ACTIVIDADES DE APLICACIÓN
1. Datos: D 81 mmS 79 mm
Para calcular la relación carrera-diámetro, dividimos la carrera S entre el diámetro D:
79 mm
S/D –––––––0,975 81 mm
Para determinar la cilindrada, calculamos el volumen del cilindro entre el PMI y el PMS:
D2S 3,14(81 mm)279 mm
V ––– –––––––––––––––––––––––––––
4 000 4 000
406,88 cc
La relación carrera-diámetro es 0,975y la cilindrada, 406,88 cc.
2. Datos: VC 42 cc
VD406,88 cc (de la actividad anterior) La relación volumétrica de compresión r es el cocien-te entre el volumen total del cilindro (VCVD) y el vo-lumen de la cámara de compresión (VC).
VCVD 42 cc 406,88 cc
r –––––––––––––––––––––––––––10,68
VC 42 cc
La relación volumétrica de compresión es 10,68.
3. Datos:
Conocidos la cilindrada total y el número de cilindros, determinamos la cilindrada unitaria (VD). A partir de
este dato y de la relación de compresión r, averigua-mos el volumen de la cámara de combustión, VC, se-gún la expresión: VCVD r ––––––––– VC rVCVCVD rVCVCVD VC(r1)VD VD VC–––––– r 1 Opel Astra 1.6 16 V: VT 1 598 cc VD–––––––––––399,5 cc Z 4 VD 399,5 cc VC–––––––––––––––42,05 cc r 1 10,5 1 VW Golf 1.6: VT 1 595 cc VD–––––––––––398,75 cc Z 4 VD 398,75 cc VC––––––––––––––––43,34 cc r 1 10,2 1 Peugeot 607: VT 2 946 cc VD––––––––––––491 cc Z 6 VD 491 cc VC–––––––––––––––51,68 cc r 1 10,5 1
Los volúmenes de las cámaras de combustión son, res-pectivamente, 42,05 cc para el Opel Astra 1.6 16 V; 43,34 ccpara el Volkswagen Golf 1.6; y51,68 cc pa -ra el Peugeot 607.
4. Si trazamos una línea vertical que pase por la abscisa 3 500 rpm, obtendremos los puntos de corte con las curvas de par y de potencia.
— La ordenada del punto de corte con la curva de par se lee en el eje de la derecha, y resulta ser 225 Nⴢm.
— La ordenada del punto de corte con la curva de potencia se lee en el eje de la izquierda y resulta ser 112 CV.
Motores térmicos
4
PARÁMETRO OPEL ASTRA VW GOLF PEUGEOT 607
Z 4 4 6 S 81,5 77,4 82,6 D (mm) 79 81 87 S/D 1,03 0,95 0,94 VT(cc) 1 598 1 595 2 946 r 10,5 10,2 10,5
5. Datos:
Para calcular el volumen de la cámara de compresión aplicaremos la misma expresión que hemos deduci-do en la actividad 3: VD VC–––––– r1 Motocicleta de competición: VD 331 cc VC–––––––––––––––30,93 cc r1 11,71 Ciclomotor de paseo: VD 49 cc VC––––––––––––––4,9 cc r 1 11 1
El volumen de la cámara de compresión del motor de la motocicleta de competición es 30,93 cc,y el del motor del ciclomotor de paseo, 4,9 cc.
6. Datos: D 85 mm S 66 mm
r 11,7 (de la actividad anterior)
Calcularemos primero la nueva cilindrada, VD, y, a
par-tir de ella, determinaremos el volumen de la cámara de compresión: D2S 3,14(85 mm)266 mm VD–––––––––––––––––––––––––––––– 4 000 4 000 374,33 cc VD 374,33 cc VC––––––––––––––––35 cc r 1 11,7 1
La nueva cilindrada resulta ser 374,33 cc y el volumen de la cámara de compresión, 35 cc.
7. Diferencias estructurales:
— El motor Diesel carece de bujías y, en su lugar, dis-pone de inyectores de combustible.
— La cámara de combustión suele estar labrada en la parte superior del pistón.
— Algunos motores Diesel poseen bujías de incan-descencia para el calentamiento inicial del com-bustible.
— La relación de compresión de un motor Diesel es notablemente superior a la de un motor MEP. — Existe una precámara de combustión en la que
se quema parte del combustible. El resto pasa a la cámara de combustión principal.
Diferencias de funcionamiento:
— El combustible del motor Diesel ha de ser preca-lentado antes de ser inyectado en los cilindros. — En la fase de admisión, el cilindro se llena sólo de
aire.
— El combustible finamente pulverizado se inyecta al final de la fase de compresión.
— La autoinflamación del combustible se produce por compresión, sin que medie ningún elemento ex-terno.
8. Datos:
Para averiguar el volumen de la cámara de combus-tión, procederemos del mismo modo que en la activi-dad 3, sabiendo que:
VD VC–––––– r1 PARÁMETRO O MAGNITUD MOTOCICLETA COMPETICIÓN CICLOMOTOR PASEO Z 1 1 VT(cc) 331 49 S (mm) 64 31 D (mm) 83,2 44 S/D 0,76 0,70 r 11,7 11 Pmáx(CV) 50 7 n Pmáx(rpm) 8 000 8 000 PARÁMETRO O MAGNITUD AUDI A6 2.5 TDI RENAULT LAGUNA RXE 1.9 Z 6 4 VT(cc) 2 496 1 870 S (mm) 86,4 90 D (mm) 78,3 80 r 19,5 18,3 Pmáx(CV) 150 100 n Pmáx(rpm) 4 000 4 000 Parmáx(Nm) 310 204 n Parmáx(rpm) 1 500-3 200 2 000
Audi A6 2.5 TDI: VT 2 496 cc VD––––––––––––416 cc Z 6 VD 416 cc VC–––––––––––––––22,48 cc r 1 19,5 1
Renault Laguna RXE 1.9: VT 1 870 cc VD–––––––––––467,5 cc Z 4 VD 467,5 cc VC–––––––––––––––27,02 cc r 1 18,3 1
El volumen de la cámara de combustión del Audi A6 2.5 TDI es de 22,48 ccy el del Renault Laguna RXE 1.9, 27,02 cc.
9. El gasóleo es más estable que la gasolina frente al ca-lor porque, a temperatura ambiente, no se inflama. Por este motivo, en caso de derrame, el peligro de autoin-flamación es menor.
10. La tendencia a la detonación viene dada por el nú-mero de octano (NO). A mayor octanaje, menor ten-dencia a la detonación.
El combustible menos detonante es la gasolina súper porque tiene el NO más elevado (98).
11. Motor es toda máquina que transforma cualquier tipo de energía (química, hidráulica, eléctrica...) en ener-gía mecánica.
Atendiendo al elemento que proporciona la energía, los motores se clasifican en tres grandes grupos: los que utilizan la energía de un fluido (líquido o gas), los que utilizan la energía de un sólidoy los que utilizan formas especiales de energía.
— Entre los que utilizan la energía de un fluido des-tacan los motores eólicos, los hidráulicos, los de aire comprimido y los térmicos.
— Los motores que utilizan la energía de un sóli-doaprovechan la energía potencial de éste para producir trabajo. Ejemplos característicos son los motores de pesas o de resorte y el volante de inercia.
— Dentro del grupo de motores que utilizan formas especiales de energíadestacan los motores eléc-tricos.
12. La potencia absorbida(Pa) es la potencia total que
se suministra al motor, mientras que la potencia útil (Pu) es la potencia que suministra el motor.
La magnitud que las relaciona se denomina rendi-miento() y se define como el cociente entre la po-tencia útil (Pu) y la potencia absorbida (Pa).
Pu ––––
Pa
13. En los motores de combustión externa, ésta se lle-va a cabo en un espacio exterior al motor propiamen-te dicho. Por espropiamen-te motivo, pueden utilizar cualquier tipo de combustible.
El ejemplo más característico es lamáquina de vapor. En cambio, en los de combustión interna, ésta se pro-duce en el interior del motor, por lo que sólo pueden utilizar combustibles volátiles, es decir, que puedan pa-sar fácilmente a fase vapor.
En este grupo distinguimos dos tipos: los motores de encendido por compresión (MEC) y los de encendido provocado (MEP).
— En los de encendido por compresión (MEC), el proceso de combustión se produce por autoinfla-mación del combustible provocada por la eleva-da temperatura ocasionaeleva-da por la compresión, sin que medie causa externa. En este grupo se en-cuentran losmotores Diesel.
