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Tecnología Industrial, 2º bachTema 4: Motores termodinámicos
Inmaculada Pérez Pérez, noviembre 2015
MOTORES TÉRMICOS
IntroducciónUna máquina es un objeto empleado para facilitar o realizar un trabajo.
Se distingue entre máquinas operadoras y máquinas motrices. Estas últimas, también conocidas como motores, se encargan de transformar la energía y según el elemento que se la proporcione se clasifican en tres grandes grupos:
➢ Utilizan energía de un fluido (propiedad concreta).➢ Utilizan energía de un sólido (energía potencial).
○ Motores térmicos: objeto de estudio de este tema.
➢ Utilizan formas especiales de energía.
Características generales de los motoresRENDIMIENTORelación entre la energía aportada y el trabajo realizado, pues se producen pérdidas en su transformación.
POTENCIA (CV, W)
Trabajo que el motor es capaz de realizar en una unidad de tiempo y a una determinada velocidad de giro.
VELOCIDAD DE GIRO (rpm)
Número de revoluciones por minuto del motor en condiciones normales de funcionamiento, se representa por la letra n y se le llama velocidad nominal.
PAR MOTOR (kgm, N·m)
Momento de rotación que actúa sobre el eje del motor y que determina su giro.
El motor térmico
Un motor térmico es aquel capaz de obtener energía
mecánica a partir de la energía
térmica de un fluido.
Principio básico de funcionamiento
El proceso de funcionamiento es un ciclo cerrado: al finalizar vuelve a sus condiciones iniciales.
El motor recibe una cantidad de calor concreta (Q1), luego cede o se le quita otra cantidad de calor (Q2) menor a la anterior. Esta diferencia de energía térmica se transforma en trabajo mecánico (W).
Principio básico de funcionamiento
Partes de un motor térmico
Clasificación de los motores térmicos
Motores de combustión interna➢ ALTERNATIVOS: movimiento del pistón rectilíneo, se transforma en giratorio en el cigüeñal con un
mecanismo biela-manivela.
○ Motores de encendido por compresión (MEC): el combustible se comprime, por lo que alcanza
unas temperaturas tan elevadas que dan lugar a una autoinflamación. Ej: motores diésel.
○ Motores de encendido provocado (MEP): una causa externa inicia la combustión del
combustible, que se propaga por la cámara de combustión del motor.
○ Motores de cuatro tiempos: el ciclo termodinámico se desarrolla en cuatro etapas o carreras de
pistón (admisión, compresión, expansión y escape).
○ Motores de dos tiempos: el ciclo termodinámico se desarrolla en dos etapas o carreras de pistón
(admisión-compresión y expansión-escape).
➢ ROTATIVOS: movimiento del pistón giratorio, el giro se le comunica al cigüeñal con un sistema de
engranajes. Ej: Wankel, turbinas de gas.
➢ AERORREACTORES: emplean aire para su combustión, ya sea por propulsión o por reacción
química.
El motor de explosión de
cuatro tiemposMotor de combustión interna
con encendido provocado (MEP) cuyo proceso de funcionamiento se desarrolla en cuatro carreras
de pistón.
Funcionamiento1- ADMISIÓN
El pistón baja desde su posición más alta
(PMS, Punto Muerto Superior) arrastrado
por el cigüeñal, por lo que se produce
una depresión en el cilindro que se
aprovecha para llenarlo de combustible
y aire por la válvula de admisión, que
permanece abierta.
Cuando el pistón llega a su posición más
baja (PMI, Punto Muerto Inferior) finaliza esta fase. El cigüeñal ha girado 180º y la
válvula de admisión se cierra.
2- COMPRESIÓN
El pistón va del PMI al PMS
arrastrado por el movimiento del
cigüeñal. Tanto la válvula de
admisión como la de escape están
cerradas, luego la mezcla de
combustible se comprime.
Cuando el pistón llega al PMS se
acaba la segunda etapa. El cigüeñal
ha girado otros 180º y el contenido
del cilindro está comprimido al
máximo.
Funcionamiento3- EXPANSIÓN
De la bujía salta una chispa que inflama
la mezcla. Las dos válvulas continúan
cerradas, luego toda la presión de la
combustión se aplica sobre el pistón,
que desciende bruscamente hasta el
PMI y arrastra así al cigüeñal. Este
realiza el trabajo útil.
Cuando el pistón llega al PMI finaliza la
tercera carrera. El cigüeñal gira
nuevamente 180º (vuelve a la posición
inicial) y la válvula de escape se abre.
4- ESCAPE
Los gases de la combustión salen
por la válvula de escape y el pistón
asciende al PMS arrastrado por el
movimiento del cigüeñal, que dará
un nuevo giro de 180º.
En ese momento se habrá acabado
la cuarta fase; la válvula de escape
se cerrará y la de admisión se abrirá
otra vez para repetir el proceso de
funcionamiento, que es cíclico.
Funcionamiento
Ciclo teórico del motor·Admisión (A-B): proceso isobárico, la mezcla está a p y T ctes, el
volumen del cilindro aumenta de V1 a V2.
