motor de combustion interna

MOTORES TÉRMICOS
Motores de Combustión Interna Alternativos
Introducción. Elementos Constructivos. Clasificación

INTRODUCCIÓN A LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN
INTERNA ALTERNATIVOS
INTRODUCCIÓN A LOS MOTORES TÉRMICOS
MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVO
CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES
ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS DE LOS M.C.I.A.
CLASIFICACIÓN DE LOS M.C.I.A.

Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica
Andrés Melgar Bachiller

Página 1

MOTORES TÉRMICOS

INTRODUCCIÓN A LOS MOTORES TÉRMCOS
Definición de Motor Térmico:
 Conjunto de máquinas
 Transforma Energía Térmica en Mecánica Q  W
 Sometiendo a un fluido compresible a un ciclo termodinámico.

MOTOR TÉRMICO
Combustión Interna

Combustión externa

Se aporta calor mediante un proceso Se aporta el calor al fluido
mediante un sistema de
de combustión en el seno del fluido
intercambio de calor
Habitualmente ciclo cerrado

Ciclo abierto

Motor de combustión interna rotativo Maquina de vapor (ciclo
abierto)
(Wankell)
Motor Stirgling (motor
alternativo) pequeña potencia
Motor de
combustión interna
alternativo:
Transporte: terrestre
y aéreo (pequeña
potencia)
Energía mecánica y
eléctrica

Turbina de
gas
Habitualmente
combustión
interna.
Aviación y
producción de
electricidad

Turbina de Vapor
Producción de electricidad

Turbina de Vapor
Turbina de Gas
Motor de Combustión Interna alternativo
0.1 kW

1 kW

10 kW

100 kW

1 MW

10 MW


100 MW

1 GW

10 GW

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MOTORES TÉRMICOS

MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVO

Admisión

Compresión

Combustión

Expansión

Escape

25

Presión (bar)

20
15

Combustión
Arrastrado

10
Presión ambiente
5
0
-360

-270

-180

-90

0

90

180

270

360

Ángulo (º)

Foco caliente: Combustión
Presión

Qent

Qent
Went
Wsal
W bombeo

MOTOR
TÉRMICO

Qsal

Went

Wsal

Qsal
Foco frío: ambiente

Volumen

RENDIMIENTO TERMICO DEL MOTOR
ciclo 

Wsal  Went Qent  Qsal
T
 Carnot  1  amb

Qent
Qent
Tcomb


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MOTORES TÉRMICOS

CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LOS M.C.I.A.

El gran desarrollo de los motores de combustión interna alternativos se debe a
una serie de características entre las que se pueden destacar.

Posibilidad de poder quemar combustibles líquidos de elevado poder
calorífico (posibilidad de transportar mucha energía con muy poco peso).
 Esta característica les hace muy importantes en el campo de la automoción
ya que condiciona la autonomía del vehículo.
 Les permite competir con ventaja frente a los vehículos eléctricos los cuales
la energía almacenada en la batería pesa mucho más.

Rendimiento térmico aceptable, dependiente del tamaño del motor pero
que se mantiene bastante acotado para diferentes grados de carga y
regímenes.
 Esta característica es de gran importancia en todas las aplicaciones en las
que la potencia que se necesite no sea constante.
 Cuando esta condición junto con la autonomía son determinantes los
M.C.I.A. no tienen competidores.
 Amplio campo de potencias desde 0.1 kW hasta 32 MW
 Su campo de aplicación va desde modelismo hasta grandes motores
marinos o estacionarios.


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MOTORES TÉRMICOS

ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS DE LOS M.C.I.A.
CILINDRO
Conduce al pistón en su movimiento y es el elemento central del sistema de
compresión.
BLOQUE DE CILINDROS Y BANCADA
Sobre el bloque se apoyan las demás partes del motor por lo que su rigidez es
esencial para el buen funcionamiento del motor.
El bloque debe poseer de conductos interiores para llevar el aceite a presión a
los diferentes cojinetes que soportan el cigüeñal así como conductos para
llevar el aceite a la culata que a su vez tiene conductos para llevar el aceite al
árbol de levas o de balancines.
CULATA
Es la pieza del motor de diseño más complejo por la cantidad de funciones y
requerimientos que debe cumplir. Puede haber una para todos los cilindros
(motores pequeños), o una para cada cilindro o par de cilindros (motores más
grandes).

La culata por lo general tiene que alojar los siguientes elementos:
 Conductos de admisión y de escape (pipas de admisión y escape): estos
conductos empalman con los colectores de admisión y escape
 Asientos de Válvula: suelen ser postizos de material duro y resistente al
choque.
 Guías de válvulas: Es la pieza sobre la cual desliza la válvula, suele ser de
aleaciones especiales y mecanizadas con gran precisión para conseguir un
buen centrado y mínimas fugas:


Página 5

MOTORES TÉRMICOS

 Circuitos de refrigeración: tienen que ser de tal manera que minimicen las
tensiones térmicas debidas a grandes diferencias de temperatura entre
puntos muy próximos.
 Junta de culata: sirve para evitar las fugas en la unión entre cilindro y
culata, también sirve de junta en las uniones de los conductos de agua y
aceite entre bloque y culata.
PISTÓN Y SEGMENTOS
El pistón transmite la fuerza de los gases a la biela (requerimientos de
resistencia mecánica), debe ser lo más estanco posible al paso de gases de
combustión al cárter y de aceite del cárter a la cámara de combustión, para ello
leva a su alrededor unos aros metálicos que se ajustan al cilindro (segmentos).
Por ser piezas móviles deben pesar lo menos posible y es difícil de refrigerar.
Segmento de fuego
Segmentos de
estanqueidad

Aceite
Segmento
Rascador

CIGÜEÑAL Y BIELA
Se encargan de transformar el movimiento alternativo en rotativo que
suministre un par útil. Suele estar fabricados en fundición o forjado y en
cualquiera de los dos casos posteriormente mecanizado. En algunos casos,
como en los pequeños motores de dos tiempos con barrido por cárter, el
cigüeñal consta de dos piezas unidas por un bulón sobre el que se coloca la
biela.


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MOTORES TÉRMICOS

VÁLVULAS
Son
las
encargadas
de
controlar el paso de fluido por
la cámara de combustión
durante
el
proceso
de
renovación de la carga. La
forma más común de las
válvulas es la denominada de
plato.
La válvula más solicitada es la
de escape por que la
temperatura del fluido cuando
pasa por ella es muy alta.

SISTEMA DE
DISTRIBUCIÓN
Agrupa a todos los
elementos mecánicos que
provocan la apertura y cierre
de las válvulas, debe estar
sincronizado con el
movimiento de pistón
(cigüeñal) y completa un
ciclo de funcionamiento cada
dos vueltas del motor (el
árbol de levas gira a la mitad
de revoluciones que el
cigüeñal).


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MOTORES TÉRMICOS

ESQUEMA GENERAL DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
ALTERNATIVO
TAPA DE BALANCINES

EJE ÁRBOL
DE LEVAS

LEVA

CULATA
PIPA
VÁLVULA
REFRIGERANTE

CÁMARA DE
COMBUSTIÓN
JUNTA
CULATA
SEGMENTOS

PISTÓN

BULÓN

ACEITE A
PRESIÓN

BLOQUE MOTOR

BIELA

CIGÜEÑAL
CÁRTER

BOMBA
DE

TAPA DEL CÁRTER

ACEITE


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MOTORES TÉRMICOS

CLASIFICACIÓN DE LOS M.C.I.A.
SEGÚN EL PROCESO DE COMBUSTIÓN
Motor de encendido provocado
(MEP, motor Otto)
 Por lo general el combustible
entra en el cilindro ya mezclado
con el aire.
 Al final de la compresión se
dispone de una mezcla de aire y
combustible más o menos
homogénea.
 La combustión se inicia por una
causa externa, generalmente una
chispa eléctrica.

Motor de encendido por
compresión (MEC, motor Diesel)
 El fluido admitido en el cilindro es
solo aire sin combustible.
 Al final de la carrera de
compresión (mayor que en los
MEP) se inyecta en el cilindro el
combustible y debida a las altas
temperaturas y presiones el
combustible se autoinflama.


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MOTORES TÉRMICOS

SEGÚN EL MODO DE REALIZAR EL CICLO
Motores de 4 Tiempos
 Se realiza un ciclo cada dos vueltas del motor.
 Existen unos procesos diferenciados para renovar el fluido que evoluciona.

Motores de 2 Tiempos
 Se realiza un ciclo cada vuelta del motor.
 El fluido se renueva mientras el pistón está en la parte inferior de su carrera.
 Se utiliza para pequeñas potencias (sencillez barrido por carter y potencia
específica) y grandes potencias (potencia especifica).
 En barrido por carter la lubricación se hace con aceite mezclado con el
combustible.


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MOTORES TÉRMICOS

SEGÚN EL TIPO DE REFRIGERACIÓN
La refrigeración es necesaria para acotar la temperatura de ciertas partes del
motor.

Refrigeración por aire (directa)
 El calor se transmite
directamente al aire a través
de unas aletas colocadas en el
cilindro.
 Es más barato y fiable.
 Es más ruidoso y voluminoso.
 A veces se usa una soplante
para mover al aire.

Refrigeración por líquido
(indirecta si se usa
intercambiador)
 El motor cede calor al medio
refrigerante (casi siempre
agua) que actúa como agente
intermedio entre el motor y el
aire.
 Se necesita una bomba para
mover el refrigerante.
 El refrigerante suele ser agua
con alcoholes para evitar la
congelación y aditivos para
evitar corrosión.


Página 11

MOTORES TÉRMICOS

SEGÚN EL NÚMERO Y DISPOSICIÓN DE LOS CILINDROS

Tiene influencia sobre el tamaño y la relación de aspecto del motor
Cuantos más cilindro, mas caro y mas complicado.
SEGÚN LA PRESIÓN DE ADMISIÓN
Motor de aspiración natural o
atmosférico
 La presión del aire cuando entra
al cilindro es aproximadamente
la atmosférica o inferior.
Motor sobrealimentado
 La presión del aire a la entrada
en el cilindro es superior a la
atmosférica.
 Esto hace que la masa de aire
introducida en el motor sea
mayor que en aspiración
natural, se puede quemar más
combustible (mas potencia)
Es necesaria la utilización de un
compresor para conseguir esta
sobrepresión.

Página 12

MOTORES TÉRMICOS
Parámetros Característicos.

PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LOS M.C.I.A.
CONCEPTO DE DOSADO
PARÁMETROS GEOMÉTRICOS
PARÁMETROS INDICADOS
PARÁMETROS EFECTIVOS
PARÁMETROS DE PÉRDIDAS MECÁNICAS
RESUMEN DE PARÁMETROS
OTROS PARÁMETROS
POTENCIA Y PAR EN FUNCIÓN DE LOS PARÁMETROS
POTENCIA Y PAR EN FUNCIÓN DEL REGIMEN


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MOTORES TÉRMICOS

CONCEPTO DE DOSADO
 Dosado (F) es el parámetro que caracteriza la mezcla aire-combustible:
F=


Masa Combustible mf mfcc



Masa Aire
ma macc
x


m
Gasto Másico (Kg/s)

1
nZi

mcc
Masa por Cilindro y Ciclo (Kg)

i=Número de ciclos por revolución
 Dosado estequiométrico (Fe) es el dosado que tiene que haber en una
mezcla aire combustible para que en la reacción de combustión no sobre aire
ni combustible:
m
m
m


CnHm   n  (O2  3.76 N2 )  n CO2  H2O   n   3.76 N2
4
2
4


Fe 

12 n  m
m

 n  32  3.76 x28 
4


Es una propiedad del combustible
Para los combustibles usuales Fe  1/14.5 , 1/15.5.
 Dosado relativo (Fr) o riqueza:
 1
F 
Fr 
 =1
Fe 
 1

Rico (exceso de combustib le )
Esteq uiometrico
Pobre (defecto de combust ible)

 Coeficiente de exceso de aire ():


 Rangos usuales de dosado relativo:
MEC  Fr  0.04 , 0.7
MEP automoción Fr  0.9 , 1.3
MEP industrial  Fr  0.6 , 0.8

1
Fr


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MOTORES TÉRMICOS

PARÁMETROS GEOMÉTRICOS

S  Carrera
D  Diámetro Pistón
R  Radio muñequilla
L  Longitud biela

  Ángulo girado cigüeñal
PMS  Punto Muerto Superior ( = 0°)
PMI  Punto Muerto Inferior ( = 180°)
S/D  Relación carrera-diámetro

PM I

PM S

D
Vc
X

V
VD

S=2R

L

R

 D2
Ap 
4
 D2
VD 
S
4
VD  VC
r
VC
V  AP X  VC
VT  Z VD

Ap  Área del pistón
VD  Volumen desplazado
r  Relación de compresión
X = f(, L, R)

MEC r 12, 23, MEP r  8 , 10
VC  Volumen cámara de combustión
Z  Nº de cilindros
VT  Cilindrada de motor


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MOTORES TÉRMICOS

PARÁMETROS INDICADOS

Son parámetros relacionados con aspectos termodinámicos del ciclo.
P
pmi

+

=

VD

+

V
VD

VPMS

VPMI

 Trabajo indicado (Wi): Es el trabajo que se obtiene en el ciclo durante las
carreras de compresión y expansión:
W i   P dV
 Presión media indicada (pmi):
pmi 

 Potencia indicada (Ni):
Ni 

Wi
VD

Wi
 pmi VD n i
1 / in

1/ 2 en 4T
i=
en 2T
1

 Par indicado (Ti):
Ti 

i

2

pmi VD

 Rendimiento indicado (i): Expresa "la calidad" con que se transforma la
energía almacenada en el combustible en energía mecánica sobre el pistón.


i

Ni
Wi
pmi VD



mf HC mfcc HC mfcc HC

HC  Poder calorífico del combustible: Energía que se desprende por unidad
de masa de combustible quemado.