— En los de encendido provocado (MEP), el pro-ceso de combustión se inicia por una causa exter-na, generalmente una chispa, y se propaga por toda la cámara de combustión. Estos motores se denominan motores de explosión.
14. Cilindro: espacio en el que se lleva a cabo la admisión, la compresión, la expansión y el escape de la mezcla combustible.
Pistón: pieza que encaja en las paredes del cilindro y que se mueve solidariamente con la biela. Sus movi-mientos alternativos determinan las distintas fases del funcionamiento del motor.
Bujía: dispositivo eléctrico que produce una chispa en el instante de máxima compresión de la mezcla com-bustible.
Cigüeñal: árbol acodado que recibe el impulso de la biela y, posteriormente, le transmite la energía acumu-lada en el volante de inercia.
Biela: pieza rígida solidaria con el pistón y ajustada al cigüeñal. Transforma el movimiento rectilíneo alter-nativo del pistón en movimiento circular del cigüeñal y viceversa.
Válvula de admisión: válvula situada en la parte supe-rior del cilindro por donde le entra la mezcla combus-tible.
Válvula de escape: válvula situada en la parte superior del cilindro por donde salen los gases procedentes de la combustión.
Árbol de levas: árbol provisto de piezas excéntricas denominadas levas, cuya función es abrir o cerrar las válvulas de admisión y escape en el momento opor-tuno.
Correa de distribución: correa dentada de transmisión que permite sincronizar el movimiento de giro del ci-güeñal con el del árbol de levas para que las válvulas se abran y se cierren cuando corresponde.
15. El motor de dos tiemposo dos ciclos, es un motor de combustión interna MEP o MEC (muy poco utili-zado, en este caso), que realiza las cuatro etapas del ciclo termodinámico (admisión, compresión, expan-sión y escape) en dos movimientos o carreras linea-les del pistón, es decir, una vuelta completa del cigüe-ñal. Se diferencia del motor de cuatro tiempos en que éste último realiza las cuatro etapas en dos vueltas completas del cigüeñal.
Su funcionamientoconsta de dos fases:
— Fase de admisión-compresión:el pistón se des-plaza hacia arriba (la culata) desde su punto muer-to inferior (PMI), y en su recorrido deja abierta la lumbrera de admisión.
Mientras la cara superior del pistón realiza la com-presión en el cilindro, la cara inferior succiona la mezcla airecombustible a través de dicha lum -brera.
— Fase de expansión-escape: al llegar el pistón a su punto muerto superior (PMS) se finaliza la com-presión y se provoca la combustión de la mezcla gracias a una chispa eléctrica producida por la bujía.
La expansión de los gases de combustión impul-sa con fuerza el pistón que transmite su movimien-to al cigüeñal a través de la biela. En su recorrido descendente, el pistón abre la lumbrera de esca-pe para que puedan salir los gases de combustión y la lumbrera de transferencia por la que la mez-cla aire-combustible pasa del cárter al cilindro. Cuando el pistón alcanza el PMI empieza a ascen-der de nuevo, se cierra la lumbrera de transferen-cia y comienza un nuevo ciclo.
Para duplicar la velocidad de desarrollo de las fases de un motor de dos tiempos, se utiliza también la par-te inferior del pistón y del motor (cárpar-ter).
El motor de dos tiempos se diferencia del motor de cuatro tiempos en las siguientes características: — Ambas caras del pistón realizan una función si
-multáneamente, a diferencia del motor de cuatro
tiempos en que únicamente es activa la cara su-perior.
— La entrada y la salida de gases al motor se realiza a través de las lumbreras. Este motor carece de las válvulas que abren y cierran el paso de los ga-ses en los motores de cuatro tiempos.
— El cárter del cigüeñal debe estar sellado y cumple la función de cámara de precompresión y bomba succionadora a la vez. En el motor de cuatro tiem-pos, el cárter sirve de depósito del lubricante. — La lubricación, que en el motor de cuatro
tiem-pos se efectúa mediante el cárter, en el motor de dos tiempos se consigue mezclando aceite con el combustible en una proporción que varía entre 2 y 5 %.
Por ello, algunas ventajasson:
— Es más ligero y de construcción más sencilla (sin válvulas, ni árbol de levas, ni correa ni piñones de distribución), por lo que resulta más económico. — Desarrolla más potencia para una misma
cilindra-da y su marcha es más regular.
— Puede operar en cualquier orientación ya que el cárter no almacena lubricante.
— El consumo de combustible es menor a baja ve-locidad, aunque a alta, resulta mayor.
Algunos inconvenientesson:
— El aceite penetra con la mezcla en la cámara de combustión y se quema, lo que puede produ-cir emisiones contaminantes y suciedad dentro del cilindro (carbonilla) que, en el caso de afectar a la bujía, impide el correcto funcionamiento de ésta.
— Su rendimiento es inferior ya que la compresión, en la fase de compresión-admisión, no es entera-mente efectiva hasta que el pistón mismo cierra las lumbreras de transferencia y de escape duran-te su recorrido ascendenduran-te.
— Es más proclive a calentarse y tiene mayor tenden-cia al deterioro de sus componentes.
16. Datos: D 83 mm S 90 mm Z 4
Para determinar la cilindrada, calculamos el volumen del cilindro entre el PMI y el PMS:
D2S 3,14(83 mm)290 mm
VD––––––––––––––––––––––––––––––
4 000 4 000
Para calcular la cilindrada total, multiplicamos la cilin-drada unitaria por el número de cilindros.
VT ZVD4486,7 cc 1 946,8 cc Para calcular la relación carrera-diámetro, dividimos la carrera S entre el diámetro D:
90 mm S/D ––––––––1,08
83 mm
La cilindrada unitaria es 486,7 cc, la cilindrada total, 1 946,8 ccy la relación carrera-diámetro, 1,08. 17. Datos: r 10,3
VD486,7 cc (de la actividad anterior) Para calcular el volumen de la cámara de compresión aplicaremos la misma expresión que hemos deduci-do en la actividad 3:
VD 486,7 cc
VC––––––––––––––––52,33 cc r 1 10,3 1
El volumen de la cámara de combustión del motor de la actividad anterior es 52,33 cc.
18. Datos: Z 6 VT2 946 cc VC51,68 cc
Determinamos primero la cilindrada unitaria, VD. Con este dato y con el volumen de la cámara de combus-tión, VC, calcularemos r: VT 2 946 cc VD––––––––––––491 cc Z 6 VDVC 491 cc 51,68 cc r ––––––––––––––––––––––––––10,5 VC 51,68 cc
La relación volumétrica de compresión del motor es de 10,5.
19. Datos: Z 4 VT1 948 cc r 21,5
Determinamos primero la cilindrada unitaria, VD. A
partir de este dato y de la relación de compresión r, averiguamos el volumen de la cámara de combus-tión, VC: VT 1 948 cc VD––––––––––––487 cc Z 4 VD 487 cc VC–––––––––––––––23,75 cc r 1 21,5 1
El volumen de la cámara de combustión resulta ser de 23,75 cc.
20. El par máximo es la ordenada (leída en el eje de la derecha) del máximo de la curva A, que resulta ser 35 kgm.
Para expresarlo en Nm, basta aplicar el factor de con-versión adecuado.
9,8 Nm
35 kgm–––––––––343 Nⴢm 1 kgm
La potencia máxima es la ordenada (leída en el eje de la izquierda) del máximo de la curva B, que resulta ser 285 CV.
Los regímenes de giro del par y la potencia máximos son las abscisas de los máximos de cada una de las curvas: 4 800 rpm y 7 000rpm, respectivamente. La diferencia de regímenes a los que se alcanza el par máximo (4 800 rpm) y la potencia máxima (7 000 rpm) se explica si tenemos en cuenta que el aumento del número de revoluciones puede compensar la dis -minución del par y permitir que la potencia aumente un poco más.
ACTIVIDADES DE AMPLIACIÓN
21. El número de octano (NO)mide la mayor o la menor tendencia de un combustible a detonar: cuanto mayor es este número, menor es la tendencia a la detonación. Se aplica a los combustibles utilizados en los motores de encendido provocado (MEP), es decir, las gasoli-nas, que deben tener una baja tendencia a la autoin-flamación con el fin de evitar detonaciones.
