TEMA 1 - INTRODUCCION A LOS MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

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TEMA 1 - INTRODUCCION A LOS

MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

Santiago Sanz – Motores - Editorial Editex

Dante Giacosa, Motores Endotérmicos, Editorial Reverte

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Motores térmicos

Los motores térmicos son las máquinas que transforman energía térmica en energía

mecánica, pudiendo usar combustibles líquidos o gaseosos.

Clasificación principal de los motores térmicos

Motores de combustión interna o endotérmicos: motores alternativos o de pistón y

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Motores de combustión externa

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Partes básicas de un motor alternativo

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Motor de ciclo Otto y combustible

Pueden usarse varios combustibles, usualmente se usa

gasolina. También puede usarse Metano, GLP y alcohol.

Dispone de un sistema de encendido eléctrico productor de

chispas.

Su funcionamiento responde al ciclo Otto de dos o cuatro

tiempos.

El combustible

d

ebe mezclarse con el aire en

proporciones aproximadas adecuadas. Por ejemplo para

gasolina es de 14,7 gr de aire con 1 de gasolina.

La gasolina tiene una densidad aprox de 0,71 a 0,76 kg/l

y un poder calorífico de 44.000 kJ/kg (10400 kcal/kg).

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Ciclo de funcionamiento de un motor de ciclo Otto elemental

El ciclo de funcionamiento se compone de 4 etapas bien diferenciadas una de otra

Admisión

C

ompresión

Combustión/expansión

Escape

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Ciclo teórico del motor de ciclo Otto

Admisión: El pistón desciende desde PMS a PMI. La válvula de admisión está abierta y la de escape cerrada.

Compresión: el pistón sube de PMI a PMS. Ambas válvulas están cerradas. La presión final oscila entre 10 y 15 bar.

Expansión y escape: se produce la combustión de la mezcla en el PMS gracias al salto de chispa. El pistón desciende desde PMS PMI. Ambas válvulas están cerradas. La energía liberada se transforma en energía mecánica en el cigüeñal. Esta es la única fase de trabajo que aporta trabajo.

Escape: el pistón sube desde PMI a PMS y el gas residual en el cilindro pasa al exterior. La válvula de escape esta abierta.

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Diagrama p-v del ciclo teórico y del ciclo real (ciclo Otto)

El diagrama teórico se supone que no hay intercambio de calor con el exterior, que la

combustión es instantánea, o sea que los aportes y extracciones de calor son

instantáneas. El área dentro del ciclo ideal representa el trabajo ideal W del ciclo.

El diagrama real presenta muchas diferencias con el diagrama teórico.

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Diagrama p-v real de un ciclo Otto

El diagrama real presenta muchas diferencias con el diagrama teórico.

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Intercambio de gases y diagrama de distribución

El rendimiento del motor depende en gran medida (entre otros parámetros) de la forma y eficiencia con que se renueva la carga en el motor.

Los residuos de combustión deben ser evacuados para dar lugar a la carga fresca entrante en el próximo ciclo.

El intercambio de gases se realiza en un tiempo muy corto, por lo que debe optimizarse el proceso de movimiento de la masa gaseosa y las inercias de la misma.

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Volumen del cilindro

El volumen unitario es el volumen de 1 cilindro del motor.

La cilindrada o volumen total es el unitario multiplicado por la cantidad de cilindros N del motor.

Relacion de compresión:

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Compresión y combustión

Como se verá mas adelante en este curso, se puede calcular el rendimiento térmico del ciclo ideal en función de la relación de compresión Rc.

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Avance de encendido

Como la combustión no es un proceso instantáneo, se debe adelantar un poco el momento de salto de chispa antes del PMS.

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Concepto de cruce de válvulas

El cruce de las válvulas de admisión y escape se produce entre el AAA y el RCE.

Los gases que han adquirido cierta inercia en el escape continúan saliendo a cierta velocidad, a pesar que el pistón se esta deteniendo cerca del PMS.

Esto ocasiona un pequeño vacío en el cilindro, lo que favorece la entrada de gases frescos si es que la VA se esta abriendo en ese momento.

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Concepto de cruce de válvulas

A medida que aumenta el número de vueltas el tiempo necesario para intercambio de gases disminuye, por lo que es necesario aumentar el cruce de válvulas.

Los motores rápidos necesitan un gran cruce de válvulas.

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Motor de ciclo Diesel

En la admisión se introduce únicamente aire

Un sistema de inyección de combustible introduce el combustible pulverizado en la cámara de combustión

La inflamación del combustible se debe al trabajo de compresión del motor sobre el aire admitido que alcanza una alta temperatura.