Página 4

MOTORES TÉRMICOS

PARÁMETROS EFECTIVOS

Parámetros relacionados con aspectos termodinámicos y mecánicos del ciclo.
 Potencia efectiva (Ne): Es la potencia que se tiene en el eje del cigüeñal. Es
de menor valor que la potencia indicada porque esta disminuida por las
pérdidas que tienen lugar hasta la salida de fuerza por el cigüeñal.
 Par efectivo (Te):
Te 

 Presión media efectiva (pme):
pme 

Ne
2n

Ne
2 T e

n VD i
VD i

Para un motor dado el par y la presión media efectiva están ligados por la
cilindrada.

MEP turismos
MEP deportivos



Rango de pme MEC automoción

MEC 4T industriales 

MEC 2T lentos



pme max  8 , 14 bar

pme max  8.5 , 25 bar

pme max  6 , 16 bar
pme max  5.5 , 23 bar
pme max   , 15 bar
10

 Trabajo efectivo (We): Es el trabajo que se obtiene en el eje del cigüeñal
durante un ciclo de trabajo completo.
Ne
We 
ni
 Rendimiento efectivo (e): Expresa "la calidad" con que se transforma la
energía liberada por el combustible en energía mecánica en el eje (cigüeñal).
Ne
We
pme VD
e 



mf HC mfcc HC mfcc HC
MEP  e 0.25 , 0.3

Rangos e MEP industriales  e 0.35 , 0.45
MEC  e 0.30 , 0.5



Página 5

MOTORES TÉRMICOS

PARÁMETROS DE PÉRDIDAS MECÁNICAS

Parámetros que relacionan la energía mecánica existente en el pistón con la
que se tiene en el cigüeñal a la salida del motor.
Estas pérdidas tienen tres orígenes:
 Pérdidas por fricción.
 Accionamiento de auxiliares.
 Pérdidas de bombeo.
 Potencia absorbida por pérdidas mecánicas (Npm):

Npm  Ni  Ne
 Presión media de pérdidas mecánicas (pmpm):
pmpm  pmi  pme

 Par de pérdidas mecánicas (Tpm):

Tpm  Ti  Te
 Trabajo de pérdidas mecánicas (Wpm):

W pm  W i  W e
 Rendimiento mecánico (m): Es la relación entre la energía mecánica que se
extrae a través del cigüeñal y la que se obtiene en el pistón.

m 

pme Ne e Te W e




pmi Ni i Ti W i


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MOTORES TÉRMICOS

RESUMEN DE PARÁMETROS i, e y pm

i
INDICADOS: Energía combustible

Energía mecánica sobre el pistón
m
Energía mecánica cigüeñal

MECÁNICOS: Energía mecánica pistón
e
EFECTIVOS: Energía combustible

Energía mecánica cigüeñal

 
e

i

m

Para un motor, conocido el régimen n, el gasto de combustible, el poder
calorífico del combustible y uno de los parámetros, es posible obtener el resto.
Pm
(Presión media)

VD n i

m fcc Hc
VD


(Rendimiento)

N
(Potencia)

1

1
2n

M
(Par)

2
i


m fcc Hc

W
(Trabajo)

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MOTORES TÉRMICOS

OTROS PARÁMETROS (I)

 Régimen (n): Es la velocidad angular con que gira el cigüeñal. Suelen
utilizarse los tres tipos de unidades siguientes.

60

rpm (rev/min)

1
2

n (rev/s)

 (rad/s)

2
60

 Velocidad lineal media (Cm): Velocidad media con que se mueve el pistón.
Cm  2 S n

Rango de Cm a Nmax

MEP turismos

MEP deportivos

MEC automocion

MEC 4T industriales
MEC 2T lentos


 Cm  8 , 16 m / s

 Cm  15 , 23 m / s
 Cm  9 , 13 m / s

 Cm  6 , 11 m / s
 Cm  6 , 7 m / s

 Potencia específica: (puede ser por unidad de masa o volumen)
Nf (vol) =

N
VD

Nf (mas) =

(Potencia por unidad de cilindrada)
N

mmotor

(Potencia por unidad de masa del motor)

Los MEP presentan mayores Nf que los MEC no sobrealimentados.
Los motores 2T presentan mayores Nf que los motores 4T.


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MOTORES TÉRMICOS

OTROS PARÁMETROS (II)

 Consumo específico (gf): Mide (habitualmente en g/Kwh) el consumo de
combustible por unidad de potencia extraída. Es un parámetro relacionado
con el rendimiento a través del poder calorífico del combustible. Puede ser
indicado (gif) o efectivo (gef).

mf
1
gf 

N  Hc
MEP  gef  320 , 280 g / kWh

Rango de gef 
MEC  gef  280 , 180 g / kWh


 Rendimiento volumétrico (v): Es un indicador del llenado de aire o mezcla
del motor, comparándolo con el llenado teórico a una temperatura de
referencia.



v





mmcc
mm
1
ma


VD im VT im n i C VT ia n i

ia  Densidad del aire en las condiciones de referencia.
C  Relación entre el volumen ocupado por el aire y el ocupado por la mezcla
admitida.
ma
1
Va pa
29
29



C
ma mh mf
1
h
F
VT pi




29 18 Mf
29 18 Mf

Para combustibles de elevado peso molecular (gasolina, gasoleo) y las
humedades habituales en el aire C toma valores próximos a uno.
Grado de carga: para un régimen de giro dado, el grado de carga expresa la
relación entre el par máximo del motor a ese régimen y el que está
suministrando el motor en las condiciones de funcionamiento.
En MEP se actúa sobre la posición de la mariposa de admisión y de esta
manera se modifica la macc y el sistema de formación de la mezcla ajusta la
mfcc. En MEC se actúa sobre la bomba inyectora para modificar directamente la
mfcc.
w i m H  i
Me  e  fcc c e
2
2
Existe una relación siempre creciente entre el actuador del grado de carga y el
par efectivo. Algunas veces se el grado de carga se define como la posición del
actuador respecto a su posición máxima o de plena carga.

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MOTORES TÉRMICOS

POTENCIA Y PAR EN FUNCIÓN DE LOS PARÁMETROS
(Concepto de grado de carga)

La potencia suminstrada por un motor alternativo se puede expresar como
sigue:


Ne  mf Hc e  ma F HC e  n i VT C ia v Fr Fe HC i m

el par se puede expresar de la misma forma dividiendo por la velocidad
angular:
Me 

1
i VT C ia v Fr Fe HC i m
2

Podemos hacer un análisis de la dependencia de cada uno de estos
parámetros y agruparlos:
Parámetros dependientes del combustible y de las condiciones atmosféricas;
Fe Dosado estequiométrico
Hc Poder calorífico del combustible
ia Densidad del aire.
C Depende muy ligeramente del dosado, en los motores donde ese
parámetros es importante (MEP a gas) el dosado relativo no varía.
Parámetros de diseño del motor, algunos se eligen y otros indican el grado de
éxito en el diseño:
i Tipo de motor (2T o 4T).
VT Cilindrada del motor.
e Rendimiento efectivo, este parámetro depende de las condiciones de
funcionamiento.
Parámetros de diseño que se modifican en funcionamiento respecto de su valor
máximo de diseño, podríamos llamarlos parámetros de funcionamiento:
v Rendimiento volumétrico: en los MEP. Se modifica para variar el par
que suministra el motor, el valor máximo depende ligeramente del
régimen de giro.
Fr Dosado relativo: en MEC se modifica para variar el par, en MEP varia
poco en todos los puntos de funcionamiento.
n Régimen de giro: este parámetro se fija en el punto de equilibro entre el
par resistente y el par motor.
A la relación entre el par máximo y el par real que está dando el motor se le
suele denominar grado de carga.

Página 10

MOTORES TÉRMICOS

POTENCIA Y PAR EN FUNCIÓN DEL REGIMEN
Me 

1
i VT C ia v Fr Fe HC i m
2

Para un motor dado y en unas condiciones atmosféricas definidas, el par
depende fundamentalmente del producto de los tres rendimientos y del dosado
relativo.
En condiciones de plena carga, ninguno de los cuatro varía mucho cuando se
modifica el régimen. Cabe destacar la caída del rendimiento mecánico a alto
régimen y algo similar le ocurre al rendimiento volumétrico en los motores de
aspiración natural.
Se puede decir que a plena carga el par permanece sensiblemente constante
al variar el régimen. Las variaciones que puede tener son fundamentalmente
debidas al rendimiento volumétrico y en menor medida al dosado relativo y el
rendimiento indicado, a alto régimen la caída del rendimiento mecánico y el
rendimiento volumétrico hace que el par decrezca.
Ne  2 n Me

En consecuencia la potencia aumenta linealmente con el régimen de giro y solo
a alto régimen alcanza un máximo cuando el incremento de régimen no
compensa la caída del par.

Nemax
Memax
Diferentes curvas de para para
diferentes grados de cargas:
Modificación de Fr MEC
Modificación de v MEP
n


Página 11

MOTORES TÉRMICOS

BIBLIOGRAFÍA
Muñoz, M., Payri, F. Motores de Combustión Interna Alternativos. Servicio Publicaciones
E.T.S. Ingenieros Industriales, Universidad Politécnica Madrid, 1994. Cap. 1: Características
Fundamentales de los MCIA (pp. 3-25).


Página 12

MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
SEMEJANZA DE MOTORES ALTERNATIVOS
BASES DE LA SEMEJANZA

CONSECUENCIAS DE LA SEMEJANZA

IMPLICACIONES DE LA SUBDIVISIÓN DE LA CILINDRADA

CONSIDERACIONES FINALES

EJEMPLOS:
Subdivisión de la cilindrada
Curvas de par
Estudio comparativo de motores de automoción


Página 1

MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
BASES DE LA SEMEJANZA EN MCIA

FINALIDAD:
 Sirve para explicar las tendencias que presentan los MCIA al variar su
tamaño (al variar su cilindrada).
 Teoría simple (utiliza aproximaciones) y no exacta pero que es una
herramienta útil y rápida para el diseño y elección de motores según la
aplicación que se les quiera dar.

CONDICIONES A CUMPLIR POR MCIA SEMEJANTES:

1. Semejanza geométrica: La relación entre dos dimensiones geométricas
cualesquiera, en uno de ellos, es igual a la relación entre las dimensiones
geométricas respectivas, en el otro (motores iguales pero a escala).
2. Trabajar en iguales condiciones ambientales.

Tª agua refrigerante
Dosado

3. Trabajar con iguales reglajes 
Punto de encendido
etc.


4. Poseer la misma velocidad media del pistón Cm.


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MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
IGUALDAD DE LAS PRESIONES MEDIAS EN MCIA SEMEJANTES(I)

IGUALDAD DE PMI EN MOTORES SEMEJANTES:

pmi 

W i i Hc mfcc i Hc F macc


 i Hc F v ia
VD
VD
VD

 El rendimiento volumétrico (v) se verá que se puede hacer depender
únicamente de relaciones entre magnitudes geométricas (1), condiciones
ambientales (2) y Cm (4). Así para motores semejantes v se mantiene.

 F es el mismo (3).

 ia es la misma (2).

 Hc es el mismo pues se utiliza el mismo combustible.

 i a pesar de variar las pérdidas de calor se supone que se mantiene.
Posiblemente esta hipótesis es la más alejada de la realidad.

 La pmi se puede considerar igual para motores semejantes.


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MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
IGUALDAD DE LAS PRESIONES MEDIAS EN MCIA SEMEJANTES(II)

IGUALDAD DE PMPM EN MOTORES SEMEJANTES:

 Las pérdidas de rozamiento (pmpmR) se pueden considerar iguales ya que
dependen de manera fundamental de Cm (4) y pmi (se mantiene).

 Las pérdidas por bombeo (pmpmB) son las mismas pues dependen
fundamentalmente del v (se mantiene), Cm (4) y relaciones entre
dimensiones geométricas (1).

