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UNIDAD III MOTORES DE COMBUSTIÓNINTERNA

Un motor de combustión interna, motor a explosión o motor a pistón, es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química de un combustible que arde dentro de la cámara de combustión. Su nombre se debe a que dicha combustión se produce dentro de la propia máquina.

3.1 CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN

INTERNA.

• EL MOTOR DE EXPLOSIÓN CICLO OTTO, cuyo nombre proviene del técnico alemán que lo desarrolló, Nikolaus August Otto, es el motor convencional de gasolina, aunque también se lo conoce como motor de ciclo Beau de Rochas debido al inventor francés que lo patentó en 1862.

• EL MOTOR DIÉSEL, llamado así en honor del ingeniero alemán nacido en Francia Rudolf Diesel funciona con un principio diferente y suele consumir gasóleo.

• LA TURBINA DE GAS.• EL MOTOR ROTATORIO.

Se clasifican en:

De dos tiempos (2T): efectúan una carrera útil de trabajo en cada giro.

De cuatro tiempos (4T): efectúan una carrera útil de trabajo cada dos giros.

Existen los diésel y gasolina, tanto en 2T como en 4T.

CLASIFICACIÓN POR EL CICLO

El motor cíclico Otto, cuyo nombre proviene del técnico alemán que lo inventó, Nikolaus August Otto, es el motor convencional de gasolina que se emplea en automoción y la gran mayoría de los motores endotérmicos que son a cuatro tiempos y su funcionamiento comprende las fases siguientes:

3.2 MOTOR OTTO

Es cuando el pistón baja desde el punto muerto superior hasta el punto muerto inferior aspirando la mezcla (aire + combustible). La válvula de admisión se abre antes de iniciarse la carrera para que pase la mezcla, cerrándose después de la carrera. En este tiempo el cigüeñal ha girado media vuelta.

PRIMER TIEMPO: ADMISIÓN

En el tiempo de compresión las válvulas están cerradas. El pistón vuelve a subir, comprimiendo la mezcla hasta el punto muerto superior. En este instante, el volumen de la carga queda reducido a una fracción del volumen y el cigüeñal ha girado media vuelta.

SEGUNDO TIEMPO: COMPRESIÓN

En este tiempo se produce el encendiendo de la mezcla por medio de una chispa eléctrica o también el encendido espontaneo del combustible inyectado en la cámara de combustión, y por consecuencia aumenta la temperatura y la presión, por lo que los gases de combustión se expanden empujando hacia abajo el pistón al punto muerto inferior. Mientras la válvula de escape antes de completarse la carrera empieza abrirse y los gases empiezan a salir y el cigüeñal ha girado otra media vuelta y produce trabajo.

TERCER TIEMPO: COMBUSTIÓN Y

EXPANSIÓN

En este cuarto tiempo el pistón vuelve a subir al punto muerto superior, expulsando los gases por la válvula de escape, al llegar a este punto se cierra la válvula de escape y se abre la admisión comenzando un nuevo ciclo, y por último el cigüeñal gira otra media vuelta.

CUARTO TIEMPO: ESCAPE

El motor diésel es un motor térmico que tiene combustión interna alternativo que se produce por el autoencendido del combustible debido a altas temperaturas derivadas de la compresión del aire en el interior del cilindro, según el principio del ciclo del diésel

3.3 MOTOR DIESEL

FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DIÉSEL

A diferencia del motor de gasolina, el motor diésel funciona por autoencendido. Por el proceso de compresión se calienta el aire aspirado en los cilindros a una temperatura de entre 700 y 900 ºC aproximadamente, lo cual provoca un encendido automático al inyectar combustible. Por lo tanto, un motor diésel necesita una mayor compresión (relación de compresión 20-24:1) y una estructura más estable que el motor de gasolina. Para alcanzar la temperatura necesaria incluso en condiciones de funcionamiento adversas (arranque en frío o helada), deberá aplicarse más calor a la cámara de combustión..

El ciclo diesel difiere del ciclo Otto en que la combustión tiene lugar en este último a volumen constante en lugar de producirse a una presión constante. La mayoría de los motores diésel son asimismo del ciclo de cuatro tiempos, salvo los de tamaño muy grande, ferroviarios o marinos, que son de dos tiempos. Las fases son diferentes de las de los motores de gasolina.