El número de cetano (NC)mide la tendencia a la
autoinflamación: cuanto mayor es este número, ma-yor es la tendencia del combustible a autoinflamarse. Se aplica a los combustibles utilizados en los motores Diesel (MEC), es decir, los gasóleos, los cuales, al con-trario que en el caso anterior, deben tener una eleva-da tendencia a la autoinflamación, para que no se acu-mulen en el cilindro grandes cantidades de mezcla de aire y combustible.
22. La principal fuente de emisión de agentes contami-nantes de un motor térmico se encuentra en los ga-ses contaminantes emitidos por el tubo de escape del mismo.
En una combustión real destacan:
— Gases tóxicos: como el monóxido de carbono (CO), los óxidos de nitrógeno (NO y NO2) y los óxidos de
azufre (SO2y SO3).
— Otros productos: ciertos aditivos y subproductos no quemados disueltos en los humos.
23. El poder calorífico HCde un combustible es la can-tidad de calor desprendido por unidad de combusti-ble, cuando la combustión es completa.
Su valor varía según que la combustión se lleve a cabo a presión constante o a volumen constante; aunque, en los combustibles más usuales, las dife -rencias son mínimas, por lo que no merece la pena distinguirlas.
El poder calorífico se mide en energía por unidad de masa (kJ/kg) o en energía por unidad de volumen (kJ/dm3o kJ/m3). Por ejemplo:
— Para la gasolina: HC43 900 kJ/kg HC32 050 kJ/dm3
— Para el gasóleo: HC43 500 kJ/kg HC36 000 kJ/dm3
La diferencia de poder calorífico por unidad de masa y por unidad de volumen radica en la densidad de los combustibles (menor que la del agua que, en unida-des del SI, es de 1 000 kg/m3). Así, la gasolina tiene
una densidad de 730 kg/m3, mientras que la del
ga-sóleo es de 827 kg/m3.
24. Analogías:
— El principio de funcionamiento es el mismo: el ci-clo se divide en cuatro fases (admisión, compre-sión, expansión y escape).
— Ambos motores necesitan el concurso de una bu-jía para provocar la ignición de la mezcla com-bustible.
Diferencias:
— El pistón del motor de explosión de cuatro tiem-pos efectúa un movimiento rectilíneo alternativo, mientras que el del motor Wankel lleva a cabo un movimiento circular.
— Los motores de explosión de cuatro tiempos dis-ponen de válvulas de admisión y de escape, mientras que el motor Wankel las sustituye por lum -breras.
— El bloque motor de los motores de explosión de cuatro tiempos, de interior cilíndrico, es sustituido por el estátor del motor Wankel, de interior casi elíptico.
— Un motor Wankel provisto de un solo pistón equi-vale a un motor de explosión de tres cilindros.
25. En el ciclo Diesel el motor funciona por compresión (MEC), el fluido operante al inicio es solo aire, y existe una inyección de combustible que produce la ignición bajo ciertas condiciones de temperatura y presión. No existe bujía que genere chispa, pero el proceso es similar al Otto (MEP).
— Admisión isobárica (0-1):se abre la válvula de admisión, gira el cigüeñal, el pistón se desplaza hacia el punto muerto inferior (PMI) y permite la en-trada de aire dentro del cilindro.
— Compresión adiabática (1-2):se cierra la vál -vula de admisión, gira el cigüeñal, el pistón se desplaza hacia el punto muerto superior (PMS), in -corporando un trabajo negativo, W1, y comprime el aire contenido dentro del cilindro. Idealmente el proceso es isoentrópico (entropía constante). Las válvulas se mantienen cerradas y el pistón se en-cuentra en el PMS dentro del cilindro. En este ins-tante entra el combustible pulverizado y se mez-cla con el aire generando múltiples explosiones que encienden todo el combustible. Se mantiene la pre-sión pero el volumen aumenta (aire combus -tible) y la temperatura también.
— Explosión isobárica (2-3):el combustible pulve-rizado que se ha inyectado, al entrar en contacto con el aire caliente se inflama y la mezcla de ga-ses recibe una cierta cantidad de calor, Q1, pro -cedente de la inflamación del combustible por el aire caliente (foco caliente).
— Expansión adiabática (3-4):idealmente el proce-so es iproce-soentrópico (igual que en el ciclo Otto). Al inflamarse la mezcla (gases de la combustión), se produce una transformación y liberación de la ener-gía química contenida en la misma.
Q1 Q2 W2 V2 V1 W1 0 PMS PMI 2 1 4 3 W V p
La empresa liberada hace que el pistón descien-da rápidescien-damente hacia el PMI completando el giro del cigüeñal, y generando un trabajo positivo, W2. — Expulsión isocórica (4-1):se abre la válvula de escape para eliminar del cilindro los gases produ-cidos en la combustión y, además, ceder calor, Q2, a la atmósfera (foco frío).
— Escape (1-0): el pistón sube de nuevo desde el PMI, desde donde se abre la válvula de escape, para eliminar los residuos de la combustión al ex-terior, hasta que llega al PMS. La válvula se cierra y el ciclo comienza de nuevo.
El trabajo producido en 0-1 se compensa con el con-sumido en 1-0, por lo que se anulan. El balance del trabajo útil total es:
WútilW2W1Q1Q2
26. El carburadores un aparato o elemento mecánico de los motores de explosión (MEP), que se encuentra ubi-cado en la parte superior del motor, y es utilizado para preparar la mezcla de aire-gasolina en la proporción o dosificación adecuada según las condiciones de fun-cionamiento del automóvil.
Su principio de funcionamiento se basa en el efecto Venturi, depresión (o bajada de presión) que produce un fluido cuando se incrementa su velocidad a causa de un estrechamiento y por acción de los pistones en su carrera de bajada hacia el PMI.
Como muestra la figura se compone de:
— Un cuerpo con un estrechamiento por donde pasa el aire.
— Una cuba donde se almacena la gasolina con un nivel constante (controlado por una válvula de agu-ja y un flotador).
— Un surtidor que une la cuba con el cuerpo. — Una mariposa que es accionada por el conductor
desde el acelerador.
El aire pasa por el cuerpo del carburador y, en la zona más estrecha, se acelera creando una depresión que absorbe la gasolina de la cuba por el surtidor princi-pal. La gasolina, al llegar al cuerpo, se mezcla con el aire y entra en el cilindro. La mariposa regula la can -tidad de aire que entra en el cilindro y, por tanto, la depresión creada en el cuerpo y la cantidad de gaso-lina que sube por el surtidor principal. Esto influye en el aumento o disminución de las revoluciones por mi-nuto del cigüeñal.
Existen diferentes tipos de carburadores:
— El de una garganta, que se utiliza en motores de cuatro y seis cilindros y consume poca gasolina. — El de dos gargantas, que también se utiliza en mo-tores de cuatro y seis cilindros, pero produce más potencia aunque consume más gasolina. — El progresivo de dos gargantas, que produce más
potencia que el anterior gracias a un Venturi se-cundario.
— El de cuatro gargantas, que se utiliza en motores de ocho cilindros. En realidad, se trata de dos car-buradores unidos en uno solo.
Los motores actuales ya no utilizan carburador, sino que emplean un nuevo tipo de dispositivo denomi-nado inyector de gasolina.Este inyector se contro-la de forma electrónica para lograr que contro-la pulverización de la gasolina en cada cilindro se realice en la canti-dad realmente requerida en cada momento, con lo que se consigue un mejor aprovechamiento y optimización en el consumo del combustible.
El distribuidoro delco(nombre que corresponde al acrónimo de la empresa estadounidense que lo creó, Dayton Engineering Laboratories Company Ohio), es un elemento del sistema o circuito eléctrico de un motor de explosión (MEP), encargado de repartir la corriente de alta tensión y baja intensidad proceden-te de la bobina de encendido o ignición hasta las bu-jías. Está compuesto de la pipa o dedo y de la tapa o cabeza del distribuidor.
Primario Secundario
Chispa Bujías Platinos
Cuerpo del distribuidor Interruptor de arranque Rotor Condensador Batería Entrada de gasolina Válvula de aguja Bomba de aceleración Cuba Ventilación de la cuba Tubo de emulsión (compensador) Surtidor Estrangulador Difusor (venturi) secundario Difusor (venturi) principal Garganta Mariposa de aceleración Lumbrera de ralentí Tornillo regulador de ralentí
Circuito de baja (ralentí) Chicleur principal
Válvula de retención
El distribuidor es accionado por el árbol de levas y está acoplado sincrónicamente con el cigüeñal del motor, de forma que, al girar el contacto eléctrico que tiene en su interior, cada bujía recibe, en el momento justo, la carga eléctrica de alta tensión necesaria para pro-vocar la chispa, que es la encargada de inflamar la mezcla aire-combustible dentro de la cámara de com-bustión de cada pistón.