 Las pérdidas por accionamiento de auxiliares (pmpmA) se suponen que son
iguales porque la variación de la energía necesaria para el accionamiento de
auxiliares será proporcional a la variación del tamaño.
pmpm  pmpmR  pmpmB  pmpmA

 La pmpm se puede considerar igual para motores semejantes

IGUALDAD DE PME EN MOTORES SEMEJANTES:

pme  pmi  pmpm

 La pme es igual para motores semejantes.


Página 4

MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
CONSECUENCIAS DEDUCIDAS DE LA SEMEJANZA DE MOTORES (I)

 Nos referiremos a motores monocilíndricos aunque los resultados se pueden
extender a motores policilíndricos con igual o distinto número de cilindros,
siempre y cuando se guarde la semejanza cilindro a cilindro.

 Para dos motores semejantes 2 y 1, siendo 2 más grande que 1, se define la
relación de semejanza geométrica  como la relación entre dos magnitudes
lineales geométricas cualesquiera de ambos motores.



L2
L1

1

1.- Relación entre potencias

Ne = Ap pme S n i 

Ap
pme Cm i
2

Así la relación entre potencias:

Ne2
=
Ne1

Ap2
pme Cm i
2
 2
Ap1
pme Cm i
2

La potencia crece con el cuadrado de , no con el cubo como la cilindrada.


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MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
CONSECUENCIAS DEDUCIDAS DE LA SEMEJANZA DE MOTORES (II)

2.- Relación entre pares

pme i VT2
pme i VT
Te 2
2
Te =


 3
pme i VT1
2
T e1
2
El par crece como la cilindrada, con el cubo de 
3.- Relación entre el número de revoluciones

Cm
Cm
n2 2S2 1
n



Cm
n1

2S
2S1
Los motores son tanto más lentos cuanto más grandes son.

4.- Relación entre potencias por unidad de superficie de pistón:

La potencia por unidad de área de pistón no varía en motores semejantes:

Ne pme Cm i


Ap
2

Ne2
Ap 2
1
Ne1
Ap 1

La potencia dividida por el área del pistón da una idea del éxito en el diseño.

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MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
CONSECUENCIAS DEDUCIDAS DE LA SEMEJANZA DE MOTORES (III)

5.- Relación entre potencias específicas:

Tanto la masa del motor como la cilindrada varían con 3.
Ne2
Ne2
mmotor 2  VD 2  Ne2 VD1  2 1  1
Ne1
Ne1
Ne1 VD2
3 
VD 1
mmotor1
En motores semejantes conforme aumenta el tamaño disminuye la potencia
específica. Si se quiere mejorar la potencia específica en un motor grande hay
que acudir a la sobrealimentación o a los motores de 2T.

6.- Relación entre el cociente calor cedido al refrigerante - calor aportado:

Calor aportado por el combustible Qap , comb  mfcc Hc  mfcc Hc  Varía como la
cilindrada.
Calor cedido al refrigerante Qref 

A h T
 Depende fundamentalmente del
ni
área (A) y del régimen (n).

Qref 2
1
A 2 Qap, comb1 n1
Qap, comb2

 2 3   1
Qref 1
A1 Qap, comb2 n2

Qap, comb1
Si el coeficiente de película (h) se mantuviese en motores semejantes, el
cociente entre el calor cedido al refrigerante y el calor aportado se mantendría
constante. Ocurre que el coeficiente de película disminuye al aumentar el
tamaño del motor por lo que los motores más grandes son más adiabáticos.
1
Realmente el cociente varía con 0.25




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MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
IMPLICACIONES DERIVADAS DE SUBDIVIDIR LA CILINDRADA(I)

Se parte de dos motores semejantes con igual cilindrada y distinto número de
cilindros. Como los cilindros del motor 2 son más grandes, el número de
cilindros del motor 1 será mayor que el número de cilindros del motor 2:



L2



 1

  Z1  Z 2
L1
VT2 = VT1 


Como las cilindradas son iguales:

VT 2 Ap2 S2 Z2
Z2

 3
1
VT1 Ap1 S1 Z1
Z1



Z2 1
=
Z1 3

Así la relación entre potencias totales queda:

Ap2
Cm pme i
1
Ne2
Z2
1
2

 2  3 2 
Ap1
Ne1
Z1


Z1
Cm pme i
2
Z2

Para igual cilindrada, al aumentar el número de cilindros aumenta la potencia.


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MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
IMPLICACIONES DERIVADAS DE SUBDIVIDIR LA CILINDRADA(II)

Otras implicaciones de subdividir la cilindrada son:
 Al subir el número de cilindros el par motor es más regular.
 Al subir el número de cilindros el número de piezas aumenta, si bien son más
pequeñas.
 Al aumentar el número de cilindros el régimen del motor aumenta (los
cilindros son más pequeños).
 Al subir el número de cilindros la vida de las piezas disminuye al aumentar su
desgaste relativo (mayores regímenes).
 Al subir el número de cilindros las disposiciones constructivas son más
complicadas (disposición de cilindros en V,..etc).
 En MEP al subir el número de cilindros aumenta la trasmisión de calor a
través de las paredes existiendo menos posibilidades de detonación.
 En MEC al subir el número de cilindros aumenta la transmisión de calor
provocando: dificultad en el arranque, marcha dura, más humos, etc.


Página 9

MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
CONSIDERACIONES FINALES SOBRE LA SEMEJANZA

 En la práctica Cm y pme no se mantienen al variar la cilindrada. Al aumentar
la cilindrada Cm y pme bajan por existir criterios más conservadores en el
diseño.
 Sin embargo Cm y pme sí que se mantienen bastante constantes cuando se
trata de motores para una misma aplicación. Así, la semejanza puede ser
muy útil en la elección de un motor para una determinada aplicación entre
varios existentes en el mercado.
 En la tabla adjunta se relacionan los parámetros más característicos de los
motores, tomando los valores típicos en función del tipo de aplicación.
S/D

Cm
(m/s)

pme
(bar)

Ne/VT
(kW/l)

Ne/Ap
(kW/cm2)

gef
(g/kWh)

Régimen
(rpm)

MEP automoción 4T
(1000 cc, 4 cilindros)

0.9

13

10

40

0.2

300

5800

MEP automoción 4T
(2000 cc)

0.9

14

9

35

0.2

300

5500

MEP competición
(400 kW)

0.6

23

12

130

0.5

430

12000

MEC automoción 4T
inyecc. indirecta (45 kW)

1.2

11

9

15

0.22

260

4500

MEC automoción 4T (100 kW)
aspiración natural

1.1

10

8

14

0.18

235

2600

MEC automoción 4T (200 kW)
sobrealimentado

1.1

10

12

18

0.25

225

2600

MEC Tractor 4T (45 kW)
aspiración natural

1.2

9

6

13

0.14

225

2500

MEC Tractor 4T (75 kW)
aspiración natural

1.2

8.5

6

11

0.13

225

2400

1

11

16

13

0.40

215

1500

MEC Industrial 4T (10000 kW)
sobrealimentado

1.2

8.5

20

8

0.42

200

520

MEC Barco 2T (35000 kW)
sobrealimentado

2.2

6.6

13

2

0.42

190

80 - 150

TIPO DE MOTOR

MEC Tracción ferroviaria 4T
(1400 kW) sobrealimentado


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MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
EJEMPLO DE LA SUBDIVISIÓN DE LA CILINDRADA (I)

Se tiene un MEP tricilíndrico, de 4T, con una cilindrada de 600 cm3 y con una
relación carrera-diámetro igual a la unidad, que suministra una potencia de 35
kW a 7500 rpm. (Motor nº1).
Se pretende diseñar un motor semejante al anterior, bicilíndrico y que
suministre la misma potencia. (Motor nº2).
 Relación de semejanza.
Como ambos motores suministran la misma potencia:

N
1  e2 
Ne1

z2
z1

A p2
4 60
A p1
4 60



c m 2 pme 2
c m 1 pme1

z1

z2

z2 D 2 z2 2
2



2
z1 D 1 z1

3
.
 122
2

 Determinación de las cotas geométricas, cilindrada y régimen de
máxima potencia del nuevo motor.
VT1 

 2
 3
D1 s 1 z 1  D1 z1
4
4

D1  3

V T1 4
 6.4 10 2 m  s 1
 z1

D 2   D 1  7.8 10 2 m  s 2
2
VT 2 z 2 D 2 s 2
1

 2 3  
2
VT1
z1 D1 s 1 

n2 

VT 2   VT1  732 cm 3
1
n1  6147 rpm



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MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
EJEMPLO DE LA SUBDIVISIÓN DE LA CILINDRADA (II)

 Velocidad lineal media del pistón y presión media efectiva.
Por ser semejantes los dos motores, la cm y la pme serán iguales en
ambos.
cm1  2 s 1 n1  16 m  cm 2
s

pme1 

Ne1
 9.3 bar  pme 2
n
VT1
2 60

 Ventajas e inconvenientes entre los dos motores, donde el motor nº2 es
más grande y tiene menos cilindros:
z1  z 2
D1  D 2
Inconvenientes del motor nº2:
VT 2  VT1  Ne 2 Ne 1
por lo que la potencia especifica del


Ne 2  Ne 1 
VT 2 VT1
motor 2 es menor que la del 1

- Como

- Como z2 < z1 , el Me2 será más irregular que el Me1.
-Como es un MEP, y el motor nº2 es más grande (más adiabático), la
tendencia a la detonación aumentará en este motor.
Ventajas del motor nº2:
- Como VT2>VT1  2 > 1 ya que tiene menos pérdidas de calor.
- Como z2 < z1 , el número de piezas del motor nº2 será menor y por tanto
su disposición constructiva será menos complicada.
- Como D2 > D1 , las piezas del motor nº2 serán más grandes y robustas y
entonces la vida de éstas será más larga (para un igual desgaste
mecánico).

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MOTORES TÉRMICOS

Semejanza

ESTUDIO DE SEMEJANZA DE MOTORES A PARTIR DE SUS CURVAS DE
PAR (I)

Te
101,25 Nm

30 Nm

3500

1000

2000

3000

5250

4000

5000

rpm

Las curvas corresponden a dos motores de aspiración natural, de 4 Tiempos y
4 cilindros cuadrados es decir, D/S=1.

Para ser semejantes deben tener la misma presión media efectiva, pme, y la
misma velocidad lineal media del piston, cm.
Suponiendo que la velocidad lineal media es la misma, se puede decir:
2 S1 n 1  2 S 2 n 2


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MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
PAR (II)

Aplicando la ecuación anterior en los puntos de par máximo se tiene:

2 S1

2000
3000
 2 S2
60
60

de donde:

S1 2000

 1,5  
S2 3000

También podemos decir:
Te 1  VT 1

pme 1
 L31 pme1
4

Te 2  VT 2

pme 2
 L32 pme 2
4

de donde se obtiene la relación ya conocida:
Te1
Te2

3

L 
  1   3
 L2 

Tomando el punto de par máximo:
101,25
 3,375  1,5 3  3
30

Por lo tanto, se cumple la relación y los motores son semejantes.

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MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
PAR (III)

Para ver si los valores de par son coherentes con el régimen de giro y las
características indicadas, suponemos un valor razonable de presión media
efectiva, por ejemplo 10 bares.

De la relación entre el par y la presión media efectiva obtenemos:

VT 2 

4  Te 2
pme 2



4  101,25 (Nm)
 0.001272 m 3  1272 cm 3
5
10 10 (Pa)

La cilindrada de un motor cuadrado (S = D) responde a la fórmula:

 S2
VT 
SZ
4



S3 

4 VT

Z

S 2  0,074 m

La velocidad lineal media del pistón en el punto de régimen máximo es:

cm2  2 S2 n 2  2 0.074

3500
 8.63 m / s
60

La velocidad media del pistón toma valores entre 10 y 20 m/s, por lo tanto, los
valores de par de los motores no son coherentes con el régimen de giro y las
características indicadas.


Página 15

MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
PAR (IV)

El planteamiento podía haber sido inverso; si se supone un valor razonable de
Cm de 13 m/s para el régimen máximo:

S

Cm
13 m / s
 S2 
 0.110 m
3500
2n
2
60

La cilindrada de un motor será:

VT 

 S3
4

Z



VT 2 

 0.110 3
4

4  0.004181 m 3  4181 cm 3

La presión media efectiva máxima (en el punto de máximo par) es:

pme 2 

4  Te 2
VT 2



4  101,25 (Nm)
 304315 Pa  3.04 bar
0.00418 (m 3 )

Los valores habituales de pme oscilan entre 9 y 11, en consecuencia la presión
media efectiva a quedado muy pequeña lo que redunda en que los valores de
par de los motores no son coherentes con el régimen de giro y las
características indicadas.

Las curvas de par de los motores corresponden, o bien a motores de pequeña
cilindrada con una pme aceptable pero que sin embargo no pueden subir de
revoluciones hasta los valores habituales, o a motores grandes acordes con el
régimen de giro que no tienen una buena pme.