·Compresión (B-C): proceso adiabático, la presión y la temperatura
aumentan de la mezcla, su volumen desciende.
·Combustión (C-D): calentamiento isocórico del motor porque el
combustible le cede calor Q1. La presión y temperatura de la mezcla
crecen.
·Expansión (D-E): proceso adiabático, los gases vuelven a V2 (crece),
descienden su presión y temperatura.
·Apertura de la válvula de escape (E-B): enfriamiento isocórico del
motor al perder calor Q2. Se vuelve a los valores P1 y T1.
·Escape (B-A): el volumen del cilindro pasa de V2 a V1.
Parámetros del motorNÚMERO DE CILINDROS (Z)
DIÁMETRO (D): Diámetro interior del cilindro (mm).
CARRERA (S): Distancia entre el PMS al PMI (mm).
VOLUMEN DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN (Vc): Volumen que ocupa la mezcla
cuando el pistón está en el PMS durante la fase de compresión (, mm^3).
RÉGIMEN DE GIRO (n): Número de revoluciones por minuto a las que gira el motor (n, rpm)
RELACIÓN CARRERA-DIÁMETRO: S/D
CILINDRADA UNITARIA (VD):
CILINDRADA TOTAL (VT):
RELACIÓN VOLUMÉTRICA DE COMPRESIÓN (r):
Par motor y potencia
P: potencia , WM: par motor, N·mω: velocidad de giro, rad/s
A: par máximo.B: potencia máxima.
El motor de explosión de dos tiempos
Motor de combustión interna con encendido provocado (MEP) cuyo proceso de funcionamiento se desarrolla en dos carreras de
pistón.
Dos tiempos vs cuatro tiempos·Las lumbreras quedan cerradas o abiertas por el movimiento del pistón.·La mezcla no entra directamente al cilindro, pasa primero por el cárter.·Abertura entre el cárter y el cilindro (lumbrera de transferencia).VENTAJAS·Sustitución de las válvulas de admisión y escape por lumbreras; es ventajoso porque las primeras se desgastan demasiado y los segundos funcionan mejor.·Mayor potencia.
INCONVENIENTES·Menor rendimiento mecánico.·Mayor temperatura de funcionamiento y mayor desgaste de sus órganos por una mayor frecuencia de combustión.·Se añaden aditivos a la mezcla, contamina más.
FuncionamientoADMISIÓN-COMPRESIÓN
El cigüeñal gira 180º y arrastra al
pistón desde el PMI al PMS, que
comprime la mezcla de
combustible y aire que hay en el
cilindro.
Simultáneamente se abre la
lumbrera de admisión para que
entre nuevo combustible en el
cárter, la lumbrera de escape
permanece cerrada.
Cuando el pistón llega al PMS
salta la chispa de la bujía y se inicia
el proceso de combustión.
EXPANSIÓN-ESCAPE
Con la combustión de la mezcla los
gases resultantes ejercen una
presión sobre el pistón, bajando
hasta el PMI mientras arrastra el
cigüeñal. Este da media vuelta.
La lumbrera de escape se abre y
los gases son liberados, a su vez se
descubre la lumbrera de
transferencia y la mezcla
introducida antes en el cárter
entra en el cilindro para expulsar
los gases restantes.
Parámetros del motorNÚMERO DE CILINDROS (Z)
DIÁMETRO (D): Diámetro interior del cilindro (mm).
CARRERA (S): Distancia entre el PMS al PMI (mm).
VOLUMEN DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN (Vc): Volumen que ocupa la mezcla
cuando el pistón está en el PMS durante la fase de compresión (, mm^3).
RÉGIMEN DE GIRO (n): Número de revoluciones por minuto a las que gira el motor (n, rpm)
RELACIÓN CARRERA-DIÁMETRO: S/D
CILINDRADA UNITARIA (VD):
CILINDRADA TOTAL (VT):
RELACIÓN VOLUMÉTRICA DE COMPRESIÓN (r):
El motor DieselMotor térmico de combustión
interna con encendido por compresión (MEC) cuyo funcionamiento puede
desarrollarse en dos o en cuatro carreras de pistón.
Funcionamiento: ID de cuatro tiempos
Funcionamiento: ID de cuatro tiempos
1- ADMISIÓN
El pistón baja desde el PMS
arrastrado por el cigüeñal, por
lo que se produce una depresión
en el cilindro que se aprovecha
para llenarlo de combustible y
aire por la válvula de admisión,
que permanece abierta.
Cuando el pistón llega al PMI
finaliza esta fase. El cigüeñal ha
girado 180º y la válvula de
admisión se cierra.
2- COMPRESIÓN
El pistón va del PMI al PMS
arrastrado por el movimiento
del cigüeñal. Las dos válvulas
están cerradas; el aire se
comprime y su temperatura
asciende.
Cuando llega al PMS se
inyecta pulverizado el
combustible, que se inflama en
contacto con el aire caliente.
El cigüeñal ha girado otros
180º, finaliza la segunda
etapa.
Funcionamiento: ID de cuatro tiempos
3- EXPANSIÓN
Las dos válvulas continúan
cerradas, luego toda la presión
de la combustión se aplica sobre
el pistón, que desciende
bruscamente hasta el PMI y
arrastra así al cigüeñal. Este
realiza el trabajo útil.