En la actualidad los motores modernos no lo incor-poran puesto que la distribución se realiza mediante la gestión electrónica de la unidad de control.
27. La potencia fiscal no guarda ninguna relación con la potencia que es capaz de desarrollar el motor. Es un concepto legal por el cual tributan al Estado los vehículos automóviles mediante el impuesto de cir-culación. Su unidad de medida es el caballo fiscal: según su valor, se aplica la carga impositiva a cada vehículo.
La fórmula matemática para su cálculo sólo tiene en cuenta la cilindrada, ignorando otras variables como la naturaleza del motor (diesel o gasolina), el peso má-ximo autorizado, la relación peso/potencia, la pre-sencia o no de turbocompresor, etc.
En una primera aproximación, este cálculo fiscal per-judica claramente a los motores diesel ya que, para tener las mismas prestaciones que un motor de ga -solina, necesitan mucha más cilindrada. Además, el cálculo no se ha adaptado a las nuevas tecnologías, como los turbocompresores o los nuevos motores de alta presión, que incrementan sensiblemente la potencia efectiva sin que la popotencia fiscal se vea alte -rada, con lo que un vehículo con altas prestaciones puede perfectamente pagar un impuesto mucho más bajo que otro de categoría inferior. Su valor se obtie-ne dependiendo del tipo de motor:
— Para los motores de combustión interna de cua-tro tiempos:
Pf0,08Z(0,785D2R)0,6
— Para los motores de combustión interna de dos tiempos:
Pf0,11Z(0,785D2R)0,6
En ambos casos:
Z n.ode cilindros del motor
D diámetro del cilindro, en cm R recorrido del pistón, en cm
— Para los motores de explosión rotativos y eléc -tricos:
Pe
Pf–––––– donde Pepotencia efectiva, en kW
5,152
r
w
q
La Peo potencia efectiva será la que determine el Laboratorio Oficial que el Ministerio de Industria y Energía designe aplicando los métodos de en-sayo que dicho Ministerio establezca.
En cualquier caso, la potencia fiscal del motor que se consignará en la tarjeta de inspección técnica o en el certificado de características del vehículo, será la que resulte de aplicar las fórmulas anteriores correspon-dientes, según el tipo del motor, expresada con dos cifras decimales y aproximadas por defecto.
28. Ambos tipos de motores son de combustión interna, y en ellos se utiliza una mezcla de combustible/com -burente (reductor/oxidante), en diferentes estados físicos e incorporados o no en el vehículo.
En el caso de un motor a reacción,el reductor es el combustible (mayoritariamente queroseno), y el oxi-dante es el oxígeno del aire. Su principio básico de funcionamiento es el principio de acción y reacción: a toda acción le sigue una reacción de igual intensi-dad y dirección, pero de sentido opuesto.
Este motor emite un chorro de fluido a gran veloci-dad para generar un empuje de acuerdo a la tercera ley de Newton.
Los motores a reacción, de forma general, se pue-den clasificar como:
— Sin compresor: utilizan configuraciones diseña-das para que el aire entre con más velocidad. Des-tacan el estatorreactor y el pulsorreactor (con va-riantes) que utilizan unas ventanas para impulsar el aire. Su principal problema es que necesitan una elevada velocidad para que funcionen.
— Con compresor (turborreactor o turbofan): se basan en el funcionamiento de un compresor mo-vido por el propio motor a través de la turbina. Exis-te una gran diversidad de esExis-te tipo de motores. Los más conocidos son los de doble flujo, bypass, de compresor axial simple, de compresor axial do-ble, etc. Se utilizan en la mayoría de los aviones. El motor de un cohetees un motor a reacción que genera empuje mediante la expulsión a la atmósfera de gases que provienen de la cámara de combustión. Los motores cohete incorporan tanto el combustible, que suele ser queroseno o hidrógeno líquido, como el comburente (oxígeno en estado gaseoso o general-mente líquido), a diferencia de los aviones a reacción, que no necesitan cargar con el oxígeno, sino que lo toman de la atmósfera.
Es el motor más potente conocido y su relación peso/ potencia lo convierte en el motor ideal para ser usa-do en naves espaciales, aunque su consumo y ruiusa-do es mayor que en el resto.
Los componentes principales de los motores a reac-ción y los motores cohete son similares en los diferen-tes tipos de motor, aunque no todos los tipos contie-nen todos los compocontie-nentes.
Las principales partes incluyen:
— Entrada o toma de aire: consiste esencialmente en una apertura que está diseñada para reducir la resistencia como cualquier otro elemento del avión.
— Compresor o ventilador: compuesto de varias eta-pas. Cada etapa consiste en álabes que rotan y estatores que permanecen estacionarios. El aire pasa a través del compresor, incrementando su presión y temperatura. La energía se deriva de la turbina que pasa por el rotor.
— Eje:transporta energía desde la turbina al compre-sor y funciona a lo largo del motor. Puede haber hasta tres rotores concéntricos, girando a veloci-dades independientes.
— Cámara de combustión: donde se quema conti-nuamente el combustible con el aire comprimido. — Turbina: extrae la energía de los gases calien-tes producidos en la cámara de combustión. Esta energía es utilizada para mover el compresor a tra-vés del rotor, ventiladores de derivación, hélices o incluso convertir la energía para utilizarla en otro lugar.
— Posquemador: utilizado principalmente en aviones militares, produce un empuje adicional quemando combustible, generalmente de forma ineficiente, para aumentar la temperatura de entrada de la tobera.
— Tobera o salida:los gases calientes salen del mo-tor hacia la atmósfera a través de una tobera, cuyo objetivo es producir un chorro de gases a altas ve-locidades.
El ciclo termodinámico que desarrolla es el conocido como ciclo de Brayton,caracterizado por:
— Compresión adiabática (1-2):proceso en donde el aire aumenta su presión y disminuye su volumen. — Combustión isobárica (2-3):proceso en don-de se le aporta calor al aire, don-dentro don-de la cámara don-de combustión, aumentando su temperatura y su vo-lumen.
— Expansión adiabática (3-4):proceso de la turbi-na, inverso al del compresor que expande el aire aumentando su volumen.
— Escape isobárico (4-1):proceso final en donde el aire intercambia presión por velocidad, pier-de presión y gana velocidad.
29. Elmotor de carga estratificada es una variante del motor tradicional de encendido con bujías. Se le cono-ce también como tecnología FSI(Fuel Stratified Injec-tion),o motor de inyección directa. En realidad, existen dos tipos de motores de inyección directa: el de carga estratificada y el de carga homogénea. Según la situa-ción de carga del motor y la posisitua-ción del acelerador, el circuito electrónico del motor activa la modalidad de funcionamiento más conveniente en un momento dado, sin que el conductor lo note ni tenga que intervenir. Básicamente consta de una cámara de combustión doble dentro de cada cilindro; una antecámara o cá-mara de precombustión, que contiene una mezcla rica de combustible y aire, y una cámara principal de com-bustión, que contiene una mezcla pobre. La bujía en-ciende la mezcla rica que, a su vez, enen-ciende la de la cámara principal.
El combustible es inyectado directamente en las cá-maras de combustión a través de inyectores situados al lado del cilindro y utilizando una bomba de alta pre-sión (hasta 100 bar), accionada por el árbol de levas y un colector. De este modo, el combustible entra di-rectamente en la cámara de combustión (fase de com-presión), en vez de hacerlo en los colectores de admi-sión, como ocurre en los motores tradicionales. Se le denomina de carga estratificada, porque en la cámara de combustión hay zonas donde hay mezcla lista para ser quemada y zonas en las que no.
Admisión
Entrada de aire
Sección fría Sección caliente
Cámaras de combustión Turbina Compresión Combustión Escape
Diagrama p-V Q1 Q2 2 1 4 3 p V
El combustible se concentra en una zona muy próxi-ma al frente de llapróxi-ma (bujía), evitando que se expan-da por toexpan-da la cámara por lo que, cerca de la bujía, la relación estequiométrica combustible/aire es casi per-fecta (pasa de 1:14,5 en el motor tradicional, a 1:60), mientras que el resto de la cámara se rellenade aire sin mezclar con la gasolina.