El ciclo de funcionamiento se realiza en cuatro tiempos

Admisión de aire

Compresión del aire

Inyección, combustión y expansión.

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Combustible para ciclo Diesel

El combustible diesel tiene una densidad de 0,81 a 0,85 kg/l a 15ºC

Poder calorífico de 42000 kJ/kg (10000 kcal/kg)

Nunca debe poseer agua o impurezas para proteger al sistema de inyección.

Su facilidad de inflamación se mide por el Indice de cetano. A mayor índice de cetano menor temperatura de autoinflamación.

La viscosidad aumenta con el descenso de temperatura. Con -25ºC presenta problemas de paso por filtros, dificultad de arranque en frío.

El motor diesel siempre funciona con exceso de aire (al contrario del ciclo Otto que debe respetar la relación aire/combustible).

Al acelerar se aumenta la cantidad de combustible y aumenta la potencia erogada por el motor.

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Motores de inyección directa o indirecta

Los motores de inyección directa inyectan el combustible directamente en la cámara de combustión

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Algunas características del motor diesel

El combustible es inyectado al final del proceso de compresión

Se enciende al contacto del aire a alta temperatura (superior a 500º).

El exceso de aire siempre es el máximo posible

No existe mariposa de aceleración.

Existe un retraso de ignición o encendido, entre el momento de la inyección y el momento que se enciende la primera parte del combustible.

Se colocan bujías de precalentamiento (no producen chispa) para favorecer el arranque en frío.

La constitución básica del motor Diesel es similar al de ciclo Otto, siendo mas robusto en general.

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El ciclo Diesel teórico

En este ciclo el aporte de calor Q1 se hace a presión constante.

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Diagrama de ciclo real Diesel

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Rendimiento del motor Diesel

El rendimiento del motor diesel depende fundamentalmente de la eficacia con la que se realiza la transformación de energía.

Los factores influyentes en esto son:

Relación de compresión.

Presión y temperatura final de combustión y forma en que se desarrolla la combustión.

Valores de compresión aproximados

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Relación de compresión y rendimiento térmico.

El rendimiento térmico real del ciclo diesel es mayor que el rendimiento térmico real del ciclo Otto.

La expresión real de rendimiento térmico es mas compleja que la siguiente, pero esta sirve como aproximación para esta introducción.

En motores de inyección directa la Rc es de 16/1 a 19/1.

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Combustión en el ciclo Diesel

El combustible es inyectado en el final de la carrera de compresión, pero no se inflama en forma instantánea.

El rendimiento de la combustión depende de

Alta temperatura al final de la compresión

Gran turbulencia en el aire comprimido

Buena pulverización del combustible inyectado

Buena cantidad de oxígeno para quemar todo el combustible.

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Fases en la combustión

Fase 1:

– Se produce la inyección con cierto avance al PMS.

– Las primeras gotas se calientan y vaporizan, mientras se acumula combustible en la cámara.

– En el punto B se produce la autoignición. El tiempo AB se llama retraso de encendido. Se tiende a hacer que el retraso sea el menor posible.

– Se reduce el retraso de encendido usando una o mas de las siguientes acciones:

• Usando un combustible con número de cetano adecuado.

• Con alta turbulencia de cámara.

• Regulando el caudal de inyección inicial

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Fases en la combustión

Fase 2:

Se quema violentamente la parte acumulada de combustible, con velocidad de combustión muy rápida.

Se produce una gran subida de presión, de 70 a 90 bar.

Fase 3:

Hay alta temperatura en el cilindro

La inyección continúa y el combustible se va mezclando con el aire y quemándose progresivamente.

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Avance de inyección:

El avance adecuado de inyección compensa el retraso de encendido propio del ciclo diesel.

Se trata de que el final de la combustión el pistón se encuentre lo mas cerca posible del PMS, en su fase de descenso.

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Intercambio de gases

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Sobrealimentación del motor Diesel

Se usa frecuentemente un compresor o turbo-compresor para alimentación de aire de los motores diesel.

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Ventajas de la sobrealimentación

Motores diesel lentos de grandes cilindradas

Mejora en el intercambio de gases

Proporciona el aire suficiente en especial en altas cargas

Motores diesel rápidos con cilindradas menores:

Interesa obtener una buena relación peso/potencia

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Características de los motores Diesel

Motores diesel lentos de inyección directa

Cilindradas de entre 3000 a 18000 cm3 con régimen de giro entre

900 a 2500 rpm

Funcionamiento duro y ruidoso con alto tiempo de retraso de ignición. Se usan inyectores de varios orificios.