Página 16

MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
ESTUDIO COMPARATIVO DE MOTORES DE AUTOMOCIÓN

Algunas conclusiones que se pueden extraer del análisis de las tablas son:
 Los MEC tienen una menor velocidad lineal media que los MEP.
 Los MEC tienen una menor pme que los MEP y los motores
sobrealimentados tienen mayor pme que los de aspiración natural.
 En los MEP la velocidad lineal media máxima crece con la cilindrada.

BIBLIOGRAFÍA
E.T.S. Ingenieros Industriales, Universidad Politécnica Madrid, 1994. Cap. 9: Semejanza de
Motores (pp. 215-227).
OTROS:
Revistas de Motociclismo del 1996
Autocatálogo 1995 y 1996


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MOTORES TÉRMICOS

Semejanza


Página 18

MOTORES TÉRMICOS

Ciclos Termodinámicos

CICLOS TERMODINÁMICOS EN LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN
INTERNA ALTERNATIVOS

INTRODUCCIÓN
CICLO IDEAL DE AIRE
CICLO TEORICO AIRE COMBUSTIBLE
CICLO REAL EN MEC Y EN MEP
MEDIDA DE PARÁMETROS INDICADOS


Página 1

MOTORES TÉRMICOS

INTRODUCCIÓN (I)

EVOLUCIÓN DEL FLUIDO EN EL MOTOR ALTERNATIVO
P

+

V
V PMS

VD

VPMI

 RENOVACIÓN DE LA CARGA
Admisión
Escape
 CICLO TERMODINÁMICO BÁSICO
Compresión
Combustión
Expansión


Página 2

MOTORES TÉRMICOS

INTRODUCCIÓN (II)

CICLO TEÓRICO
Ciclo termodinámico básico en el que se hacen ciertas hipótesis simplificadoras
las cuales permiten la realización de cálculos más fácilmente y sirven de
modelos de referencia o comparación.





Pérdidas de calor
Proceso de combustión
Propiedades del fluido
Proceso de renovación de la carga

1. CICLO IDEAL DE AIRE
Base teórica muy simple, el rendimiento se puede calcular a
partir de fórmulas
2. CICLO TEÓRICO AIRE COMBUSTIBLE
Se consideran las propiedades del fluido más próximas a la
realidad, el rendimiento hay que calcularlo con métodos
numéricos.
3. CICLO REAL
Se analiza a partir del
presión en el cilindro).

diagrama indicador (medidas de

Índice de calidad de un ciclo
Indica la aproximación entre un ciclo real y uno teórico, se define como:

K

WR
R

Wteorico  teorico


Página 3

MOTORES TÉRMICOS

CICLO IDEAL DE AIRE (I)
HIPÓTESIS
1. Calor especifico del fluido constante.
2. Sucesión de procesos similar a las del motor real.
3. La misma relación de compresión volumétrica que en el motor.
4. La misma aportación de energía por unidad de masa que en el proceso
real.
5. La misma presión y temperatura al inicio de la compresión que en el
proceso real.
CICLO AIRE A VOLUMEN CONSTANTE
La aportación de calor al fluido se hace instantáneamente en el punto muerto
superior al final de la carrera de compresión.

  1

1
r  1

Conclusiones principales:
1. El rendimiento aumenta con la relación de compresión.
2. El rendimiento sólo depende de la relación de compresión.
3. El rendimiento aumenta con  la cual disminuye con el dosado.
Este ciclo suele ser representativo de los motores de encendido provocado.

Página 4

MOTORES TÉRMICOS

CICLO IDEAL DE AIRE (II)
CICLO DE AIRE A PRESIÓN LIMITADA
La aportación de calor se realiza a volumen constante hasta que se alcanza
una determinada presión (Pmax) a partir de aquí el resto de calor se libera
mientras baja el pistón de manera que la presión se mantiene constante e igual
a la presión máxima.
La presión máxima suele ser la presión máxima que se da en el motor real.

  1

1
r  1

   1
  1    1

Definiciones
1. Grado de combustión a volumen constante  
2. Grado de combustión a presión constante

P3
P2



=1  P=cte.

V3 A
V3

=1  V=cte.

Este tipo de ciclo es característico de los motores diesel rápidos.

Página 5

MOTORES TÉRMICOS

CICLO IDEAL DE AIRE (III)
CICLO DE AIRE A PRESIÓN CONSTANTE
Es una particularización del anterior en el que ALFA es 1 y todo el combustible
se quema a presión constante.

  1

1
r  1

  1
   1

Este tipo de ciclo es característico de los motores diesel lentos.
EXPRESIONES RELACIONADAS CON LOS CICLOS
Q
 r  1  1
C v T1
Q
 r  1  1
Cv T1

Calor aportado a volumen constante
Calor aportado a presión constante
Trabajo obtenido en el ciclo
Temperatura máxima del ciclo
Presión máxima del ciclo





W
 r  1  1     1     1
Cv T1
T3 A
 r  1
T1
P3
 r  1
P1


Página 6

MOTORES TÉRMICOS

CICLO IDEAL DE AIRE (IV)

COMPARACIÓN DE LOS DIFERENTES CICLOS

a)Mismo calor aportado y misma relación de compresión.

El ciclo con mejor rendimiento es el de volumen constante después el de
presión limitada y el de peor rendimiento el de presión constante. Sin embargo
el de presión constante es el que tiene una menor presión máxima.

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MOTORES TÉRMICOS

CICLO IDEAL DE AIRE (V)
b) Misma presión máxima y mismo calor aportado

Para un mismo calor aportado y con limitación de presión máxima el ciclo con
mejor rendimiento es el de presión constante y es el que puede tener mayor
relación de compresión.
c) Misma presión máxima y misma temperatura máxima

El ciclo con mejor rendimiento es el de presión constante, también es el de
mayor trabajo ya que tiene más área.

Página 8

MOTORES TÉRMICOS

CICLO IDEAL DE AIRE (VI)
CONSIDERACIONES FINALES SOBRE EL CICLO IDEAL DE AIRE
 Los motores de encendido provocado tienen menor relación de compresión
que los motores de encendido por compresión y dentro de estos últimos los
lentos tienen menor relación de compresión que los rápidos.

 La comparación de ciclos sólo tiene sentido para situaciones similares.

 En motores de encendido provocado el calor aportado por unidad de masa
es mayor (mayor dosado).

 El grado de explosión a volumen constante  está muy relacionado con la
primera fase de la combustión en MEC.

 En MEC la relación de compresión mínima viene fijada por razones de
arranque en frío y en MEP la relación de compresión máxima viene fijada por
razones de detonación (picado de biela).

 Las presiones máximas son mayores en los MEC rápidos que en los lentos y
son menores aún en los MEP.


Página 9

MOTORES TÉRMICOS

CICLO TEÓRICO AIRE COMBUSTIBLE
En este tipo de ciclo el calor específico aumenta con la temperatura con lo cual
empeora el rendimiento.
Si Cv crece aportando el mismo calor obtenemos una menor temperatura final
con lo cual el rendimiento disminuye.
Q = Cv (Tf - Ti)
Cv cte < Cv aire < Cv aire-combustible

Cv=cte
Cv=f(T)
Cv=f(T,F)

P1=1 bar
T1=320 K


Página 10

MOTORES TÉRMICOS

CICLO REAL EN MEP(I)
Ciclo ideal sin
transmisión de
calor
Perdidas
de tiempo

Ciclo ideal con
transmisión de calor

Perdidas
de calor

Perdidas de
calor

Ciclo real con
adelanto en
apertura de
valvula de
escape

Ciclo real
con
adelanto en
apertura de
valvula de
escape

Perdidas
de escape

Causas de las diferencias:
 Fugas
En motores nuevos y puestos a punto son muy bajas.
 Combustión incompleta
Retención de HC en huecos, depósitos y lubricante.
Apagado de llama.
Pared

Tª Combustión
Tª Mínima de combustión

Tª Pared
Distancia de apagado
(inquemados)

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MOTORES TÉRMICOS

CICLO REAL EN MEP(II)
 Pérdidas de tiempo
En el proceso de combustión existe un frente de llama que tiene que
recorrer toda la cámara de combustión para que la combustión se
complete.
El tiempo que tarda en recorrerse toda la cámara depende
fundamentalmente de:
Naturaleza del combustible y dosado.
Forma y tamaño de la cámara de combustión.
Número y posición de las bujías.
Condiciones operativas del motor.
La potencia y el rendimiento máximo se obtienen cuando la combustión
está centrada respecto del punto muerto superior.
 Combustión progresiva
Debido a que las condiciones de presión y temperatura a lo largo del
periodo de combustión varían, el rendimiento del proceso también varía,
dando lugar a una pérdida.
 Pérdidas de calor
Es necesario refrigerar la cámara de combustión y esto provoca las
pérdidas de calor. La mayor transmisión de calor se produce durante el
proceso de expansión y escape, siendo muy poco lo que se produce
durante la compresión. Durante el proceso de admisión el calor se
transmite de las paredes al fluido (ganancia de calor).
 Pérdidas de escape
La válvula de escape se abre antes del PMI intencionadamente para
mejorar el proceso de renovación de la carga. Lo que se pierde en el
proceso de expansión se recupera en el proceso de renovación de la
carga, por lo que en cierto modo no se pueden considerar como
pérdidas.

Página 12

MOTORES TÉRMICOS

CICLO REAL EN MEP(III)
EFECTO DE LA VARIABLES OPERATIVAS
 Punto de encendido
Tiene una gran influencia sobre la potencia y el rendimiento, para que la
combustión se mantenga centrada al aumentar el régimen de giro es
necesario aumentar el avance.

0

 Régimen de giro
A regímenes bajos las pérdidas de calor y por fugas aumentan.
Para la misma velocidad de combustión, al aumentar el régimen de giro,
la combustión dura más angularmente por lo que hay que avanzar el
inicio de la combustión para que esta permanezca centrada.
ejemplo:
Si la combustión dura 3ms, a 2000 rpm angularmente esto es:    t  360  2000 0.003  36  esto
60

supone un avance de 18° para que la combustión esté centrada en el PMS.
Si el régimen de giro es 4000 rpm    t  360  4000 0.003  72 lo cual supone un avance de 36° para
60

conseguir el mismo centrado de la combustión.

Página 13

MOTORES TÉRMICOS

CICLO REAL EN MEP(IV)
 Presión de admisión
Al aumentar la presión de admisión aumenta la presión media indicada y
por tanto la potencia.

4/4
3/4
2/4
1/4

La modificación de la presión de admisión se da en los casos de
sobrealimentación y de regulación de la carga, esto último sólo en MEP.
 Presión de escape
Influye en el proceso de renovación de la carga de manera que al
aumentar la presión de escape se aumentan los residuales y esto hace
que la combustión se desarrolle más lentamente.
 Relación combustible aire (dosado)
Mejora la potencia hasta valores del dosado relativo del orden de 1.15 y
el rendimiento es mejor para valores del orden de 0.9

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MOTORES TÉRMICOS

CICLO REAL EN MEC (I)
Características del proceso de combustión en MEC
 En los MEC existe un retraso desde que se inicia la inyección de combustible
hasta que se inicia la combustión.
 El tiempo de retraso va seguido de un aumento brusco de la presión debido
a que se quema gran parte del combustible inyectado durante el tiempo de
retraso.
 Posteriormente el resto del combustible se quema en un proceso de
combustión más lento durante el proceso de expansión.
 La duración angular de cada una de estas tres fases varían con el diseño y
las condiciones operativas.

MEP

MEC

MEC

MEP


Página 15

MOTORES TÉRMICOS

CICLO REAL EN MEC (II)
Pérdidas de tiempo en MEC
Las pérdidas de tiempo en MEC son más variables que en los MEP pues
el proceso de combustión se ve muy modificado en función de las
variables operativas: régimen y grado de carga fundamentalmente.

MEP

MEC

MEP

MEC

No hay que olvidar que en estos diagramas los dos ciclos tienen la misma
relación de compresión pero realmente en MEC la relación de
compresión es aproximadamente el doble que en MEP.

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MOTORES TÉRMICOS

MEDIDA DE PARÁMETROS INDICADOS
En la actualidad se utilizan captadores piezoeléctricos para medir la presión, la
adquisición de datos está sincronizada con un codificador angular que genera
la señal de disparo de la adquisición (1xVuelta) y la señal de reloj (NxVuelta).
La señal de disparo indica el inicio de la adquisición y es necesario saber en
que posición angular está respecto de alguna referencia generalmente el PMS.
La señal de reloj dispara cada una de las adquisiciones individuales de datos,
con lo que sabiendo el incremento angular de la señal de reloj se sabe la
distancia angular entre cada dato.
De esta manera sólo se registra una señal, la de presión pero se sabe a que
posición angular corresponde cada dato y consecuentemente se conoce el
volumen en el interior del cilindro.

