque y potencia que publican los fabricantes cumplen normas internacionales las cuales pueden variar segn el origen del motor, y lo que leemos en las especificaciones se trata de los valores mximos.

Se dice caballo de potencia y no caballo de fuerza.

El torque es la fuerza del motor ya que la entrega en forma de giro.

La potencia se obtiene a partir del torque y las revoluciones.

Un motor tiene torque mximo y potencia mxima y en los motores de combustin interna estos no se presentan a las mismas revoluciones.

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2.4 TRABAJO INDICADO POR CICLO

Los datos de presin de los gases en el cilindro durante el ciclo de operacin del motor pueden usarse para calcular la transferencia de trabajo del gas al pistn. La presin del cilindro y su correspondiente volumen a lo largo de todo el ciclo del motor pueden ser graficados en un diagrama P-V tal como se muestra en la figura 2.4 .

Figura 2.4 Ejemplos de diagramas p-v (a) motor dos tiempos, (b) motor cuatro tiempos,(c) tiempos de escape y admisin en motor cuatro tiempos ECH.

El trabajo indicado por ciclo Wci (por cilindro) se obtiene mediante la integral cclica que es equivalente al rea encerada en el diagrama:

(2.14)

El trabajo bruto indicado por ciclo (Wcig) es el trabajo entregado al pistn en las carreras de compresin y expansin nicamente; si a este se le resta el trabajo utilizado por el pistn en las carreras de admisin y escape, se obtiene el trabajo neto indicado por ciclo (Wcin).

En la figura 2.4 (b) y (c), Wcig es (rea A + rea C) y Wcin es (rea A + rea C) - (rea B+ rea C) lo cuales igual a (rea A - rea B), donde cada una de estas reas se considera como una cantidad positiva. El (rea B + rea C) es el trabajo transferido entre el pistn y los gases del cilindro durante las carreras de admisin y escape y se llama "trabajo de bombeo". El trabajo de bombeo se transfiere a los gases si la presin durante la carrera de admisin es menor que la presin durante la carrera de escape, situacin que se presenta en los motores de aspiracin natural. El trabajo de bombeo se transferir de los gases al pistn si la presin en la carrera de escape es menor a la presin en la carrera

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de admisin, caso que normalmente se presenta en los motores turbocargados sobrealimentados.

La potencia por ciclo se relaciona con el trabajo indicado por ciclo mediante la siguiente expresin:

(2.15)

donde n es el nmero de revoluciones del cigeal por cada carrera de potencia. Para ciclos de 4 tiempos nR es igual a 2 y para ciclos de 2 tiempos nR es igual a 1. Esta potencia es la potencia indicada es decir la rata de transferencia de trabajo de los gases en el cilindro al pistn. Esta difiere de la potencia al freno en la potencia absorbida en vencer la formas de friccin del motor, en accionar los accesorios y sistemas auxiliares y la potencia de bombeo necesaria para los procesos de admisin y escape.

Los trminos al freno e indicado se usan para describir otros parmetros tales como: presin media efectiva, consumo especfico de combustible y emisiones especficas, de una manera similar a la que se us para trabajo y potencia por ciclo.

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2.5 EFICIENCIA MECANICA

Hemos visto que parte del trabajo indicado bruto o potencia se utiliza para expulsar los gases de escape o introducir carga fresca. Una porcin adicional se usa para superar la friccin en los cojinetes, pistones y otros componentes y accionar los accesorios y sistemas auxiliares del motor. Todos estos requerimientos juntos constituyen lo que se conoce como potencia de friccin, Pf as:

(2.16)

La potencia de friccin es difcil de determinar directamente. Una aproximacin comn para motores de alta velocidad es hacer funcionar el motor con un dinammetro (operar el motor sin encenderlo) y medir la potencia que ser entonces la que suministra el dinammetro para superar todas la prdidas por friccin.

La velocidad del motor, las temperaturas de agua y aceite y las condiciones ambientales son mantenidas constantes durante la prueba como bajo condiciones de encendido. Las principales fuentes de inexactitud que se presentan con este mtodo son que las fuerzas de presin de los gases sobre el pistn y los anillos son ms bajas en la prueba que cuando el motor est encendido y que la temperatura del aceite sobre la pared del cilindro es tambin ms baja durante condiciones monitoreadas.

La relacin entre la potencia al freno entregada por el motor y la potencia indicada es llamada eficiencia mecnica :

(2.17)

Puesto que la potencia de friccin incluye la potencia requerida para bombear gas dentro y fuera del motor, la eficiencia mecnica depende del diseo y de la velocidad del motor. Los valores tpicos para motores de a modernos automviles son de 90% para velocidades por debajo de 30 a 40 rev/s (1800 a 2400 rpm), disminuyendo 75% a la mxima rata de velocidad. As, cuando el motor est frenado, la eficiencia mecnica decrece, eventualmente hasta cero cuando el motor opera solo sin engranar.