CICLO DIESEL

Los motores diésel grandes de 2T suelen ser motores lentos con velocidades de cigüeñal de 100 a 750 revoluciones por minuto (rpm o r/min) (grandes barcos), mientras que los motores de 4T trabajan hasta 2.500 rpm (camiones y autobuses) y 5.000 rpm. (automóviles)

En la primera carrera, la de admisión, el pistón sale hacia fuera, y se absorbe aire hacia la cámara de combustión. En la segunda carrera, la fase de compresión, en que el pistón se acerca. el aire se comprime a una parte de su volumen original, lo cual hace que suba su temperatura hasta unos 850 °C

TIEMPOS DEL CICLO DIESEL

Al de la fase de compresión se inyecta el combustible a gran presión mediante la inyección de combustible con lo que se atomiza dentro de la cámara de combustión, produciéndose la inflamación a causa de la alta temperatura del aire. En la tercera fase, la fase de trabajo, los gases producto de la combustión empujan el pistón hacia fuera, trasmitiendo la fuerza longitudinal al cigüeñal a través de la biela, transformándose en fuerza de giro par motor. La cuarta fase es, al igual que en los motores Otto, la fase de escape, cuando vuelve el pistón hacia dentro.

Sistema mecánico de inyección:Este sistema de inyección para combustibles líquidos, utilizado comúnmente en los motores Diesel, es un sistema de inyección a alta presión (en el orden de los 200 Kg/cm2).

Sirve para inyectar, de acuerdo a la secuencia de encendido de un motor, cierta cantidad de combustible a alta presión y finamente pulverizado en el ciclo de compresión del motor, el cual, al ponerse en contacto con el aire muy caliente, se mezcla y se enciende produciéndose la combustión.

3.4 SISTEMAS AUXILIARES

Este sistema consta fundamentalmente de una bomba de desplazamiento positivo con capacidad para inyectar cantidades variables de combustible dada por un diseño especial de los émbolos y con un émbolo por inyector o cilindro del motor. El otro componente importante es el inyector propiamente dicho encargado de la inyección directamente en la cámara de combustión (inyección directa) o en una cámara auxiliar (inyección indirecta).

La mayoría de los autos en la actualidad cuentan con motores consistemas de enfriamiento por agua (algunos como el VW Sedán es enfriado por aire). Estos sistemas se encargan de enfriar un líquido refrigerante y hacerlo circular dentro del block y la cabeza del motor para enfriarlo y mantenerlo en una temperatura que le permita operar como debe.

SISTEMA DE ENFRIAMIENTO

Estos sistemas se componen de una bomba (bomba de agua), un radiador, un depósito de exceso, el sistema de circulación y, por supuesto, del líquido anticongelante.

Al principio, los sistemas de enfriamiento utilizaban agua común para enfriar los elementos; sin embargo, ésta es corrosiva y sus puntos de congelación (0°C) y de ebullición (100°C) permiten la congelación y ebullición del agua en determinadas condiciones.

No sólo es imposible hacer fluir hielo por el sistema de enfriamiento, sino que el agua al congelarse se expande causando aún más daño al sistema. Este líquido lleva el punto de congelación de 0°C a -37°C o hasta -55°C, dependen do de si se trata de una mezcla de 50% anticongelante y 50% agua o de una mezcla 70/30 de los mismos líquidos.

Las propiedades antiebullentes de estos líquidos los llevan a tener une temperatura de ebullición de 106°C a 113°C dependiendo de si se trata de una mezcla 50/50 o 70/30.

Ya sabiendo de qué se trata el elemento líquido en nuestro sistema de enfriamiento, podemos hablar de los demás componentes.

Este sistema provee la energía eléctrica necesaria para producir el encendido de la mezcla combustible.

Su importancia radica en que su presencia garantiza el inicio de la combustión en los motores que funcionan bajo el principio del ciclo Otto, produciendo una chispa que enciende la mezcla combustible.

La función principal es la de convertir energía eléctrica de baja tensión en alta tensión y distribuirla a cada uno de los cilindros del motor.

Consta básicamente de: un generador de corriente o batería, un arrollamiento primario, un interruptor mecánico, un condensador, arrollamiento secundario, un distribuidor y bujías.

SISTEMAS DE ENCENDIDO

La propulsión es un sistema capaz de imprimir velocidad creciente o aceleración a un cuerpo, mediante un dispositivo que expele materia (denominado motor cohete). El concepto “propulsión” puede ser usado con otras muchas palabras, tales como: chorro de cohete o nave espacial, de esta forma se tiene “propulsión a chorro”, “propulsión de cohetes”, o “propulsión de nave espacial” etc.

MOTORES DE PROPULSIÓN A CHORRO

La propulsión a chorro tiene como principio básico la presurización de un recipiente el cual contiene algún elemento llamado masa reactiva, misma que como su nombre lo indica reacciona a la impresión o aplicación de energía.