Captador presión
(piezoeléctrico)



N  Vuelta

Captadores de posición
(magnéticos u ópticos)
Señal 1 Vuelta

1  Vuelta
Referencia Angular


Página 17

MOTORES TÉRMICOS

BIBLIOGRAFÍA
Taylor, C. F., The Internal Combustion Engine in Theory and Practice. The MIT Press, 1982.
Cap. 2: Air Cycles (pp.22-39). Cap. 4: Fuel-Air Cycles (pp. 67-106). Cap. 5: The Actual Cycle
(pp. 107-146).


Página 18

MOTORES TÉRMICOS

Refrigeración y Lubricación

REFRIGERACIÓN Y LUBRICACIÓN
OBJETIVOS DE LA REFRIGERACIÓN
REFRIGERACIÓN POR LÍQUIDO
REFRIGERACIÓN POR AIRE
COMPARACIÓN ENTRE TIPOS DE REFRIGERACIÓN
PERDIDAS MECÁNICAS
TIPOS DE LUBRICACIÓN
LUBRICACIÓN A PRESIÓN
PROCEDIMIENTOS PARA LA DETERMINACIÓN DE LAS PÉRDIDAS
MECÁNICAS


Página 1

MOTORES TÉRMICOS

OBJETIVOS DE LA REFRIGERACIÓN

La refrigeración en los motores de combustión interna alternativos viene
impuesta por exigencias mecánicas. Desde el punto de vista del ciclo es una
pérdida y por lo tanto tiene una influencia negativa en el rendimiento

Disminución de las pérdidas de calor:

- Aumento del rendimiento
- Motores adiabáticos

OBJETIVOS
 Acotar la temperatura, lubricación, dilataciones.
 Cilindro: 200 °C
 Pistón: 200 a 350 °C
 Culata: 300 °C
 Válvula de escape: 700 °C
 Segmentos: 225 °C

Estos valores dependen del tamaño del motor y de las condiciones
operativas, por ejemplo la temperatura de las distintas zonas del pistón varía
con el régimen de giro o con la presión media efectiva:


Página 2

MOTORES TÉRMICOS

REFRIGERACIÓN POR LÍQUIDO
3
6

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

10

4

8

5

2

1

9

Bomba
Bloque
Culata
Termómetro
Termostato
Radiador
Refrigerador aceite
Electroventilador
Termointerruptor
Vaso de expansión

7

 Fluido refrigerante: agua. Anticongelante. Circuito presurizado para subir
las temperaturas de ebullición.
 Bomba de impulsión centrífuga:

 Tamaño reducido.
 Grandes caudales con alturas
reducidas.
 Caudal de refrigerante: punto de
corte de las curvas.
l min
en máxima potencia.
aprox. 2
kW
 Presión: 0.5 a 1.5 bar.

 Sistema de regulación para cargas parciales.
 Termostato: distribuye el agua entre
el circuito básico y el bypass.
 Puesta en marcha: circuito básico
cerrado.
 Apertura del termostato: 80 - 85°C
 Apertura completa: 90°C


Página 3

MOTORES TÉRMICOS

 Radiador: Intercambiador agua-aire ambiente. A bajas velocidades:
electroventilador.

REFRIGERACIÓN POR AIRE
El calor transmitido a las paredes se refrigera con el aire por medio de un
aleteado en la superficie externa del motor.

En motores estacionarios y de automoción se necesita:

 Soplante
 Carcasa envolvente
 Elemento de regulación del
caudal de aire.


Página 4

MOTORES TÉRMICOS

COMPARACIÓN ENTRE LA REFRIGERACIÓN POR AIRE FRENTE A LA
DE POR LÍQUIDO

VENTAJAS
 Menor número de averías.
 Más autónomo.
 Menor inercia térmica.
 Menos sensible a variaciones de la temperatura exterior.

INCONVENIENTES
 Temperaturas de funcionamiento más elevadas: v, NOx,
problemas de autoencendido.
 Problemas térmicos: juegos en frío.
 Tamaño del motor mayor.
 Potencia de accionamiento de la soplante elevada.
 Más ruidos por:





Mayores juegos para compensar dilataciones.
Construcción menos rígida (cilindros independientes).
Soplante.
Aletas.

 Suciedad en aletas: menor refrigeración y peligro de incendio.


Página 5

MOTORES TÉRMICOS

BALANCE TÉRMICO DE UN MOTOR:








Qt  QN  Qr  Qg  Qres  Qa  Qra

Q t: Calor equivalente introducido en el
motor debido al combustible suministrado

por unidad de tiempo ( m f Hc ).

Q n: Calor equivalente a la potencia
efectiva obtenida del motor.

Q r: Calor transmitido al refrigerante.

Q g: Calor equivalente al estado térmico
perdido en los gases de escape.

Q res: Calor equivalente que corresponde a
la combustión incompleta (residuales).

Q a: Calor transmitido al aceite.

Q ra: Calor transmitido por radiación al
ambiente.

Q pm:Calor equivalente a las pérdidas
mecánicas.



Q a  Q ra


Q res

Qg


Qr


QN

Qt=100%

Qr
30%
Qa

Qra

Qpm
Qn=40%

Qg
30%

Qres

Página 6

MOTORES TÉRMICOS

LUBRICACIÓN Y PERDIDAS MECÁNICAS

IMPORTANCIA DE LAS PÉRDIDAS MECÁNICAS
Las necesidades derivadas de disminuir las emisiones de CO2 (efecto
invernadero) y el precio de los combustibles fósiles han traído consigo el
desarrollo de una importante línea de investigación: e  gef.

e  i m  e 

i









m

La disminución del consumo se puede llevar a cabo:

 i mejorando aspectos termodinámicos del ciclo.
 m disminuyendo las pérdidas mecánicas.
TIPOS DE PÉRDIDAS MECÁNICAS

 Por fricción o rozamiento: Debidas al rozamiento entre partes móviles
(denotadas por R). pmpmR  f (CP L  CG pmi + CI Cm 2 )
 Por bombeo: Ocasionadas por el proceso de renovación de la carga en
motores de 4T (denotadas por B).
 De accionamiento de auxiliares: Son las pérdidas asociadas al
movimiento de aquellos dispositivos arrastrados por el motor: Alternador,
bombas, dirección asistida, etc. (denotadas por A).
LA LUBRICACIÓN EN LOS MCIA (requerimientos)
CONJUNTO

DESPLAZAMIENTO TEMPERATURA PRESIÓN VELOCIDAD
RELATIVA
Pistón-camisa
alternativo
alta
moderada alta
Pistón-biela
oscilante
moderada
muy alta baja
Biela-cigüeñal
rotativo
baja
alta
alta
Cigüeñal-bloque
rotativo
baja
alta
alta
Levas-empujadores rotativo
baja
muy alta baja
Válvula de escape
alternativo
muy alta
baja
moderada

El sistema de lubricación, debe de engrasar las distintas partes del motor y
hacer frente a las distintas exigencias que se presentan en cada una de las
partes e incluso refrigerar cuando sea necesario.

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MOTORES TÉRMICOS

TIPOS DE LUBRICACIÓN:
 Por barboteo: Mediante cucharillas y anillos se proyecta aceite del
carter hacia aquellas superficies que se quieren lubricar.
 A aceite perdido: Utilizada en motores pequeños de 2T, la mezcla
arrastra en suspensión aceite. Presenta problemas por
contaminación.
 A presión: Es el sistema más utilizado, ya que cubre las exigentes
necesidades de lubricación en los motores actuales.

LUBRICACIÓN A PRESIÓN
En el circuito de engrase se pueden distinguir 4 partes fundamentales:





Bomba: Suministra la presión al aceite.
Conductos de engrase: Por ellos circula el aceite.
Filtro: Elimina las impurezas del aceite.
Refrigerador: Mantiene la Tª del aceite dentro de unos límites.

Árbol de balancines

Árbol de levas
Manómetro

Filtro en paralelo
Filtro en
serie

M

Taladros en el
cigüeñal

Bomba
Válvula de descarga
del filtro

B

Cigüeñal
Válvula de retención

Válvula de descarga
del circuito


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MOTORES TÉRMICOS

BOMBA: Son bombas volumétricas habitualmente de engranajes, a la salida
de la bomba se coloca una válvula de descarga para evitar sobrepresiones
con el aceite frio o a regímenes elevados.


 La bomba de engranajes posee un gasto másico ( m bomba ) proporcional a las
revoluciones con que gira (nb):

m bomba  K nb

FILTRO: Puede estar dispuesto en el circuito de las siguientes formas:
 En serie con el circuito:
- El filtro es atravesado por todo el aceite.
- Introduce pérdidas de carga muy grandes al
colmatarse.
 En paralelo con el circuito:
- El filtro no es atravesado por todo el aceite.
- Introduce pocas pérdidas de carga.
 En serie con el circuito y en paralelo con una válvula de descarga: recoge
las ventajas de las dos disposiciones anteriores.

REFRIGERADOR: Se suele colocar en paralelo entrando en funcionamiento
mediante una válvula termostática cuando la Tª del aceite es alta.


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MOTORES TÉRMICOS

P
Nb

Potencia absorbida
despues de que actúe
la válvula de descarga

Potencia absorbida
antes de que actúe la
válvula de descarga

Caida de presión
en el circuito

Nb
P

Presión máxima
en el circuito

Gasto de aceite
ACEITE FRÍO
ACEITE CALIENTE

Caudal que circula por la
válvula de descarga

Caudal que circula
por el motor

nb


Página 10

MOTORES TÉRMICOS

PROCEDIMIENTOS PARA DETERMINAR LAS PÉRDIDAS MECÁNICAS

Se busca fundamentalmente la dependencia de pmpm con Cm.

1.- Método del diagrama indicador

Diagrama indicador  pmi 
  pmpm = pmi - pme
Par resistente
 pme
También del diagrama indicador se puede obtener la pmpmB, y
desconectando sucesivamente los auxiliares se puede obtener la pmpmA. Así
es posible determinar las pérdidas por rozamiento:
pmpmR  pmi  pme  pmpmB  pmpmA
 Método exacto.
 Permite desglosar los componentes de las pérdidas.
 Necesidad de instrumentación para recoger el diagrama
indicador.

2.- Método Morse

Estando el motor en funcionamiento, se desconecta la combustión en uno de
los cilindros midiéndose la potencia en banco motor. Esta operación se repite
para cada uno de los cilindros:
Sin combustión en el cilindro 1:

NIe 

Ne2  Ne3  Ne4  Npm1


NII  Ne1 
e


NIII  Ne1  Ne2 
e

Sumando resulta:

N  Ne1  Ne2  Ne3
 Npm4
N  NII  NIII  NIV  3Ne  Npm
e
e
e

Ne3  Ne4  Npm2
Ne4  Npm3

IV
e
I
e

 Método sencillo.
 No se considera la influencia de la presión de los gases.

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MOTORES TÉRMICOS

3.- Recta de Willans

Se basa en la hipótesis de que gif o lo que es igual i es constante cuando se
mantiene el régimen de giro:

gif 


mf
1

 cte

i m f HC i HC

con n = cte 

Así:

m f  cte Ni = cte pmi VD

2
= cte  pmi = cte  pme + pmpm
n

Si se representa gráficamente el gasto de combustible frente a la pme
utilizando como parámetro el régimen de giro, es posible determinar las
pérdidas mecánicas asociadas a cada régimen:


m f (kg/h)

2500 rpm

16
2000 rpm

14
12

1500 rpm

10
1000 rpm

8
6
4
2
pmpm (bar) 3

2

1

0

2

4

6

8

10

pme (bar)

 Método muy laborioso.
 La hipótesis de mantenimiento del rendimiento indicado a
régimen fijo no es buena:
- En MEP las variación de las pérdidas de bombeo con el
grado de carga es importante  poco preciso en MEP.
- En MEC la hipótesis sólo deja de cumplirse a grados de
carga altos por el aumento del dosado.


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MOTORES TÉRMICOS

4.- Método de arrastre

Tras hacer funcionar el motor, éste es arrastrado sin combustión por una
dinamo-freno. El par que la dinamo-freno da al motor es el par de pérdidas
mecánicas
 Normalmente es posible determinar las pérdidas ocasionadas
por cada elemento auxiliar de manera sencilla.
 No se considera la influencia de la presión de los gases.
5.- Método de deceleración libre

Se estabiliza al motor en aquel régimen por debajo del cual se quieran
conocer las pérdidas y tras esto se corta el suministro de combustible o el
encendido, frenándose el motor únicamente por las pérdidas mecánicas. Si
se registra la deceleración angular  durante el periodo de frenado, y se
conoce el momento de inercia del conjunto I, es posible determinar el par de
pérdidas mecánicas y la presión media de pérdidas mecánicas para cada
régimen aplicando la siguiente ecuación:
Tpm  I 

 pmpm =

2
I
i VD

Cuando no se conoce el momento de inercia del conjunto es posible utilizar
un volante postizo de momento de inercia conocido IC y repetir el ensayo
añadiendo esta inercia, obteniéndose el par y el momento de inercia:

Tpm  I 
Tpm



  I, Tpm
 (I  IC )   


 Sencillo y rápido.
 Se obtienen con un sólo ensayo las pérdidas para el rango de
regímenes por el que pasa el motor mientras se va frenando.
 Es necesario un dispositivo de adquisición rápida.
 No tiene mucha precisión y es necesario conocer el momento
de inercia del motor.