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2.6 POTENCIA DE RODAMIENTO

Un nivel de potencia til como punto de referencia para probar motores automotrices potencia requerida para conducir un vehculo en carretera a velocidad constante. Lla potencia de rodamiento, es la que supera la resistencia a rodar que se provoca por la fricc las llantas y el coeficiente aerodinmico de arrastre del vehculo. Los coeficientes de roda y de arrastre, CR y CD, respectivamente, son determinados empricamente.Una frmula aproximada para calcular la potencia de rodamiento Pr es:

(2.18a)

Donde :

CR= coeficiente de resistencia al rodamiento (0.012 < CR < 0.0156)3

Mv= masa del vehculo (Para autos de pasajeros: masa del metal ms carga de pasajeros de68 Kg)

g = aceleracin debida a la gravedad pa = densidad del aire ambienteCD= coeficiente de arrastre (para autos: 0.3 < CD 0.5)3 Av = rea frontal del vehculoSv = velocidad del vehculo

Con las cantidades en las unidades indicadas:

(2

o

(2.18c)

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2.7 PRESION MEDIA EFECTIVA

An cuando el torque es una medida valiosa de la capacidad de un motor en particular para realizar trabajo, esta depende del tamao del motor. Una medida relativa al desempeo de los motores que resulta ms til se obtiene de dividir el trabajo por ciclo entre el volumen desplazado por ciclo. El parmetro as obtenido tiene unidades de fuerza por unidad de rea y es llamado presin media efectiva, mep, por sus siglas en ingls. Entonces de la ecuacin (2.15)

:

Donde es el nmero de revoluciones del cigeal por cada carrera de potencia por cilindro (dos para ciclos de cuatro tiempos y uno para ciclos de dos tiempos), entonces:

(2.19a)

Para S.I. y unidades inglesas, respectivamente:

(2.19b)

o

(2.19c)

La presin media efectiva puede tambin ser expresada en trminos del torque usando la ecuacin (2.13):

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(2.20a)

o

(2.20b)

La mxima presin efectiva al freno en un buen diseo de motor est bien establecida y es esencialmente constante sobre un amplio rango de tamaos de motores. De esta manera, el bmep actual que un motor en particular desarrolla puede ser comparado con esta norma, y la efectividad con la cual el diseador del motor ha usado el volumen desplazado puede ser evaluado. Tambin, para clculos de diseo, el desplazamiento requerido por el motor para proporcionar un torque o potencia dados, a una velocidad especfica, puede ser estimados asumiendo valores apropiados para el parmetro bmep en una aplicacin particular.

Los valores tpicos para el bmep son los siguientes: para motores de encendido por chispa con aspiracin natural los valores estn en un rango mximo de 850 a 1050 kPa (125 a 150 lb/in ) a la velocidad del motor en la cual se obtiene el mximo torque (alrededor de 3000 rpm). A la mxima rata de potencia, los valores de bmep son entre 10 a 15% ms bajos. Para motores de encendido por chispa y turbocargados, la mxima bmep est entre 1250 y 1700 kPa (180 a 250 lb/in2). A la mxima potencia nominal la bmep est entre 900 y 1400 kPa (130 a 200 lb/in2). Para motores Diesel 4 tiempos de aspiracin natural, los valores mximos de bmep estn entre 700 y 900 kPa (100 a 130 lb/in2); La bmep a mxima potencia nominal es aproximadamente de 700 kPa (100 lb/in2). Para motores Diesel 4 tiempos turbocargados, los valores mximos de bmep estn entre 1000 y 1200 kPa (145 a 175 lb/in2), alcanzando en motores turbocargados post-enfriados, valores de hasta 1400 kPa (200 lb/in2) Los motores Diesel 2 tiempos tienen rendimiento comparable a los motores de ciclo 4 tiempos. Los grandes motores de ciclo 2 tiempos y baja velocidad pueden alcanzar valores de bmep de 1600 kPa.

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2.8 CONSUMO ESPECFICO DE COMBUSTIBLE Y EFICIENCIA

En pruebas de motores de combustin interna, el consumo de combustible se mide como una variacin de la masa por unidad de tiempo . Un parmetro ms til es el consumo especfico de combustible (sfc) - rata de flujo de combustible por unidad de potencia de salida . Este mide qu tan eficientemente est usando un motor el combustible suministrado para producir trabajo til.