Con este motor se persigue: — Aumentar el par y la potencia.
— Reducir el consumo de combustible, especialmen-te en regímenes de motor bajos y medios (hasta 3 000 rpm), que, además, contribuye a una mayor reducción de la fricción entre componentes y me-jora las propiedades acústicas del motor. En condiciones de máxima carga o elevado régi-men, el combustible es inyectado en sincronía con la fase de admisión, y las cámaras de combus-tión son llenadas de forma homogénea con la mez-cla que hará explosión.
— Minimizar las emisiones de los gases resultantes de la combustión, a través de un convertidor ca-talítico colector. Además, la temperatura máxima que se alcanza es suficiente para impedir la forma-ción de óxidos de nitrógeno, mientras que la tem-peratura media es suficiente para limitar las emi-siones de monóxido de carbono e hidrocarburos.
30. El gas naturales un hidrocarburo compuesto prin -cipalmente por metano (CH4). Su poder calorífico es muy parecido al de los combustibles derivados del pe-tróleo. El término GNV (gas natural vehicular) se sue-le utilizar como sinónimo de gas natural comprimido (GNC), aunque también puede ser gas natural licua-do (GNL), si bien este último se utiliza en menor me-dida para este fin.
Los vehículos pesados, como camiones y autobu-ses, utilizan sólo el gas, mientras que los vehículos ligeros, como turismos y furgonetas, suelen llevar un pequeño depósito de gasolina como reserva o segu-ridad.
El llenado del GNC puede realizarse de manera rá pida. La equivalencia entre el gas natural y los combustibles convencionales es la siguiente:
1 m3GNC 1,138 l de gasolina 1,025 l de gasóleo
Para que un motor pueda funcionar con gas natural debe de ser, normalmente, de explosión (Otto), con encendido provocado por bujías. El gas natural posee un índice de octano en torno a 130.
El proceso de combustión es muy similar al de un motor de gasolina pero con los siguientes compo -nentes:
— Botella de gas natural comprimido (1):es el de-pósito de combustible a 200 bar de presión má-xima. De acero y sin soldadura, aunque también se fabrican con materiales compositesque tienen la ventaja de ser más ligeros. Cuando se trata de vehículos convertidos, generalmente se ubican en el maletero. En vehículos de fábrica, se suele co-locar bajo el piso del vehículo.
— Válvula de la botella (2): dispositivo de seguri-dad para el exceso de presión y para la apertura y cierre rápidos del circuito.
— Tubos de conexión (3):rígidos de alta presión que conectan la botella con el motor.
— Regulador de presión (4): para la alimentación al motor. Dispone de múltiples etapas de regula-ción, a través de las cuales la presión de la bote-lla es reducida a una presión constante (entre la atmosférica y 3 bar dependiendo del sistema de alimentación).
— Indicador de nivel y selector de combustible (5):comanda eléctricamente el cambio de com-bustibles desde el interior del vehículo e indica el nivel de gas disponible en la botella.
— Válvula de llenado (6):válvula de carga de gas. — Manómetro (7): indicador de presión instalado
en-tre la botella y el regulador de presión. El volumen del gas contenido en la botella guarda relación con la presión, por lo tanto, el manómetro envía una señal que indica en el panel del vehículo la can -tidad de gas disponible.
Entre las principales ventajasque ofrece este tipo de vehículos destacan las siguientes:
— Se reducen las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) en más de un 85 % y en un 25 % las de
mo-nóxido de carbono (CO).
— No se emiten partículas sólidas ni dióxido de azu-fre (SO2); no aumentan, o incluso disminuyen li-geramente, las emisiones de dióxido de carbono (CO2); no contiene plomo ni trazas de metales pesados. 1 2 3 4 5 6 7
— Descienden los niveles de emisiones sonoras y vibraciones.
— Permite un ahorro medido de más del 28 % en eu-ros/km respecto al gasóleo y más del 40 % res-pecto a la gasolina.
— El contenido en aceite dura mucho más y, en caso de derrame, no lleva disueltos compuestos tóxi-cos, como los que pasan de la gasolina o el ga-sóleo al aceite.
— Necesita menor mantenimiento y otorga mayor vida útil al vehículo.
— No se pierde capacidad ni en el habitáculo ni en el maletero (en el caso de vehículos de fábrica). — Es tan seguro como los de gasolina o gasóleo e incluso tienen menor peligro de incendio o explo-sión.
— Todos los automóviles alimentados con gasolina, ya sea con carburador o con sistema de inyección, se pueden transformar a GNC.
— El GNC, por ser más ligero que el aire (a diferen-cia de los gases licuados del petróleo, GLP), se di-sipa hacia arriba fácilmente en lugares ventilados, por lo que ofrece gran seguridad de suministro, al-macenamiento y consumo.
— Permite cambiar de un combustible a otro, inclu-so durante la marcha del vehículo.
— Presenta rendimientos similares a los convencio-nales. Aunque, al utilizar este tipo de combustible el motor pierde potencia (alrededor de un 15 %), en muchos casos es casi imperceptible, similar a la pérdida que se produce al poner en marcha el aire acondicionado del vehículo.
La utilización de este combustible en España es bas-tante escasa y se reduce casi exclusivamente a auto-buses y camiones de recogida de residuos urbanos. Pero, gracias a su uso, España evita anualmente la emisión de 23 toneladas de CO, 300 toneladas de NO2
y 17 toneladas de partículas a la atmósfera, además de 7 000 toneladas de CO2.
Por este motivo, la intención es aumentar su uso en los próximos años. Así, muchas marcas comerciales ya lo están patentando como posible opción de uso. Por otra parte, la Ley 22/2005 de 18 de noviembre establece un impuesto para el gas natural en su uso como carburante de 0,4140 céntimos de eu ro/kWh, un precio 6,5 veces inferior al del gasóleo. Diversas instituciones promueven la utilización de estos vehícu-los para reducir la contaminación urbana, como ya se lleva haciendo algunos años en la mayoría de los países de la Unión Europea.
31. Datos: 30 % 0,3 Consumo 9 l/h HC11 000 kcal/l n 4 500 rpm
T227 ºC 273,15 300,15 K
a) En una hora y por kg de combustible, el calor de combustión valdrá:
kcal l
Q11 000 –––––9 ––99 000 kcal/h
l h
De la expresión del rendimiento deducimos la del trabajo realizado:
W
––– W Q 0,399 000 kcal/h Q
29 700 kcal/h
Expresamos el trabajo en unidades del SI: 4,18 kJ
W 29 700 kcal/h––––––––124 146 kJ/h 1 kcal
A partir de este dato, calculamos la potencia: W 124 146 kJ
P ––––––––––––––34,5 kW 34 500 W
t 3 600 s
Expresamos la potencia en caballos de vapor: 1 CV
P 34 500 W–––––––46,9 CV 736 W
b) Expresamos la velocidad de giro en rad/s: 2n 23,144 500 rpm
––––––––––––––––––––––––471 rad/s
60 60
De la relación entre par y potencia, deducimos el valor del par:
P 34 500 W P M M –––––––––––––
471 rad/s
73,25 Nm
c) Partiendo de la expresión del rendimiento, dedu-cimos la que nos da la temperatura del foco ca-liente: T2 T2 1 ––– T1–––––– T1 1 300,15 K 300,15 K T1––––––––––––––––––428,8 K 1 0,3 0,7 T1 428,8 K 273,15 K 155,65 ºC
La potencia del motor es 34 500 W,que equivalen a 46,9 CV; el par a 4 500 rpm es de 73,25 Nⴢm; y la temperatura del foco caliente, 155,65 ºC. 32. Hablando en términos de rendimiento efectivo, los
motores reales de MEC y MEP suelen presentar va -lores inferiores al 40 %, divergentes e inferiores a los de los motores teóricos experimentales, del orden de 25-30 % para gasolina, y 30-40 % para gasóleo. En comparación, una máquina de vapor suele tener un rendimiento menor al 10 % y un cohete, cerca del 50 %. En general, el rendimiento real del motor de explo-sión Otto suele ser relativamente bajo debido a una serie de factores como los siguientes:
— La combustión no suele ser completa, y siempre se produce algo de monóxido de carbono. — Existe un intercambio de calor entre los gases y las
paredes, lo que obliga a refrigerar el cilindro y, como consecuencia de ello, las líneas de compresión y expansión no son completamente adiabáticas. — La combustión no se verifica a volumen
constan-te y tiene lugar con un pequeño aumento de volu-men, que no se considera en los cálculos. Del mismo modo, el ciclo real de un motor Diesel di-fiere notablemente del ideal debido a que la combus-tión no se realiza totalmente a presión constante, la expansión no es completamente adiabática y el pro-ceso de escape tampoco se lleva a cabo del todo a volumen constante.