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MOTORES TÉRMICOS

Combustión
COMBUSTIÓN EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS

INTRODUCCIÓN

DESCRIPCIÓN DE LA COMBUSTIÓN EN MEP
PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LA COMBUSTIÓN EN MEP
COMBUSTIÓN NORMAL Y ANORMAL EN MEP
VELOCIDADES DE COMBUSTIÓN
DIAGRAMAS DE PRESIÓN EN CÁMARA Y CALOR LIBERADO
AUTOINFLAMCIÓN, AUTOENCENDIDO Y TIPOS DE COMBUSTIÓN
ANORMAL
GEOMETRÍAS DE CÁMARAS DE COMBUSTIÓN EN MEP
DISPERSIÓN CICLICA

DESCRIPCIÓN DE LA COMBUSTIÓN EN MEC
PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LA COMBUSTIÓN EN MEC
FASES DE LA COMBUSTIÓN EN MEC
CAMARAS DE COMBUSTIÓN EN MEC
COMPARACIÓN MEC-MEP


Página 1

MOTORES TÉRMICOS

Combustión
COMBUSTIÓN EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS
Proceso de oxidación del combustible por el aire, que provoca la conversión
de la energía química que posee el combustible en energía térmica. Este
proceso tiene lugar dentro del cilindro, suponiendo un incremento de presión
que permite extraer energía mecánica mediante el movimiento del pistón.
Motor de encendido provocado (MEP)
 Habitualmente formación de la mezcla
fuera del cilindro.
 La combustión se inicia por una causa
externa, habitualmente el salto de una
chispa.
 La combustión se realiza sobre una mezcla
de aire y combustible homogénea.
 La relación aire-combustible utilizada está
en el entorno de la estequiométrica.

Motor de encendido por compresión (MEC)
 El motor admite aire sin combustible
inyectándose combustible (chorro) al final
de la carrera de compresión.
 La mezcla se autoinflama como
consecuencia de la propia compresión.
 La combustión se desarrolla sobre una
mezcla heterogénea.
 Siempre trabajan con mezclas con exceso
de aire.


Página 2

MOTORES TÉRMICOS

Combustión
DESCRIPCIÓN DE LA COMBUSTIÓN EN MEP
 En MEP se habla de combustión homogénea o premezclada ya que la
mezcla que se encuentra en el cilindro es homogénea: posee en cualquier
punto el mismo dosado. El sistema de formación de la mezcla se encuentra
fuera de la cámara de combustión.

 En MEP la combustión normal tiene lugar en el frente de llama que es la
superficie que separa la zona fresca de la zona quemada.

Frente de llama

Mezcla
Quemada

P T
Mezcla
Fresca


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MOTORES TÉRMICOS

Combustión
PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LA COMBUSTIÓN EN MEP
Son parámetros característicos:
 Tiempo de combustión (tC): Es el tiempo que tarda el frente de llama en
recorrer la cámara de combustión. A este tiempo se le puede asociar un
intervalo angular llamado ángulo de combustión C(°):

c  360 n tC
 Gradiente de presión (dP/d o dP/dt): Expresa la velocidad con que
cambia la presión a lo largo del ciclo (bar/° ó bar/s).
 Presión máxima de combustión (Pmax): Es el máximo valor de la presión
dentro de la cámara de combustión a lo largo del ciclo (bar).
El proceso de combustión supone un desarrollo de presión por en cima del
desarrollo de presión asociado al motor arrastrado (sin combustión).
Pmax

Con comb.

c

Sin comb.


Página 4

MOTORES TÉRMICOS

Combustión
COMBUSTIÓN NORMAL Y ANORMAL EN MEP

La combustión en MEP puede ser:
 Combustión por avance del frente de llama: La zona quemada
trasmite calor al frente de llama, entonces la mezcla que integra el
frente se inflama, pasando a engrosar la zona quemada, provocando
que avance el frente de manera suave y comprimiendo la mezcla
fresca.

Frente de llama

Tq



T

TC

Zona 1: Umbral elevación
de temperatura.
Zona 2: Calentamiento.
Zona 3: Combustión.
Zona 4: Prerreaciones.

Tsq

x
4
1

2

3

t

La presión es la misma
para las dos zonas

C

 Combustión por autoinflamación: La combustión se origina como
consecuencia del alto estado térmico (P, T) que adquiere la zona
fresca. Es una combustión brusca y rápida. Si la masa de mezcla
autoinflamada es grande la autoinflamación es muy perjudicial para el
motor hablándose de combustión detonante o picado de bielas.


Página 5

MOTORES TÉRMICOS

Combustión
VELOCIDADES DEL FRENTE, DE COMBUSTIÓN Y DE ARRASTRE

 Velocidad del frente (CF): Es la velocidad con que el frente de llama barre la
cámara de combustión (velocidad absoluta).
 Velocidad de expansión (CA): Es la parte de la velocidad del frente que es
consecuencia de la expansión de la zona quemada contra la zona fresca
(velocidad de arrastre).
 Velocidad de combustión (CC): Es la parte de la velocidad del frente que es
consecuencia del trasvase de masa desde la zona fresca a la zona quemada
fruto de la combustión (velocidad relativa).

CF  CC  CA

Mezcla
Quemada

Mezcla
Quemada

CF
Mezcla
Fresca

FRENTE

Cc

Mezcla
Quemada

Combustión
Mezcla
Fresca

COMBUSTIÓN


T

CA
Expansión
P

Mezcla
Fresca

EXPANSIÓN

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MOTORES TÉRMICOS

Combustión
VELOCIDAD DE COMBUSTIÓN LAMINAR

LLAMA LAMINAR

LLAMA TURBULENTA

La velocidad de combustión laminar (CCL) es aquella con la que progresa el
frente en ausencia de turbulencia.
CCL depende de:
Temperatura de combustión TC (mucho)

Presión (poco)
Composición de la mezcla
Los factores que afectan a CCL son los que afectan a TC:
 Residuales   TC  CCL 
 Humedad   TC  CCL 
 Dosado es el factor que más influye. Se define un dosado relativo de
máxima temperatura (FrTmax), éste es ligeramente rico (1.05) siendo el
dosado para el cual la velocidad de combustión laminar es máxima:
Si Fr < FrTmax

 Fr  TC  CCL 

Si Fr > FrTmax

 Fr  TC  CCL 


Página 7

MOTORES TÉRMICOS

Combustión
VELOCIDAD DE COMBUSTIÓN TURBULENTA

 La turbulencia es el parámetro que más afecta al proceso de combustión,
dando lugar a un incremento del ritmo de propagación del frente de llama. A
la velocidad de combustión en régimen turbulento se le denomina velocidad
de combustión turbulenta (CCT).
 Se define el FSR (flame speed ratio):
FSR 

CCT
 1  CCT = FSR CCL
CCL

 Los factores que afectan a la velocidad de combustión turbulenta son
aquellos que afectan a la velocidad de combustión laminar y al grado de
turbulencia.
 CC L
 CCT  
 FSR


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MOTORES TÉRMICOS

Combustión
DIAGRAMAS DE PRESIÓN EN CÁMARA Y CALOR LIBERADO

Se pueden distinguir tres fases en la combustión:
 1ªFASE (C1): Corresponde con el tiempo desde que salta la chispa
hasta que se separan los desarrollos de presiones con y sin
combustión. Ocupa aproximadamente 15% del ángulo de combustión.
 2ªFASE (C2): Ocupa aproximadamente un 80% del ángulo total de
combustión, siendo una combustión muy rápida y turbulenta.
 3ªFASE (C3): La combustión se hace más lenta y concluye.

Con Combustión

Sin Combustión
(motor arrastrado)

C1

C2


C3

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MOTORES TÉRMICOS

Combustión

AUTOINFLAMACIÓN EN MEP

 Combustión por autoinflamación  La mezcla fresca se inflama por sí misma
por estar sometida a altas presiones y temperaturas que son ocasionadas
como consecuencia de la compresión sufrida por la mezcla fresca. Es una
combustión rápida y brusca ("descontrolada").

 Habitualmente, la combustión por autoinflamación en MEP se ve precedida
por la combustión normal, ya que al avanzar el frente de llama como
consecuencia de la combustión normal se produce la compresión de la zona
fresca. Se podría hablar así de un % de combustión normal y un % de
combustión por autoinflamación.

+


q

sq

P
T

q

P
T

q

 La combustión por autoinflamación es casi instantánea, mucho más rápida
que la combustión normal, provocando elevados gradientes de presión,
con aparición de ondas de presión a menudo audibles, hablándose entonces
de detonación o picado de bielas.


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MOTORES TÉRMICOS

Combustión

Detonación
Fracción de Mezcla
Quemada por Autoinflamación

 La detonación es un fenómeno muy peligroso, ya que las vibraciones
inducen mayor transmisión de calor a través de las paredes, pudiendo
destruir el motor si el fenómeno es intenso y se mantiene de manera
prolongada.

Página 11

MOTORES TÉRMICOS

Combustión
 Para que la mezcla se autoinflame es necesario que se den una serie de
prerreacciones químicas. Estos fenómenos requieren un tiempo que se
denomina tiempo de retraso o inducción, éste es menor cuanto mayores
son la presión y la temperatura. Transcurrido el tiempo de retraso si la
combustión normal no ha concluido se producirá la autoinflamación.
 La intensidad de la detonación está muy ligada a la masa de mezcla que
sufre la autoinflamación. Esta viene caracterizada fundamentalmente por el
% de mezcla que se autoinflama y por el grado de carga del motor.
 La detonación es un fenómeno que limita las prestaciones del motor:
obliga a veces a mantener avances a la combustión menores a los que dan
la máxima potencia en unas condiciones de funcionamiento dadas.

LAB8

CUÑ20

Elegido

Límite Detonación

En la geometría CUÑ20 no se puede tener el avance
óptimo por detonación.

Elegido

Límite Detonación

En la geometría LAB8 se permite el avance óptimo.

 Los motores actuales llevan acelerómetros que en caso de detectar
detonación informan al sistema de ignición para disminuir el avance al
encendido, preservándose así la vida del motor.


Página 12

MOTORES TÉRMICOS

Combustión
ENCENDIDO SUPERFICIAL

 Se ocasiona por la aparición, en determinadas situaciones, de puntos
calientes que son fuentes de encendido, generando frentes de llama en
cualquier instante del ciclo.
 Puntos calientes:
- Electrodo central de la bujía.
- Depósitos.
- Zonas mal refrigeradas.
 Tipos de encendido superficial:
- Anterior al encendido normal  Preencendido.
- Posterior al encendido normal  Post-encendido.
 Post-encendido  Mayores gradientes de presiones.
 Preencendido   Avance   Tendencia a detonar
 El preencendido con detonación es muy peligroso ya que la detonación
realimenta el efecto de incremento del avance, pudiéndose llegar a
detonaciones de efectos destructivos (wild ping).
 El preencendido sin detonación no es tan peligroso aunque supone
marcha dura (rumble).


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MOTORES TÉRMICOS

Combustión
TIPOS DE COMBUSTIÓN ANORMAL EN MEP

COMBUSTIÓN ANORMAL


AUTOINFLAMACIÓN

PREENCENDIDO

POSTENCENDIDO

DETONACIÓN (KNOCK)

CON DETONACIÓN

SIN DETONACIÓN

AUTOINFLAMACIÓN PERSISTENTE (RUN ON)
El motor continúa girando con el encendido
cortado

ENCENDIDO SUPERFICIAL CRECIENTE
Aparece cada vez antes en el ciclo, lo que
puede llevar a la destrucción del motor.

PICADO INTENSO (WILD PING)
Detonación como consecuencia
del encendido superficial.


MARCHA DURA (RUMBLE)
Ruido sordo distinto al de la
detonación provocado por
frentes de llama múltiples.