(2.21)

Con unidades

(2.22a)

(2.22b)

(2.22c)

Valores bajos de sfc son obviamente deseables. Para motores de encendido por chispa los mejores valores tpicos de bsfc (consumo especfico de combustible al freno) son:

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75

Para motores de encendido por compresin los valores son ms bajos y en grandes motores pueden estar por debajo de

55 El consumo especfico de combustible se puede relacionar con otras variables para convertirlo en un parmetro adimensional que relacione el trabajo producido por ciclo con la cantidad de energa suministrada por ciclo por el combustible (energa que puede ser liberada durante el proceso de combustin).

Esta es una medida de la eficiencia del motor. La mxima energa que puede liberar el combustible durante la combustin es igual a la masa del combustible suministrado al motor por ciclo multiplicado por la capacidad calorfica del combustible. El poder calorfico del combustible, , define su contenido de energa interna y es determinado en un procedimiento de prueba estandarizado en el cual una masa conocida de combustible es totalmente quemada con aire y la energa trmica liberada por el proceso es absorbida por un calormetro hasta que los productos de la combustin se enfran hasta la temperatura original.Esta medida de la eficiencia de un motor, la cual ser la llamada eficiencia de lacombustin del combustible , est dada por:

(2.23)

Donde mf es la masa de combustible introducido por ciclo. Sustituyendo sfc de la ecuacin (2.21) tenemos:

(2.24)

Valores tpicos de QHV para los combustibles comerciales usados en motores estn entre 42 y 44 MJ/Kg. (18000 a 19000 BTU/lbm). El consumo de combustible es inversamente proporcional a la eficiencia de conversin del combustible. Note que la energa del combustible suministrado al motor por ciclo no es totalmente liberada como energa trmica durante el proceso de combustin porque este proceso de combustin real es

incompleto.

Cuando hay aire suficiente en el cilindro para oxidar el combustible totalmente, casi toda (ms del 96%) la energa del combustible se transfiere como energa trmica al fluido de trabajo.

2.9 REACCIONES AIRE-COMBUSTIBLE Y COMBUSTIBLE-AIRE

En una prueba de motor tanto la rata de flujo msico de aire, , como la rata de flujo msico de combustible, , se miden normalmente. La relacin de esas ratas de flujo es til en la definicin de las condiciones de operacin del motor.

(2.25)

(2.26)

El rango de operacin normal para un motor convencional de encendido por chispa es:

para un motor de encendido por compresin es :

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2.10 EFICIENCIA VOLUMETRICA

El sistema de admisin de aire o mezcla, el filtro de aire, el carburador, las vlvulas de estrangulacin (en motores de encendido por chispa), el mltiple de admisin, la lumbrera de admisin y la vlvula de admisin, restringen la cantidad de aire que puede inducir un motor de un desplazamiento dado. Los parmetros usados para medir la efectividad en el proceso de admisin de un motor es la eficiencia volumtrica, . Esta solo se usa en motores con ciclo de 4 tiempos. La eficiencia volumtrica se define como la rata de flujo volumtrico de aire en el sistema de admisin dividida por la rata a la cual el volumen es desplazado por el pistn.

(2.27a)

Donde es la densidad del aire de entrada. Una definicin alternativa equivalente es:

(2.27b)

Donde es la masa de aire inducido en el cilindro por ciclo. El rendimiento volumtrico en motores de aspiracin natural est entre el 80 y el 90% mximo.

2.11 PESO ESPECIFICO Y VOLUMEN ESPECIFICO DEL MOTOR

El peso de un motor as como su volumen son parmetros importantes en algunas aplicaciones. Dos ndices o parmetros para comparar estas caractersticas son:

(2.28)

(2.29)

Para emplear estos parmetros es necesario definir que componentes y sistemas auxiliares estn incluidos dentro del concepto de "Motor".

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2.12 FACTORES DE CORRECCIN PARA POTENCIA Y EFICIENCIA VOLUMETRICA

La presin, humedad y temperatura del aire del medio ambiente admitido dentro de un motor a una velocidad dada, afecta la rata de flujo msico de aire y la salida de potencia. Se usan factores de correccin para ajustar los valores medidos de potencia con el estrangulador totalmente abierto y de eficiencia volumtrica a condiciones atmosfricas estndar para hacer una comparacin ms precisa de dos tipos de motores. Las condiciones ambientales estndar que se usan normalmente son:

Tabla 2.1 - Condiciones estndar de aire ambiente.