Motores usados en camiones, transportes, locomotoras, etc.

Motores diesel rápido de inyección directa

Cilindradas máximas de 3500 cm3

Superan las 4500 rpm y tienen el par motor máximo entre 1800 y 2500 rpm.

Se produce un gran movimiento tipo espiral en su interior que es muy favorable a la mezcla de combustible con el aire. Es común que usen cámaras de combustión integrada al pistón.

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Comparación entre ciclos Diesel y Otto

Motor Diesel

Admisión de la máxima cantidad de aire

Se regula la cantidad de inyección para regular la potencia erogada.

Alto grado de compresión, se alcanzan presiones máximas de hasta 40 bar.

Elevada temperatura al final de la compresión (500º a 600º)

Inyección de combustible entre 250 bar a 2000 bar, según el sistema de inyección.

Autoinflamación del combustible al ser inyectado

Combustión lenta, entre 20º a 40º de giro de cigüeñal.

Presión máxima de combustión entre 70 y 90 bar.

Motor de ciclo Otto

Preparación de la mezcla en determinada proporción.

Se regula la cantidad de aire y de combustible para regular la potencia erogada.

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Ventajas e inconvenientes del diesel respecto al Otto

Ventajas

Mayor rendimiento térmico ya que trabaja con temperaturas mas elevadas.

Menor consumo porque aprovecha mejor la energía del combustible.

Menor contaminación, al ser la combustión mas completa los gases de escape son menos tóxicos.

Inconvenientes

Mayor peso, mas ruidoso y de funcionamiento mas brusco.

Mas caro, por la mayor robustez que requiere su fabricación.

Es menos adaptable a los cambios de régimen que el de ciclo Otto.

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Nociones de rendimiento de los MCI

El motor transforma energía mediante el siguiente proceso

El resultado de este proceso se puede medir mediante el rendimiento η y se define como.

El rendimiento de la máquina dependerá entonces de las pérdidas que aparecen en este proceso.

Pérdidas de calor: refrigeración, radiación, calor en los gases de escape

Pérdidas mecánicas: rozamiento, accionamiento de dispositivos auxiliares, etc.

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Tipos de rendimiento

Como sabemos, hay numerosas pérdidas de energía en el funcionamiento real del motor (tanto diesel como de ciclo Otto) comparado con el funcionamiento definido en el ciclo teórico.

Podemos obtener diferentes tipos de rendimiento en el estudio del funcionamiento de un motor

Los mas importantes están definidos por:

Rendimiento Térmico

Rendimiento Mecánico

Rendimiento Efectivo

Rendimiento volumétrico

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Rendimiento térmico

Se define como la relación entre la potencia efectivamente obtenida P y la potencia térmica del combustible

mt = masa por unidad de tiempo

Q = poder calorífico del combustible

Del 100% de energía disponible en el combustible, los motores solo aprovechas una pequeña parte (rendimiento térmico).

35 a 40% los de ciclo Otto

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Rendimiento mecánico y efectivo

Rendimiento mecánico: Se define como la relación entre la potencia efectiva P que se obtiene en el eje del motor y la potencia indicada Pi que se obtiene en el diagrama de trabajo real del motor (diagrama indicado).

Pérdidas de carácter mecánico

Rozamiento entre aros de pistón y camisa, pistón y camisa y otros rozamientos.

Energía consumida en dispositivos auxiliares como bombas, sistema de distribución, trabajo de bombeo y trabajo de expulsión.

Por lo general las perdidas de este tipo en motores son de 10 a 15%

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Rendimiento volumétrico

Se como puede definir como el grado de eficiencia con que se introduce la carga fresca al cilindro o grado de llenado.

Es la relación entre la masa de aire Ma introducida realmente al cilindro y la masa de aire Mc calculada en base a las dimensiones del cilindro.

El grado de llenado influye directamente sobre la potencia erogada por el motor y es variable con el número de vueltas del motor.

Depende de:

Régimen de giro

Condiciones ambientales

Sección de válvulas y conductos

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Parámetros característicos de MCI

Las características que definen la prestaciones de los motores son:

Par motor: medido en N.m

Potencia: medida en kW o CV (adicionalmente en Hp)

Consumo específico: medido en g/kW.h

El par motor dependerá de la fuerza resultante sobre la superficie del pistón y el brazo de palanca de la fuerza aplicada sobre el cigüeñal.