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MOTORES TÉRMICOS

Combustión
PARTICULARIDAD EN MEDIDA DE PRESIÓN EN MEP: DISPERSIÓN
CÍCLICA

En MEP, los ciclos de presión medidos consecutivamente y manteniendo las
condiciones de funcionamiento presentan una importante variabilidad que es
denominada dispersión cíclica o aciclismo.
70
60

Presión (bar)

50
40
30
20
10
0
-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Ángulo de cigüeñal (º)

Existe por lo tanto una variabilidad en el desarrollo del proceso de combustión
de ciclo en ciclo.
1.1
1
0.9
0.8
0.7
FMQ

0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Ángulo de cigüeñal (º)


Página 15

MOTORES TÉRMICOS

Combustión
EFECTOS:
La dispersión cíclica provoca que de ciclo en ciclo varíen apreciablemente
aspectos tales como:
 Emisiones contaminantes del motor
 Prestaciones del motor
 Tendencia a la autoinflamación.
Los factores relacionados con la aparición de la dispersión cíclica pueden
dividirse en:
CAUSAS:
 Variación cíclica en el estado turbulento (escala e intensidad) en el momento
de salto de la chispa.
 Variación cíclica en la convección de la llama (interacción con la pared)
 Variación cíclica en el dosado suministrado al motor (poco significativa).
 Variación cíclica en la carga en el cilindro (poco significativa).
 Variación cíclica en la fracción de residuales (poco significativa).
 Variación cíclica en las características de la chispa (motores mal
mantenidos).
FACTORES MAGNIFICADORES
 Dosado de la mezcla
estequiométricos).

(mínima

dispersión

cercanía

de

dosados

 Velocidad de combustión laminar del combustible.
 Escala de la turbulencia al salto de la chispa.
 Forma del electrodo y de la cámara de combustión.


Página 16

MOTORES TÉRMICOS

Combustión

GEOMETRÍAS TIPO DE CÁMARAS DE COMBUSTIÓN EN MEP
Geometría cuña

 Fracción última en quemarse muy refrigerada.
 Distribución sencilla.
 Pequeño tamaño de las válvulas.

Geometría hemiesférica

 Válvulas grandes.
 Pequeño recorrido del frente de llama (compacta).
 Más difícil distribución.

Geometría labrada

 Elevada turbulencia.
 Culata sencilla.
 Mucha transferencia de calor al pistón.
CUÑA

HEMIESFÉRICA


LABRADA

Página 17

MOTORES TÉRMICOS

Combustión
COMBUSTIÓN EN MEC

 El combustible es inyectado en el interior de la cámara de combustión al final
de la carrera de compresión.
 Tan pronto como se inyecta el combustible, se forman las primeras gotas
que se evaporan y mezclan con el aire, y debido a las altas P y T empiezan
las prerreacciones químicas que van a dar lugar después de un cierto
tiempo (llamado tiempo de retraso) a la aparición de llama por
autoinflamación.

 La localización del punto donde se inicia la combustión es aleatoria, no
dependiendo la inflamación de la mezcla de un aporte exterior de calor como
ocurría en MEP (encendido provocado), sino que se trata de un fenómeno de
autoinflamación que es consecuencia del elevado estado térmico (P,T) que
existe en la cámara en las cercanías del PMS (encendido por compresión).
 El desarrollo de la combustión en MEC depende fundamentalmente de las
condiciones locales de dosado y temperatura de cada punto de la cámara
de combustión.


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MOTORES TÉRMICOS

Combustión
 La llama suele aparecer cuando la distribución del aire y combustible no es
todavía homogénea, por lo que coexisten los procesos de formación de la
mezcla y de combustión. La duración de la combustión es mayor en MEC
que en MEP.

 El proceso de combustión está íntimamente ligado a la distribución del
combustible en el aire, por lo que es necesario:
 Buenas características del sistema de inyección.
 Elevada turbulencia en la cámara de combustión.
 El diseño de la cámara de combustión en MEC tiene una gran importancia,
ya que además de favorecer la correcta combustión, tiene también la misión
de propiciar la formación de una mezcla adecuada. Se distinguen dos tipos
fundamentales de cámaras:
 Cámara abierta (inyección directa). El papel principal en la
distribución de combustible lo juega el sistema de inyección.
 Cámara dividida (inyección indirecta). El papel principal lo juega la
turbulencia obtenida con geometrías complejas de la cámara de
combustión.

 Las relaciones de compresión tienen valores entre 12 y 23. Tienen que ser
mayores que un cierto valor para garantizar el arranque en frío.


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MOTORES TÉRMICOS

Combustión
PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LA COMBUSTIÓN EN MEC

 Ángulo de avance a la inyección (ai): Es el ángulo existente entre el
comienzo de la inyección y el PMS.
 Ángulo de inyección (i): Es el intervalo angular que dura el proceso de
inyección. El tiempo que dura la inyección es del orden de milisegundos.
 Tiempo de retraso (tr): Es el tiempo que transcurre desde que se inicia la
inyección hasta que se produce la autoinflamación, durante el cual el
combustible se va gasificando y mezclando con el aire y van ocurriendo
prerreacciones químicas hasta que se inflama. Su valor depende
fundamentalmente de la P, T y de la naturaleza del combustible. A este
tiempo le corresponde un intervalo angular en el cigüeñal llamado ángulo de
retraso (r).
Presión en
cámara
Presión en
arrastrada

Tasa inyección

PMS

r
ai

i

A estos tres conceptos hay que añadir algunos otros ya vistos en MEP:
 Tiempo de combustión (tC): Es el tiempo que dura el fenómeno de la
combustión. A este tiempo se le puede asociar un intervalo angular llamado
ángulo de combustión C.
 Gradiente de presión (dP/d o dP/dt): Expresa la velocidad con que
cambia la presión a lo largo del ciclo (bar/°, bar/s).
 Presión máxima de combustión (Pmax): Es el máximo valor de la presión
dentro de la cámara de combustión a lo largo del ciclo (bar).


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MOTORES TÉRMICOS

Combustión
FASES DE LA COMBUSTIÓN EN MEC (I)

Se distinguen tres fases a partir del inicio de la inyección (ai):
 1ª FASE: Periodo de retraso. Esta fase se extiende desde el inicio de la
inyección hasta que se produce la autoinflamación, observándose entonces
la separación de los diagramas de presión con y sin combustión.
 2ª FASE: Combustión rápida o premezclada. Durante esta fase se quema
rápidamente el combustible inyectado durante el tiempo de retraso, que ha
tenido tiempo de mezclarse.
 3ª FASE: Combustión por difusión. Se quema el combustible que no fue
quemado durante la 2ª fase y el inyectado con posterioridad a medida que se
va mezclando.

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MOTORES TÉRMICOS

Combustión
1ª FASE: TIEMPO DE RETRASO

El período desde que se inicia la inyección hasta que se produce la
autoinflamación posee dos contribuciones:
 Una asociada a la preparación de la mezcla aire-combustible en el
cilindro (0.1 ms).
 Otra necesaria para que se desencadenen las prerreacciones
químicas anteriores a la autoinflamación.

Inyección  Atomización  Vaporización  Prerreacciones  Autoinflamación
Preparación Mezcla

Retraso Químico
Tiempo de Retraso

Tiempo preparación mezcla << Tiempo retraso químico
FACTORES QUE AFECTAN A LA PREPARACIÓN DE LA MEZCLA
 Características del chorro.
 Propiedades del combustible.
 Presión y temperatura en el cilindro, tr=f(P, T).
 Movimiento del aire en el cilindro.
FACTORES QUE AFECTAN AL RETRASO QUÍMICO
 Composición del combustible (longitud de la cadena, etc.).
 Temperatura y presión dentro del cilindro (sobre todo la temperatura).
El tiempo de retraso se puede disminuir haciendo chocar el chorro en
superficies calientes, con lo que disminuye el tiempo de retraso físico y
químico.

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MOTORES TÉRMICOS

Combustión
2ª FASE: COMBUSTIÓN PREMEZCLADA

 En esta fase se quema aquella parte del combustible inyectado que ha sido
vaporizada y mezclada con el aire.
 Los parámetros que caracterizan esta fase son: la elevada velocidad de
combustión y el gran aumento de la presión, y está íntimamente ligada
con el tiempo de retraso.
tr   Combustión suave

tr   


 combustible evaporado y mezclado
 combustible inyectado


 Marcha dura (Pmax)


 ruido
 Al aumentar la combustión premezclada  P  
 emisiones de NOx
 Factores que influyen:
- Tipo de cámara: Abierta o dividida. El tr suele ser menor en cámara
dividida por lo que la marcha es menos dura.

- Combustible inyectado durante el retraso 


Tiempo retraso



- Combustible gasificado durante el retraso 



Finura gotas chorro

- Combustible encuentra oxígeno





Ley de inyección

Turbulencia
Prop. físicas combustible
Penetración del chorro
Turbulencia

La calidad de la micromezcla (finura de gotas) y de la macromezcla (reparto
del combustible en el seno del aire) son condiciones contrapuestas, por lo que
hay
que
acudir
a
soluciones
de
compromiso.

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MOTORES TÉRMICOS

Combustión
3ª FASE: COMBUSTIÓN POR DIFUSIÓN

 Período que va desde el punto de presión máxima hasta donde acaba la
combustión.
 En esta fase se quema todo aquel combustible no quemado en la 2ª fase, y
aquél que se inyecta con posterioridad a la conclusión de la 2ª fase, si la
inyección no ha terminado.
 Pueden darse dos casos:
- La inyección termina antes de la conclusión de la 2ª fase: La cantidad
de combustible que queda por inflamarse y la capacidad de mezclarse
con el oxígeno marca la velocidad de combustión.
- La inyección continúa tras la conclusión de la 2ª fase: El proceso de
inyección es el que condiciona fundamentalmente la velocidad de
combustión.
 En motores grandes que giran a bajo régimen (r<< i) la mayor parte de
combustible se quema en la 3ª fase.
 En esta fase puede haber combustión incompleta y entonces pueden
formarse humos en el escape. La combustión incompleta se debe a la
existencia de gran cantidad de combustible que no encuentra oxígeno para
quemarse y que debido a las altas temperaturas y presiones se craquea, se
deshidrogena, y se convierte en carbón. Este carbón puede posteriormente
encontrar oxígeno y quemarse.


Página 24

MOTORES TÉRMICOS

Combustión
CÁMARAS DE COMBUSTIÓN EN MEC

 Las cámaras de combustión tienen una gran influencia en el desarrollo de la
combustión, y su geometría tiene que compaginar:
- No originar elevadas presiones máximas ni gradientes de presión.
 

 Humos


- No alargar la combustión 

 Las cámaras de combustión se pueden clasificar fundamentalmente
atendiendo al lugar donde se inyecta el combustible, en dos tipos:
- Cámara abierta o inyección directa: el combustible se inyecta
directamente en el volumen entre culata y pistón.
- Cámara divida o inyección indirecta: el combustible se inyecta en
una precámara independiente al volumen entre culata y pistón.
 Se pueden utilizar dos procedimientos complementarios en el diseño
tanto en inyección directa como indirecta:
 Retraso fisico
,
- Efecto inyección sobre pared caliente  
 Retraso quimico

con lo que se disminuyen los gradientes de presión, ya que la
cantidad de combustible que se quema en la primera fase es
menor.
- La estratificación de la mezcla: concentración de combustible en
una zona, lo que evita un aumento excesivo de la presión, ya que
no existe suficiente oxígeno para quemar el combustible. Hay que
tener en cuenta que con este procedimiento luego aumenta la
producción de humos, aunque un buen diseño puede favorecer que
éstos se quemen en la cámara de combustión antes de salir por la
válvula de escape.


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MOTORES TÉRMICOS

Combustión
CÁMARA ABIERTA O INYECCIÓN DIRECTA

 Cámara de combustión compacta sin estrechamientos, y por tanto sin
diferencias apreciables de presión.
 Mezcla encomendada al sistema de inyección.
 Importancia relativa de la turbulencia.
Cámara abierta sin turbulencia

 Formación de la mezcla encomendada al inyector, que tiene varios orificios y
funciona con elevada presión de inyección. El funcionamiento del sistema de
inyección debe ser impecable.
 No hay turbulencia   las pérdidas de calor a través de las paredes   
y el arranque en frío es más fácil.
 Se emplean en motores lentos (grandes motores de 2T).


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MOTORES TÉRMICOS

Combustión
Cámara abierta con turbulencia

 Cámaras de combustión labradas en el pistón.
 El aire alcanza velocidades del orden de 250 m/s con los siguientes
procedimientos:
- En la pipa de admisión, por su propia geometría, o con deflector en la
válvula (v) (efecto “swirl”).
- Movimiento del pistón, debido a la geometría de éste, en la carrera de
compresión (efecto “tumble”).

 El efecto de la turbulencia (movimiento del aire a alta velocidad) mejora el
mezclado y consecuentemente reduce el tiempo de retraso, pero presenta el
problema de grietas térmicas en la cabeza del pistón.
Cámara abierta con efecto de pared caliente

 El chorro incide sobre una zona caliente de la cámara:
- Parte se evapora rápidamente   tr
- Otra parte escurre en forma líquida a lo largo de la pared, con lo que es
necesario que el aire esté lamiendo con gran velocidad esta zona.
  Pmax y  dP/d  menos marcha dura  interés en motores
sobrealimentados.