Para este factor de correccin se emplea la ecuacin para flujo compresible estable unidimensional a travs de un orificio o restriccin de rea efectiva AE:

(2.30)

Para la obtencin de esta ecuacin se asumi que el fluido es un gas ideal con una constante de gas R y que la relacin de calores especficos Cp/Cv = , es tambin constante. Po y To son la presin total y la temperatura antes del orificio de restriccin y P es la presin en la garganta o seccin de paso del orificio de restriccin. Si en el motor P/Po se asume constante cuando hay una gran apertura de la mariposa, entonces para un sistema de admisin y motor determinado, la rata de flujo msico de aire seco ma es:

(2.31)

Para mezclas que contienen la cantidad apropiada de combustible para usar todo el aire

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disponible (y as entregar la mxima potencia), la potencia indicada a total apertura del estrangulador Pi ser proporcional a la rata de flujo de aire seco ma. As, si:

(2.32)

en donde los subndices s y m denotan los valores a condiciones estndar y de medicin respectivamente. El factor de correccin CF est dado por:

(2.33)

en donde Ps,d = Presin absoluta estndar del aire seco Pm = Presin absoluta medida del aire ambientePv,m = Presin parcial medida del vapor de agua ambiente Tm = Temperatura ambiente medidaTs = Temperatura ambiente estndar

La potencia nominal al freno se corrige usando la ecuacin (2.33) para corregir la potencia indicada y asumiendo que la potencia de friccin no cambia. As:

(2.34)

La eficiencia volumtrica es proporcional a ma/ a (ver ecuacin 2.27). Ya que es proporcional a P/T, el factor de correccin para la eficiencia volumtrica C'F es:

(2.35)

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2.13 EMISIONES ESPECIFICAS E INDICE DE EMISIONES

Los niveles de emisiones de xidos de nitrgeno (xido ntrico, NO, y dixido de nitrgeno, NO2 , usualmente agrupados y llamados NOx), monxido de carbono (CO), hidrocarburos sin quemar (HC) y partculas son importantes caractersticas de operacin del motor de combustin interna.

Las concentraciones de las emisiones de gases en el escape del M.C.I. se miden usualmente en ppm o en porcentaje en volumen (lo cual corresponde a la fraccin molar multiplicada por 106 o por 102 respectivamente); sin embargo los niveles de emisiones normalizados son ms tiles. Dos de ellos son de uso comn. Las emisiones especficas son las relaciones entre la rata de flujo msico de contaminante por unidad de potencia de salida:

(2.36a)(2.36b)

(2.36c)(2.36d)

Se pueden definir las emisiones especficas en funcin de la potencia indicada y de la potencia al freno; Sus unidades ms comunes son:

As mismo la rata de emisiones puede normalizarse en funcin de la rata de flujo de combustible y se denomina ndice de emisiones (EI). Por ejemplo:

(2.37)

Se utilizan expresiones similares para los ndices de emisiones de CO, HC y partculas.

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2.14 RELACIONES ENTRE PARMETROS DE RENDIMIENTO

La importancia de los parmetros definidos en las secciones 2.8 a 2.10 llegan a ser evidentes cuando la potencia, el torque y la presin media efectiva se expresan en funcin de estos. A partir de las definiciones de potencia del motor (ecuacin 2.13), presin media efectiva (ecuacin 2.19), eficiencia de conversin del combustible (ecuacin 2.23), relacin combustible-aire (ecuacin 2.26), eficiencia volumtrica (ecuacin 2.27), se pueden desarrollar las siguientes relaciones entre parmetros de funcionamiento del motor.

Para potencia, P:

(2.38)

Para motores de cuatro tiempos, introduciendo la eficiencia volumtrica se tiene:

(2.39)

Para torque, T:

(2.40)

Para la presin media efectiva:

(2.41)

La potencia por unidad de rea del pistn a menudo llamada potencia especfica, es una medida de la habilidad del diseador del motor en usar el rea disponible del pistn sin importar el tamao del cilindro. De la ecuacin (2.39) se obtiene:

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(2.42)

La velocidad media del pistn se puede introducir con la ecuacin (2.9) para obtener:

(2.43)

Se puede observar que la potencia especfica es proporcional al producto de la presin media efectiva y la velocidad media del pistn.

Estas relaciones ilustran la importancia directa de los siguientes aspectos sobre el rendimiento del motor:

1. La alta eficiencia de conversin de combustible

2. La alta eficiencia volumtrica

3. El incremento de la potencia de salida de un motor de desplazamiento dado mediante el incremento de la densidad del aire de entrada.

4. La mxima relacin combustible-aire que se puede quemar completamente en el motor.

5. La alta velocidad media del pistn.

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Captu