Existen diversas aplicaciones sobre la propulsión a chorro, aunque por las proporciones de la misma, la energía que se imprime y el resultado que nos da, pasan desapercibidas en nuestras vidas diarias. Por ejemplo una cerbatana, una olla de vapor, artículos en aerosol, etc.

Para generar una gran cantidad de impulso por segundo, se debe emplear una gran cantidad de energía por segundo. De esta forma un motor altamente eficiente requiere grandes cantidades de energía para proporcionar grandes cantidades de empuje. Como resultado, la mayoría de los motores se diseñan para proporcionar bajos niveles de empuje.

Un motor de este tipo se puede concebir como una caja negra a la que se le mete por un lado unos gases (aire en nuestro caso) a una velocidad v0 y salen estos gases (un poco cambiados) por el otro lado a una velocidad v0 + Vadicional = vs . Es decir, hemos cogido unos gases y les hemos comunicado una velocidad, hemos cambiado su cantidad de movimiento.

3.6 ANÁLISIS ENERGÉTICO DE LAS TURBINAS DE GAS

Un motor de combustión interna es una máquina que transforma energía mediante el siguiente proceso:

Energía química ------ Energía térmica ----- Energía mecánicaCombustible ------ Combustión ----- Desplazamiento del pistónLa energía contenida en el combustible se transforma en calor mediante la combustión. De este modo, al aumentar la temperatura de los gases, hacemos que aumente la presión dentro del cilindro (los gases aumentan de volumen al subir de temperatura y viceversa); lo que hace que mueva el pistón, obteniéndose energía mecánica.

3.7 Rendimientos, potencia y selección

La ecuación para calcular el balance de rendimiento (al que llamamos η) es ésta:

Energía obtenidaη = ______________ . 100 (%)Energía aportada

El rendimiento del motor será mayor cuanto menos sean las pérdidas durante la transformación.

Pérdidas de energía

- Pérdidas de calor: Producidas por el sistema de refrigeración, la radiación de calor al exterior y los gases de escape.

- Pérdidas mecánicas: Rozamiento de piezas en movimiento y accionamiento de dispositivos auxiliares (bomba de agua, bomba de aceite, etc.).

- Pérdidas químicas: Motivadas por una combustión incompleta (mala carburación, mal reglaje de válvulas, etc.).

Tipos de rendimiento

- Rendimiento térmico:El rendimiento térmico será mayor cuanto más alta sea la temperatura alcanzada y menores sean las pérdidas de calor.

Las pérdidas de calor a través de los gases de escape suponen el 35% en los motores Otto y el 30% en los motores Diesel:

Por el sistema de refrigeración se evacua aproximadamente el 30% del calor en ambos motores.

Del 100% de la energía calorífica que posee el combustible, los motores de combustión interna sólo son capaces de transformar entre el 35% y el 50%. ¿Preocupante, verdad?

- Rendimiento de motores Otto: de 35% a 40%.- Rendimiento de motores Diesel: de 40% a 50%.

Rendimiento mecánico

Se podría expresar como la relación que existe entre la potencia efectiva que se obtiene en el eje del motor y la potencia indicada que se obtiene en el diagrama de trabajo, el cual expresa el trabajo interno obtenido dentro del cilindro y en el que no intervienen las pérdidas mecánicas.

El conjunto de pérdidas mecánicas supone entre un 10% y un 15%.

Rendimiento efectivo

Balance final de pérdidas:

Motores Otto:- Pérdidas térmicas: 60% - 65%- Pérdidas mecánicas: 10% - 15%- Total pérdidas: 70% - 75%- Rendimiento efectivo: 25% - 30%

Motores Diesel- Pérdidas térmicas: 50% - 60&- Pérdidas mecánicas: 10% - 15%- Total pérdidas: 60% - 70%- Rendimiento efectivo: 30% - 40%

Rendimiento volumétrico

Se puede definir como la eficacia con que se logra llenar el cilindro. Se expresa como la relación entre la masa de gas que es introducida en el cilindro y la masa que teóricamente cabe en el cilindro.

El llenado de los cilindros influye directamente sobre el par y, por tanto, sobre la potencia desarrollada por el motor, ya que cuanto mejor sea llenado, más energía se obtiene de la combustión.

La presión interna del cilindro al final de la carrera de compresión es siempre inferior a la atmosférica y está entre 0.8 y 0.9 bares. El rendimiento volumétrico máximo está entre el 70% y el 90% y depende de varios factores:

- Régimen de giro- Las condiciones ambientales exteriores, que determinan la densidad del aire.- El diagrama de distribución- La sección de las válvulas y los conductos de admisión- La eficacia de barrido de los gases quemados