Cuando el pistón llega al PMI
finaliza la tercera carrera. El
cigüeñal gira nuevamente 180º
(vuelve a la posición inicial) y la
válvula de escape se abre.
4- ESCAPE
El movimiento del cigüeñal
arrastra al pistón desde el
PMI al PMS, la válvula de
escape se abre y salen los
gases quemados; finaliza la
cuarta carrera.
Se cierra y se abre la de
admisión para iniciar un
nuevo ciclo. Parte del
combustible se ha quemado
ya en la precámara.
Parámetros del motorNÚMERO DE CILINDROS (Z)
DIÁMETRO (D): Diámetro interior del cilindro (mm).
CARRERA (S): Distancia entre el PMS al PMI (mm).
VOLUMEN DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN (Vc): Volumen que ocupa la mezcla
cuando el pistón está en el PMS durante la fase de compresión (, mm^3).
RÉGIMEN DE GIRO (n): Número de revoluciones por minuto a las que gira el motor (n, rpm)
RELACIÓN CARRERA-DIÁMETRO: S/D
CILINDRADA UNITARIA (VD):
CILINDRADA TOTAL (VT):
RELACIÓN VOLUMÉTRICA DE COMPRESIÓN (r):
Diesel vs MEP cuatro tiemposVENTAJAS:·Mayor rendimiento térmico.·Menor consumo y coste del combustible.·Mayor vida útil.·Menor contaminación.
DESVENTAJAS:·Motor más pesado.·Mayor coste de construcción.·Mayor ruido.
El motor rotativo Wankel
Motor térmico de combustión interna con encendido
provocado (MEP) y movimiento de pistón rotatorio, cuyo
funcionamiento se desarrolla en cuatro carreras de pistón.
Partes·ESTÁTOR: cuerpo fijo de interior elíptico.
·ROTOR: pieza en forma de triángulo equilátero de lados curvilíneos que se mueve dentro del estátor. Sus vértices (a, b, c) están en contacto permanente con sus paredes, delimitando tres cámaras por las que pasa el combustible.
·PIÑÓN: rueda dentada solidaria con el eje motor que engrana con la corona dentada del rotor.
·BUJÍA: hace saltar la chispa sobre el combustible.
·LUMBRERA DE ADMISIÓN Y LUMBRERA DE ESCAPE: aperturas al interior del motor, situadas a cada lado del rotor.
Funcionamiento
FuncionamientoADMISIÓN
Por la lumbrera de escape salen los gases del ciclo anterior. La cámara va aumentando de volumen conforme gira el rotor y por la lumbrera de admisión se introduce nueva mezcla.
COMPRESIÓN
Se cierra la lumbrera de admisión y la cámara reduce su volumen, comprimiendo la mezcla.Cuando se alcanzan los valores máximos la bujía echa una chispa y se produce la combustión.
EXPANSIÓN
Por la presión de los gases resultantes el rotor es empujado bruscamente. Esto se le transmite al eje motor.Se produce el trabajo útil.
ESCAPE
Se descubre la lumbrera de escape y los gases van saliendo al exterior, empujados por el movimiento del rotor.
Wankel vs pistón alternativo de cuatro tiempos.
VENTAJAS·Suavidad de funcionamiento.·Menor peso y volumen.·Sencillez mecánica.·Reducido coste de fabricación.
DESVENTAJAS·Pueden darse problemas de estanqueidad entre las cámaras.·Problemas de contaminación por los gases de escape.
COMBUSTIBLESSustancia, comúnmente
hidrocarburo, que reacciona con el oxígeno del aire produciendo
una gran cantidad de calor.
PropiedadesPODER CALORÍFICO (Hc): cantidad de calor desprendido por unidad de combustible en
una combustión completa.
VOLATILIDAD: tendencia a evaporarse.
INFLAMABILIDAD: tendencia a reaccionar por algún agente externo (p oT elevadas).
TEMPERATURA DE AUTOINFLAMACIÓN: temperatura mínima a la cual el
combustible reacciona sin la intervención de un agente externo.
DOSIFICACIÓN ESTEQUIOMÉTRICA: relación de masas de los reactivos para que no
haya reactivo sobrante.
NÚMERO DE OCTANO (NO): tendencia a detonar.
NÚMERO DE CETANO (NC): tendencia a la autoinflamación.
ContaminaciónLa emisión de gases y productos tóxicos procedentes de la combustión produce una gran contaminación.
Para paliar este problema se puede alterar la composición de los combustibles y el diseño del motor o sustituirlos por biocombustibles y motores híbridos ; también se suelen utilizar catalizadores para neutralizar sustancias como CO, los óxidos de nitrógeno y los HC no quemados.
MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN, ESPERO QUE HAYAN COMPRENDIDO EL
TEMA.
FUENTE:Monserrate Jesus Escorihuela. Tecnologi a Industrial II, Bachillerato. Barcelona: Edebe, 2009.
Presentación ya disponible en:
http://laventanadetecnologia.weebly.com/