En ambos casos, se producen diferencias en la for-ma y en los valores de las presiones y temperaturas, debidas a la variación de los calores específicos, a la pérdida de calor, al tiempo de abertura de la válvu-la de escape, a válvu-la disociación de los productos de válvu-la combustión y a la pérdida por bombeo.
Todo ello supone pérdidas en el escape, en la refrige-ración, en la transmisión (embrague, caja de cambios, juntas, diferencial) y rozamientos, así como combus-tible no quemado, etc.
Por ejemplo, para un motor de gasolina se calcula que, en términos generales, por medio de la refrigeración y durante la expansión, se pierde el 35 % del calor pro-ducido en la explosión, y otro 35 % en el escape, que-dando aproximadamente un 30 % de calor útil (al final sólo un 27 % a las ruedas) para transformarse en tra-bajo mecánico.
33. Datos: 25 %0,25
T222 ºC 273,15 295,15 K
Partiendo de la expresión del rendimiento, deducimos la que nos da la temperatura del foco caliente:
T2 T2 1––– T1–––––– T1 1 295,15 K 295,15 K T1––––––––––––––––––––393,5 K 1 0,25 0,75 T1 393,5 K 273,15 K 120,35 ºC La temperatura del foco caliente es 120,35 ºC.
34. Un vehículo híbrido es aquel que, para su propulsión, utiliza una combinación de dos sistemas que, a su vez, consumen fuentes de energía diferentes:
— Uno de los sistemas es el generador de la energía eléctrica (carga las baterías), que consiste en un motor de combustión interna de alta eficiencia, combinado con volantes de inercia, ultraconden-sadores o baterías eléctricas.
— El otro sistema está compuesto por la batería eléctrica y los motogeneradores instalados en las ruedas.
Ambos se encargan de mover el vehículo pero cada uno entra en funcionamiento dependiendo de las cir-cunstancias. Generalmente, es la mecánica eléctrica la que se ocupa de poner el coche en marcha, de modo que el motor de gasolina o gasóleo sólo actúa como apoyo de ésta.
Existen dos diferentes formas de montar los dos sis-temas: la configuración en seriey la configuración en paralelo.
— Configuración en serie:el motor térmico se usa solamente para alimentar al motor eléctrico y re-cargar las baterías, y no interviene en la tracción. El motor térmico impulsa un generador eléctrico, normalmente un alterador trifásico, que recarga las baterías y, una vez rectificada la corriente, alimen-ta al motor o motores eléctricos y éstos son los que impulsan al vehículo.
— Configuración en paralelo:el motor térmico está conectado directamente al sistema de tracción como un vehículo convencional, mientras el sis tema de acumuladores y la tracción eléctrica se montan en paralelo como si se tratara de otro eje tractor. En este caso, la unidad de potencia tiene doble función: alimentar el sistema tractor, dotándolo de grandes potencias, y alimentar el sistema de acu-muladores.
La tracción eléctrica alimentada por el sistema de acumuladores se usaría independientemente del sistema tractor convencional principal. Por ejem-plo, en la ciudad se utilizaría el motor eléctrico, mientras que el sistema tractor convencional (tér-mico) se utilizaría para recorridos interurbanos. Hay dos tipos de montaje en paralelo: el que usa un generador independiente para cargar las bate-rías, y el que usa el mismo motor como gene rador.
Entre las ventajasde este tipo de motores destacan: — Son capaces de conseguir una eficiencia doble, lo
que se consigue por la supresión de la mayor par-te de las pérdidas de popar-tencia que se producen en los vehículos tradicionales.
— Los motores se dimensionan solo para una po -tencia promedio, ya que los picos de po-tencia los proporciona la fuente de energía alternativa. Esto además permite que funcionen siempre en su pun-to óptimo o muy cerca de él. Por ello su eficiencia resulta doblada, lo que permite aligerar su peso y su volumen hasta en un 90 %.
— Tanto el motor térmico como el eléctrico se pue-den desactivar durante la marcha.
— La eficiencia del combustible se incrementa nota-blemente, lo que se traduce en reducción de las emisiones contaminantes.
— Pueden recuperar parte de la energía cinética del vehículo que se pierde en los procesos de frena-do, reducción o descenso de pendientes (fre-nada regenerativa). Cuando se pisa el freno, éste actúa como un generador, convirtiendo el momen-to de inercia en corriente eléctrica que recarga las ba terías. En el caso de motogeneradores insta -lados en las ruedas, a la vez que las propulsan, recuperan parte de la energía del frenado (entre un 50 % y 70 %), transformándola de nuevo en electricidad. Este dispositivo permite el uso inme-diato de esta energía recuperada, al ser aplicada en la aceleración o subida de cuestas, y se está demostrando muy provechoso en la conducción por ciudad.
— El motor térmico es más pequeño.
Entre los modelos que ya existen en el mercado des-tacan los de las marcas: Toyota, Honda, BMW, Audi, Chrysler, Kia, Ford, Citroën, Mitsubishi, Volvo, Hyun-dai, Nissan, y otros prototipos de última tecnología que continuamente están apareciendo.
35. El ciclo Rankine es un ciclo termodinámico cerrado que opera con vapor producido en una caldera a alta presión, que es llevado a una turbina donde produce energía cinética. Hasta aquí, su funcionamiento es si-milar al del típico ciclo abierto de la máquina de vapor y algunas locomotoras.
Para la máquina de vapor, el ciclo comienza en un de-pósito que contiene agua (1). La bomba toma agua de éste y la inyecta a la caldera (2), aumentando su pre-sión desde la prepre-sión atmosférica hasta la prepre-sión de la caldera. En la caldera (donde se le entrega el calor, Q) el agua hierve, formando vapor, que se ex-trae de ésta por la parte superior (3). Por gravedad, sólo tiende a salir vapor saturado (4). Posteriormente, el vapor (a presión) es conducido al motor donde se expande y produce trabajo, W.
Pero este ciclo fue rápidamente mejorado y reempla-zado por el ciclo con condensador (o ciclo de Ranki-ne), donde el rendimiento es muy superior.
Aunque este último no incluye sobrecalentamiento del vapor, la mejora de la eficiencia tiene lugar en dos sen-tidos: termodinámicoy mecánico.
— Desde el punto de vista termodinámico, descien-de la temperatura descien-de la fuente fría, mejorando por lo tanto la eficiencia del ciclo. El condensador pasa a estado líquido el resto de vapor saturado (4), que entrará a una bomba que le subirá la presión para poder ingresarlo nuevamente a la caldera. — Desde el punto de vista mecánico,la presión en
el condensador es muy inferior a la atmosféri-ca, lo que hace que la máquina opere con un sal-to de presiones mayor, lo que aumenta la cantidad de trabajo recuperable por unidad de masa de vapor.
En el ciclo Rankine, la bomba (4) recoge condensado a baja presión (menor que la atmosférica) y tem -peratura, y lo comprime hasta la presión de la calde-ra (1). Este condensado, a menor tempecalde-ratucalde-ra de la temperatura de saturación en la caldera, es inyectado en ella. Allí, primero se calienta, alcanzando la satura-ción y luego se inicia la ebullisatura-ción del líquido. Se ex-trae el vapor de la caldera y luego se conduce a la turbina (2). Una vez en ella, se expande, recuperando trabajo, hasta la presión asociada a la temperatura de condensación.
El vapor que descarga la máquina se introduce al con-densador (3) donde se convierte en agua al entrar en contacto con las paredes de tubos que están refri -gerados en su interior también por agua.
Agua Bomba Motor 1 atm W 1 2 3 4 Caldera 100 °C Condensador Turbina Qabs Qced T W 1 2 3 4 Caldera Bomba
El condensado se recoge al fondo del condensador, de donde se extrae prácticamente como líquido sa-turado. La bomba comprime el condensado y se re-pite el ciclo.