La presión media efectiva (pme) es un parámetro muy importante para entender esto.

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Presión media efectiva (pme)

La presión dentro del cilindro no es constante. Es útil contar con una medida de presión constante para hacer los cálculos mas fácilmente.

La p.m.e resulta de hallar la presión media dentro del cilindro durante el tiempo de combustión y expansión.

Mientras mayor sea la p.m.e mejor será el par motor obtenido en el eje del motor.

La p.m.e depende fundamentalmente de:

Grado de llenado de los cilindros

Eficacia de la combustión.

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Curvas de par motor y potencia

La potencia del motor de CI esta dada por

Factores que determinan la potencia de un motor: los factores mas importantes que determinan la potencia de un motor son:

Cilindrada

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Consumo especifico de combustible - Ce

Es un parámetro muy importante y útil de un MCI. Expresa la relación entre la masa de combustible consumida y la potencia entregada por unidad de tiempo.

El Ce depende fundamentalmente de dos factores primordiales:

Rendimiento térmico: aumenta con la relación de compresión ya que se consiguen mayores temperaturas. Por eso los motores diesel tienen consumos específicos menores que los motores Otto.

Rendimiento volumétrico: el ηv disminuye a medida que aumenta el régimen de giro por o que el

consumo Ce también aumenta. Por lo general el mínimo Ce se obtiene en en la zona de par máximo, que coincide con el máximo de rendimiento volumétrico y máxima p.m.e..

Valores promedio de Ce para Diesel y Otto

Motores Otto: 280 a 320 g/kW.h

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Potencia al freno y potencia específica

Potencia al freno o potencia efectiva:

Se calcula a partir del par motor obtenido en banco o freno dinamométrico. Es la que consigna el fabricante referida a un régimen de giro determinado

Ejemplo

Potencia máxima: 130 kW / 5400 rpm (llamada potencia nominal)

Par motor máximo: 127 Nm / 3500 rpm

Potencia específica: es la relación entre la potencia efectiva máxima obtenida con su cilindrada o con su peso.

Potencia por litro: P/V (kW/L)

Potencia por kg: P/m (kW/kg)

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Curvas características del motor

Es el grupo de curvas de Potencia, par

motor y Ce que se determina a partir del

ensayo en freno dinamométrico a plena

carga.

A partir del punto B la pendiente es menos

pronunciada, pues el par motor desciende

pero el régimen de motor continúa

creciendo.

Después de alcanzado el máximo de

potencia decrece rápidamente pues el

η

v

es

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Definición de elasticidad de motor

Supóngase un motor funcionando en el punto A,

de forma estable. Si la pendiente del camino, por

ejemplo aumenta y el conductor mantiene el

acelerador en su lugar, el régimen de giro del

motor descenderá hasta el punto B.

El motor en el punto B posee una par motor mayor

que el punto A, debido a que esta dentro de la

zona delimitada por ambos máximos de par motor

y potencia.

Mientras mas separados estén estos dos puntos,

se dice que el motor es mas elástico.

Elasticidad de régimen: E

n

= n

Pmax

/ n

Mmax

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Disposición de los cilindros en el motor

Los MCi pueden construirse con formatos monocilíndricos o pluricilíndricos.

Por lo general, los motores de mas de 500 cm3 se construyen con mas de un cilindro en muchos formatos posibles.

El mas usado en vehículos es el motor de 4 cilindros en línea, entre 2000 y 3000 cm3 y para cilindradas superiores a 4000 cm3 se usan los motores en V.

Motores para turismos:

Se tiende a cilindradas unitarias pequeñas (< 500 cm3).

Se obtiene mayor potencia específica, pues los componentes son mas livianos y se pueden lograr mayores revoluciones de motor.

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Intervalo entre cilindros y disposición

Para obtener un reparto lo mejor posible de los tiempos o fases de funcionamiento de un motor (por ejemplo de 4 cilindros en línea) se construye el mismo de manera de repartir la carrera motriz a lo largo de los 720º de giro de cigüeñal.

4 cilindros - 1 impulso cada 180º = (720º/4)

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Numeración de los cilindros

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Número de cilindros y orden de encendido

La forma del cigüeñal y la disposición de cada muñequilla depende de la cantidad de cilindros y tipo de motor.

Intervalos entre encendidos

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Número de cilindros y orden de encendido

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Número de cilindros y orden de encendido

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Orden de encendido

Resumen de orden de encendido posible para diferentes tipos de motores

Motor en línea

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