36. Un turbocompresores un sistema de sobrealimen-tación forzada que usa una turbina y un compresor centrífugo para utilizar los gases expulsados por el mo-tor como una fuente extra de energía. El compresor y la turbina están unidos por un eje y encerrados, bien en una carcasa común o bien la turbina se encuentra integrada en el mismo colector de escape.
El principio de funcionamiento se basa en un rotor de turbina que utiliza la energía del gas de escape para accionar un rotor de compresor situado en el mismo eje. Éste comprime el aire de admisión y lo empuja al interior de los cilindros.
Esto proporciona al motor oxígeno adicional para el proceso de combustión. Comparado con un motor de aspiración natural con la misma cilindrada, el turbo-compresor aumenta la potencia, el par y la eficiencia. Como la energía utilizada para comprimir el aire de ad-misión proviene de los gases de escape, este sistema no resta potencia al motor, a diferencia de otros, co-mo los sistemas con compresor mecánico (sistemas convencionales en los que el compresor es acciona-do por una polea conectada al cigüeñal).
Entre los objetivos ventajososperseguidos con el uso del turbocompresor destacan:
— Aumenta el rendimiento, tanto en motores de ga-solina como en diesel, pero más en estos últimos. En los de gasolina, al introducir más aire, hay que introducir más combustible (la proporción es prác-ticamente constante). En los diesel, en cambio, el turbo introduce más aire en el motor, sin que ne-cesariamente aumente la cantidad de combusti-ble inyectado.
— Aumenta la potencia, conservando la energía y re-duciendo las emisiones.
— Reduce el peso y volumen del motor en compara-ción con los atmosféricos.
— Presenta menor contaminación acústica, ya que actúa como silenciador.
— Reduce el consumo de combustible. También tiene algunos inconvenientes: — A bajas revoluciones, reduce la potencia. — Su mantenimiento es mayor: requiere un aceite de
mayor calidad y cambios más frecuentes, y tam-bién mejores sistemas de refrigeración y lubrica-ción.
Muchos motores modernos incluyen diseños nue-vos como el turbocompresor con geometría de turbi-na variable (VTG), donde el ángulo de los álabes varía en función de la carga del motor.
En algunos países, como el nuestro, las cargas o impuestos sobre los automóviles dependen de la ci -lin drada del motor. Como un motor con turbocompre-sor tiene una mayor potencia máxima para una cilin-drada dada, estos modelos pagan menos impuestos que los que no tienen turbocompresor.
37. Datos: Z 4 D 80 mm S90 mm r 9,5 n7 000 rpm M150 Nm a) La cilindrada unitaria será:
D2S 3,14(80 mm)290 mm VD–––––––––––––––––––––––––––––– 4 000 4 000 452,2 cc Y la cilindrada total: VTZVD 4452,2 cc 1 808,8 cc
b) Para determinar el volumen de la cámara de com-bustión, aplicamos la expresión deducida en la actividad 3:
VD 452,2 cc
VC––––––––––––––––53,2 cc
r 1 9,5 1
El volumen unitario de cada cilindro es el volumen de la cilindrada unitaria, más el volumen de la cámara de combustión:
VunitarioVD VC 452,2 cc 53,2 cc 505,4 cc
El volumen total de todos los cilindros será: VZVunitario 4505,4 cc 2 021,6 cc c) Expresamos la velocidad de giro en rad/s:
2n 23,147 000 rpm
––––––––––––––––––––––732,67 rad/s
60 60
Con este dato, calculamos la potencia máxima: P M 150 Nm732,67 rad/s
La cilindrada total del motor es 1 808,8 cc;el vo-lumen de la cámara de combustión, 53,2 cc;el volumen unitario de cada cilindro, 505,4 cc;el to-tal del motor, 2 021,6 cc;y la potencia máxima, 109,9 kW. 38. Datos: Z 4 P 60 CV n 3 500 rpm D 70 mm S 90 mm r 9 Consumo 8 kg/h HC11 483 kcal/kg
a) Calculamos primero la cilindrada unitaria: D2S 3,14(70 mm)290 mm
VD––––––––––––––––––––––––––––––
4 000 4 000
346,2 cc
Conocido este dato, aplicamos la expresión dedu-cida en la actividad 3 para determinar el volumen de la cámara de combustión:
VD 346,2 cc
VC––––––––––––––––43,3 cc
r1 91
b) Expresamos la velocidad de giro en rad/s: 2n ––––– 60 23,143 500 rpm ––––––––––––––––––366,3 rad/s 60
Expresamos la potencia en unidades del SI: 736 W
P 60 CV––––––––44 160 W 1 CV
De la relación entre par y potencia, deducimos el valor del par:
P 44 160 W
P M M ––––––––––––––
366,3 rad/s
120,5 Nm
c) En una hora y por kg de combustible, el calor de combustión valdrá:
kcal kg
Q 11 483 –––––8 –––91 864 kcal/h
kg h
Expresamos el calor en unidades del SI: 4,18 kJ Q 91 864 kcal/h––––––––
1 kcal
383 991,5 kJ/h
A partir del dato de la potencia, calculamos el tra-bajo efectuado en una hora:
W Pt 44,16 kW3 600 s 158 976 kJ Con este dato y el del calor aportado por el com-bustible, determinamos el rendimiento:
W 158 976 kJ
–––––––––––––––––0,41 Q 383 991,5 kJ
El volumen de la cámara de combustión es 43,3 cc;el par motor, 120,5 Nⴢm;y el rendimien-to, 41 %.
EJERCICIOS PROPUESTOS
C. Datos: Z 1 VD360 cc
D 60 mm r 11
a) El volumen del cilindro correspondiente al PMS corresponde al volumen de la cámara de combus-tión, VC. Aplicamos la expresión deducida en la actividad 3:
VD 360 cc
VPMS VC––––––––––––––36 cc r 1 11 1
El volumen del cilindro correspondiente al PMI es el volumen de la cilindrada unitaria, más el volu-men de la cámara de combustión:
VPMIVD VC 360 cc 36 cc 396 cc
b) De la expresión de la cilindrada unitaria, deducimos la que nos da la carrera:
D2S 4 000V D VD–––––––– S –––––––––– 4 000 D2 4 000360 cc S –––––––––––––––127,4 mm 3,14(60 mm)2
Los volúmenes del cilindro correspondientes al PMS y el PMI son, respectivamente,36 ccy 396 cc;y la carrera, 127,4 mm.
D. Datos: Z 4 D 81 mm S 95,5 mm P 125 kW a 4 200 rpm Consumo 25 l/h 25 dm3/h d 0,85 kg/dm3 HC41 000 kJ/kg a) La cilindrada unitaria será:
D2S 3,14(81 mm)295,5 mm VD–––––––––––––––––––––––––––––––– 4 000 4 000 491,86 cc Y la cilindrada total: VTZVD 4491,86 cc 1 967,44 cc b) Expresamos la velocidad de giro en rad/s:
2n 23,144 200 rpm
–––––––––––––––––––––––439,6 rad/s
60 60
De la relación entre par y potencia, deducimos el valor del par:
P 125 000 W
P M M ––––––––––––––
439,6 rad/s
284,35 Nm
c) A partir del dato de la potencia, calculamos el tra-bajo efectuado en una hora:
W Pt 125 kW3 600 s 450 000 kJ Calculamos la masa de combustible que consume el motor en una hora:
m Vd 25 dm30,85 kg/dm321,25 kg
El calor que proporciona esta masa de combusti-ble es:
Q mHC21,25 kg41 000 kJ/kg 871 250 kJ
Con este dato y el del trabajo realizado por el mo-tor, determinamos el rendimiento:
W 450 000 kJ
–––––––––––––––0,52 Q 871 250 kJ
La cilindrada unitaria es de491,86 cc; la cilindrada total, de1 967,44 cc;el par al régimen de potencia máxima, de 284,35 Nⴢm;y el rendimiento, del52 %.
E. Datos: Z 4 D 80 mm S 85 mm D 81 mm r 9,8 1,33
a) La cilindrada unitaria, antes del rectificado, será: D2S 3,14(80 mm)285 mm VD–––––––––––––––––––––––––––––– 4 000 4 000 427 cc Y la cilindrada total: VTZVD 4427 cc 1 708 cc b) Aplicamos la expresión deducida en la actividad 3
para determinar el volumen de la cámara de com-bustión:
VD 427 cc
VC–––––––––––––––48,52 cc
r 1 9 ,8 1
c) Para determinar la nueva relación de compresión después del rectificado, determinamos previamen-te la nueva cilindrada unitaria:
(D)2S V D––––––––– 4 000 3,14(81 mm)285 mm ––––––––––––––––––––––437,8 cc 4 000
La nueva relación de compresión se deduce de la expresión siguiente, ya que VCno ha variado:
V D V D 437,8 cc
VC––––– r ––––1 –––––––––1
r 1 VC 48,52 cc
10,02
d) Para la nueva relación de compresión y el coeficien-te adiabático dado, el rendimiento mejorado será:
1 1
1–––––1––––––––––––0,53
1 (10,02)1,331
Antes del rectificado, la cilindrada unitaria era de 427 cc y la cilindrada total, de1 708 cc.El volumen de la cámara de combustión es 48,52 cc. Después del rectificado, la nueva relación de compresión es 10,02 y el rendimiento, del53 %.
F. Datos: Consumo 9,5 kg/h HC11 000 kcal/kg
30 %0,30
a) En una hora y por kg de combustible, el calor de combustión valdrá:
kcal kg
Q11 000 –––––9,5 –––104 500 kcal/h
kg h
Expresamos el calor en unidades del SI: 4,18 kJ
Q 104 500 kcal/h––––––––436 810 kJ/h 1 kcal
De la expresión del rendimiento deducimos la del trabajo realizado:
W
––– W Q 0,3436 810 kJ/h Q
131 043 kJ/h b) El calor disipado será:
QW 436 810 kJ/h131 043 kJ/h
305 767 kJ/h
c) A partir del dato del trabajo realizado, calculamos la potencia:
W 131 043 kJ
P ––––––––––––––36,4 kW 36 400 W
t 3 600 s
En una hora, se transforman en trabajo436 810 kJ;el calor disipado es 305 767 kJ/h; y la potencia del mo-tor,36,4 kW.
G. Datos: V1V4 1,2 l 1 200 cc
V2V3 0,1 l 100 cc
D 10 cm 100 mm
a) Se trata de un motor de gasolina ya que, en el ci-clo Otto, representativo de este tipo de motor, la transformación entre 2 y 3 es isocórica (V cte) y en los motores diesel es isobárica (p cte). El res-to permanece igual.
La aportación o introducción de calor se produce entre los estados 2 y 3; y la cesión o evacuación del calor, entre 4 y 1.
La transformación entre 1 y 2 es una compresión adiabática; y entre 3 y 4, una expansión adiabá-tica.
b) La cilindrada unitaria, VD, viene dada por el volumen comprendido entre el PMS y el PMI, es decir, en-tre 1 y 2 ó enen-tre 4 y 3.
VDV1V2V4V3
1 200 cc 100 cc 1100 cc El volumen de la cámara de combustión es el que corresponde a los estados 2 y 3:
VCV2V3100 cc
A partir de estos datos, podemos determinar la re-lación de compresión:
VCVD 100 cc1100 cc
r –––––––––––––––––––––––––12
VC 100 cc
El valor obtenido confirma que se trata de un mo-tor de gasolina.
c) De la expresión de la cilindrada unitaria, deducimos la que nos da la carrera:
D2S 4 000V D VD–––––––– S –––––––––– 4 000 D2 4 0001100 cc S ––––––––––––––––140,13 mm 3,14(100 mm)2
Se trata de unmotor de gasolina,con una cilindrada unitaria de 1 100 cc, una relación de compresión de 12:1 y una carrera del cilindro de 140,13 mm.
H. Datos: Z 4 D 70 mm S 90 mm Consumo 12 kg/h HC10 400 kcal/kg r 9 P 60 CV a 3 000 rpm a) La cilindrada unitaria será:
D2S 3,14(70 mm)290 mm VD–––––––––––––––––––––––––––––– 4 000 4 000 346,2 cc Y la cilindrada total: VTZVD 4346,2 cc 1 384,8 cc
b) Aplicamos la expresión deducida en la actividad 3 para determinar el volumen de la cámara de com-bustión:
VD 346,2 cc
VC–––––––––––––––43,3 cc r 1 9 1
c) Expresamos la velocidad de giro en rad/s: 2n 23,143 000 rpm
–––––––––––––––––––––––314 rad/s
60 60
Expresamos la potencia en unidades del SI: 736 W
P 60 CV––––––––44 160 W 1 CV
De la relación entre par y potencia, deducimos el valor del par:
P 44 160 W
P M M –––––––––––––140,6 Nm
314 rad/s
d) En una hora y por kg de combustible, el calor de combustión valdrá:
kcal kg
Q 10 400 –––––12 –––124 800 kcal/h
kg h
Expresamos el calor en unidades del SI: 4,18 kJ
Q 124 800 kcal/h––––––––521 664 kJ/h 1 kcal
A partir del dato de la potencia, calculamos el tra-bajo efectuado en una hora:
W Pt 44,16 kW3 600 s 158 976 kJ Con este dato y el del calor aportado por el com-bustible, determinamos el rendimiento:
W 158 976 kJ ––––––––––––––0,3
Q 521 664 kJ
La cilindrada unitaria es de346,2 cc; la cilindrada to-tal, de1 384,8 cc;el volumen de la cámara de combus-tión, de 43,3 cc;el par motor al régimen de potencia eficaz, de 140,6 Nⴢm;y el rendimiento, del30 %. I. Datos: V1480 cc 4,8104m3 V2120 cc 1,2104m3 p10,1 MPa 1105Pa p20,7 MPa 7105Pa p33,5 MPa 3,5106Pa p40,5 MPa 5105Pa 1,4 a)
El diagrama teórico del ciclo termodinámico del mo-tor muestra que se trata de un momo-tor de gasolina ya que, en el ciclo Otto, representativo de este tipo de motor, la transformación entre 2 y 3 es isocóri-ca (V cte), 1-2 y 3-4 son adiabáticas, y 4-1 es iso-córica también. La aportación o introducción de ca-lor se produce entre 2 y 3, y la cesión o evacuación del calor, entre 4 y 1.
b) Según los datos, y tal como puede verse en la figura, se cumple que:
V1V4480 cc V2V3120 cc
La cilindrada unitaria, VD, viene dada por el volumen
comprendido entre el PMS y el PMI, es decir, entre 1 y 2 ó entre 4 y 3.
VDV1V2V4V3480 cc 120 cc 360 cc
El volumen de la cámara de combustión es el que corresponde a los estados 2 y 3:
VCV2V3120 cc
c) De la expresión de la cilindrada unitaria, deducimos la que nos da la carrera:
D2S 4 000V D VD–––––––– S –––––––––– 4 000 D2 4 000360 cc S –––––––––––––––127,4 mm 3,14(60 mm)2
A partir de los datos del apartado anterior, pode-mos determinar la relación de compresión:
VCVD 120 cc 360 cc r –––––––––––––––––––––––– 4
VC 120 cc
El valor obtenido confirma que se trata de un mo-tor de gasolina. V (cm3) V2120 V1480 0,7p2 3,5p3 3 4 1 2 0,5p4 0,1p1 p (MPa) Wciclo
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
c b d d b a c b a b d c a b d d c
EVALUACIÓN
d) Para el cálculo aproximado del trabajo desarrollado en el ciclo, analizaremos el desarrollado en cada una de las etapas.
La etapa 1-2 es una compresión adiabática. El valor de W viene dado por la expresión: p1V1p2V2 105Pa4,8104m37105Pa1,2104m3
W12––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 90 J
1 1,4 1
El trabajo tiene signo negativo porque es trabajo introducido a través del desplazamiento del pistón desde el PMI al PMS.
La etapa 2-3 es un calentamiento isocórico. Por lo tanto: W230
La etapa 3-4 es una expansión adiabática. El valor de W viene dado por la expresión: p3V3p4V4 3,5106Pa1,2104m35105Pa4,8104m3
W34––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––450 J
1 1,4 1
El trabajo tiene signo positivo porque lo realiza el sistema cuando el pistón desciende desde el PMS al PMI. La etapa 4-1 es un enfriamiento isocórico. Por lo tanto:
W410
El trabajo total del ciclo será, pues:
WcicloW12W23W34W41 90 J 0 450 J 0 360 J
La cilindrada unitaria es de360 cc; el volumen de la cámara de combustión es 120 cc;la carrera del cilindro, 127,4 mm; la relación de compresión es 4; y el trabajo desarrollado en el ciclo, 360 J.