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MOTORES TÉRMICOS

Combustión
CÁMARA DIVIDIDA O INYECCIÓN INDIRECTA

Espacio Muerto
 La cámara está dividida en dos compartimentos 
Precamara
 Existen diferencias apreciables de presión entre los compartimentos.
 Mezcla encomendada a la turbulencia ocasionada por el fluido cuando
atraviesa el estrechamiento que une los dos compartimentos.
 Sistema de inyección sin elevadas exigencias. Inyector de orificio único
colocado en la precámara.
 Dado que en gran parte la segunda fase de la combustión se realiza en la
precámara, las presiones y gradientes pueden ser más elevados en ésta, no
afectando a la vida del motor.
 La precámara desemboca tangencialmente en el cilindro, siendo el volumen
de ésta al menos un 50% del volumen total de la cámara de combustión.

 Una parte de la precámara es de acero especial postizo, poco refrigerado y
situado en zona caliente para funcionar como pared caliente.
 La velocidad del aire entre los dos compartimentos llega a ser del orden de
500 m/s, lo que supone una pérdida de un 5% de la potencia del motor.


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MOTORES TÉRMICOS

Combustión
VENTAJAS E INCONVENIENTES
 Ventajas de la I.I. frente a la I.D.
- Posibilidad de poder usar combustibles de peor calidad.
- Inyectores de orificio único con menores presiones de inyección y
condiciones del chorro menos críticas. Toleran mayor grado de
suciedad.
- Posibilidad de aumentar el dosado, sin producción de emisiones
intolerables, con lo que aumenta la potencia específica.
- Toleran mayores regímenes.
 Inconvenientes
- Culata más cara y difícil de conservar. Problemas de grietas térmicas.
- Peor arranque en frío, ya que es menos adiabático, por lo que se
diseñan con r>17. Se suele colocar una bujía de precalentamiento en la
admisión o unos calentadores en la precámara.
- Turbulencia influenciada por el régimen, por lo que es difícil obtener
pares elevados a bajas revoluciones.
- Peor rendimiento del motor por:
- Mayores pérdidas de la potencia del motor por crear la alta
turbulencia.
- Mayores pérdidas de calor.
Los motores de I.D. proporcionan resultados excelentes cuando están
correctamente mantenidos y funcionando con combustibles adecuados.


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MOTORES TÉRMICOS

Combustión
COMPARACIÓN MEP Y MEC

Comparando el diagrama de presiones de un MEC con el de un MEP, se
observan las siguientes diferencias:
 Las presiones máximas de combustión son mayores en los MEC.
 El gradiente de presión es mayor en los MEC, lo que les da parte del
ruido característico que los diferencian de los MEP.
 El ángulo de avance a la inyección es menor que el avance al
encendido.
 El ángulo de combustión en MEC es mayor como consecuencia de
que el proceso de combustión se prolonga durante parte importante de
la carrera de expansión.


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MOTORES TÉRMICOS

Formación de la Mezcla
FOMACION DE LA MEZCLA
REQUERIMIENTOS DE DOSADO EN MEP
FORMACIÓN DE LA MEZCA EN MOTORES DE ENCENDIDO PROVOCADO
EQUIPOS DE INYECCIÓN FRENTE A CARBURADORES

REQUERIMIENTO DEL SISTEMA DE FORMACIÓN DE LA MEZCLA EN MEC
SISTEMAS DE INYECCIÓN CONVENCIONALES
FASES DEL PROCESO DE INYECCIÓN
SISTEMAS COMMON RAIL
INTRODUCIÓN CHORROS DIESEL


Página 1

MOTORES TÉRMICOS

REQUERIMIENTOS DE DOSADO EN MEP
CURVAS DE PME-Fr Y Gef-Fr
Si se realiza un ensayo sobre un motor en el que se mantienen constantes la
posición de la mariposa y el régimen, variándose Fr dentro de los límites que
imponga la estabilidad de la combustión y recogiendo los valores de pme para
cada uno de los valores de Fr, se obtiene la curva:
pme

Dosado de máximo
rendimiento

Dosado de
máxima potencia

n = cte
 = cte

Límite inferior
de dosado
Límite superior
de dosado

max


1

1.15

Fr

En esta curva destacan cuatro puntos característicos:
 Límite inferior de dosado: Punto que se corresponde con el dosado relativo
por debajo del cual la combustión no es estable.
 Límite superior de dosado: Punto que se corresponde con el dosado relativo
por encima del cual la combustión no es estable.
 Dosado de máxima potencia: Punto en el que la pme es máxima.
 Dosado de máximo rendimiento o mínimo consumo: Es el punto en que el
consumo específico efectivo gef se hace mínimo. Veremos que este punto se
corresponde con aquél en el que se hace máxima la pendiente de la recta
que parte del origen y pasa por la curva pme-Fr.


Página 2

MOTORES TÉRMICOS

De la curva pme-Fr se puede obtener la curva gef-Fr:

mf HC e 
pme
Ne
tg  


Fr
i n VT Fr i n VT Fr 

  tg   Fe ia V HC e



mf  Fe Fr ma = Fe Fr i n VT ia V


Teniendo en cuenta la definición de consumo específico efectivo:


Fe ia V
mf
mf
1


 tg  
gef =

Ne mf e HC e HC
gef
n = cte
cte
Para unas condiciones, un combustible, y
tg  
v  cte .
gef
  cte 

gef

Fr

limmax

n = cte
 = cte

pme
pme
gef

Fr

n = cte
 = cte

Fr max

gef min

Fr

1

Fr 
Fr Nmax

gef
max

limmin

Fr Nmax

Fr max

pme
pmemax

 Cada curva de gancho posee la información de las curvas pme-Fr y gef-Fr
distinguiéndose los puntos característicos ya vistos:





Dosado limite inferior.
Dosado de máximo rendimiento.
Dosado de máxima potencia.
Dosado límite superior.


Página 3

MOTORES TÉRMICOS

Las curvas de gancho para distintos grados de admisión aparecen
representadas en la figura inferior. Es posible trazar la envolvente de estas
curvas, esta curva tiene un gran interés y las siguientes características:
 Los valores de dosado son parecidos al de máximo rendimiento, tanto
más cuanto mayor es el grado de admisión.
 En plenos gases,  = 4/4, tras obtenerse el dosado de máximo
rendimiento, la envolvente continúa buscando las condiciones de máxima
potencia.
 Conforme menor es el grado de carga, los dosados más se acercan al
dosado correspondiente al límite inferior de estabilidad.
Fr

gef

1.1

n = cte

=1/4

n1 n2 n3 n4

1

=2/4
=3/4

0.9

=4/4

pme

pme

pmemax

Al variar el régimen la forma de la curva es la misma obteniéndose más o
menos prestaciones en plenos gases dependiendo del valor de n.
Las curvas pueden refundirse en
una única curva si en el eje de
abcisas se coloca el grado de
carga definido como la relación
entre la pme y la pme a plenos
gases para cada valor del
régimen (ni):
pme (ni )
Grado de C arg a (ni ) 
pmemax (ni )

Fr

Con Catalizador

1.2
Práctica

1
Grado de carga pme/pmemax


1

Página 4

MOTORES TÉRMICOS

Los principales regímenes transitorios son:
 Arranque en frío y calentamiento.
 Aceleraciones.
 Deceleraciones.
 Arranque en frío y calentamiento: Hay que enriquecer mucho la mezcla
para conseguir que en cilindro entre mezcla con un dosado dentro de los
límites de inflamabilidad. Durante el calentamiento el dosado suministrado
debe irse reduciendo conforme la temperatura del motor va aumentando.
 Deceleración: Hay que suministrar un dosado por debajo del normal para la
combustión porque parte del combustible depositado sobre la pared del
conducto de admisión pasa a enriquecer la mezcla.
 Aceleración: Hay que suministrar un dosado por encima del normal para
compensar el combustible que se deposita sobre la pared. Es práctica usual
aumentar el dosado hasta el de máxima potencia como puede verse en la
figura.
Fr
Fr Nmax

1

Grado de carga
1 pme/pmemax
El efecto de los transitorios será tanto menor cuanto más cerca del cilindro se
forme la mezcla aire-combustible (menos superficie de conducto para mojar).


Página 5

MOTORES TÉRMICOS

FORMACIÓN DE LA MEZCA EN MOTORES DE ENCENDIDO PROVOCADO

 Objetivos del sistema de formación de la mezcla en MEP:
 Suministrar la mezcla cumpliendo con los requerimientos del motor.
 Regular la carga modificando la masa de mezcla que entra en el motor.
 Clasificación de los equipos de formación de la mezcla en MEP:
 Carburadores:
 Equipos de inyección:
 Mezcladores (combustibles gaseosos).
 Requerimientos del motor:
 Estacionario: Dosado de máximo rendimiento y de máxima potencia.
 Transitorio:

- Arranque en frío y calentamiento.
- Aceleración.
- Deceleración.

EL CARBURADOR
El carburador es un
dispositivo que utiliza el
efecto de depresión
ocasionado por el paso del

aire, ma , a través de un
estrechamiento en la sección
de paso (difusor o venturi),
para dosificar combustible y
mezclarlo con el caudal de
aire circulante.

Surtidor de aire del
circuito del mínimo
Surtidor de
combustible del
circuito del mínimo

Surtidor del
circuito principal
Tornillo de marcha


Agujero(s)
en progresión
Tornillo regulación
mezcla del mínimo

Página 6

MOTORES TÉRMICOS

SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN DE VEHÍCULOS A GLP
Instalación para vehículos de inyección electrónica de gasolina con catalizador
y sonda Lambda:

1. Depósito de GLP
2. Válvula de corte de GLP
3. Evaporador-Regulador de presión
4. Regulador de flujo
5. Filtro de aire
6. Unidad de mezcla
7. Mariposa

8. Válvula de corte de gasolina
9. Cilindros del motor
10. Sensor sonda Lambda
11. Catalizador
12. Interruptor GLP/gasolina
13. Tablero de a bordo
14. Equipo de control


Página 7

MOTORES TÉRMICOS

SISTEMAS DE INYECCIÓN
En el circuito de gasolina de un sistema de inyección multipunto se distinguen los
siguientes componentes:

DEPOSITO

FILTRO

REGULADOR
DE PRESIÓN
RAMPA DE INYECTORES

BOMBA DE
GASOLINA

INYECTOR
COLECTOR DE ADMISIÓN

CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE INYECCIÓN EN MEP
 Inyección monopunto: La inyección se realiza a través de un único inyector
colocado en la parte de la línea de admisión común a todos los cilindros
(como el carburador).
 Inyección multipunto: Existe un inyector para cada cilindro. Los inyectores
descargan el combustible en la pipa de admisión, así la gestión de los
transitorios es más sencilla.


Página 8

MOTORES TÉRMICOS

REQUERIMIENTO DE DOSADO ESTEQUIOMÉTRICO. SONDA LAMBDA
En la actualidad las restricciones impuestas a las emisiones contaminantes
obligan a utilizar catalizadores de los gases de escape para obtener el nivel de
emisiones reglamentado. La eficiencia de la conversión en el catalizador es
máxima cuando el dosado utilizado coincide con el dosado estequiométrico.
100

Tensión
de salida

NOx
80

Ventana de
Máxima Eficiencia

800 mV

60

40

20

Eficiencia de la
Conversión en el
Catalizador (%)

HC
CO
13

50 mV
14

15

Dosado

Dosado

16

Mezcla
pobre

Mezcla
rica

La sonda lambda permite que el sistema de inyección funcione con una mezcla
estequiométrica.
La señal de la sonda lambda se utiliza realimentando el sistema de inyección de
forma que tengamos siempre un dosado estequiométrico.
Flujo de aire

Sondas

Ti
CALCULADOR

SISTEMA DE
INYECCIÓN

MOTOR

Gases de
escape

Sonda
lambda

Flujo de combustible

Corrección de la sonda
lambda

Aumento
Gasolina
Inyectada

M ezcla Rica

Poco
oxígeno en
escape

Aumento de
Ti
Riqueza

Riqueza
Estequiométrica

Sonda
Lambda
50 mV

Sonda
Lambda
800 mV
Tiempo

M ucho
oxígeno en
escape

Disminución
de Ti

Mezcla
Pobre


Reducción
Gasolina
inyectada

Página 9

MOTORES TÉRMICOS

EQUIPOS DE INYECCIÓN FRENTE A CARBURADORES

 Par y Potencia: Son mayores en equipos de inyección multipunto ya que:
 Colectores buscando resonancias sin problemas en transitorios.
 Homogeneidad cilindro a cilindro permite r.

 Emisiones contaminantes: El equipo de inyección permite una mayor
precisión en el suministro de combustible por lo que es posible controlar
mejor las emisiones contaminantes. Además la utilización eficiente del
catalizador de tres vías exige utilizar dosado estequiométrico en variadas
condiciones de operación lo cual sólo es posible con la inyección electrónica.

 Consumo de combustible: La inyección permite obtener menores consumos
ya que se obtiene el dosado requerido por el motor de manera más rápida y
precisa. Esto es especialmente importante en los transitorios. Sin embargo
en la actualidad por tenerse que utilizar el dosado estequiométrico (mayor
que el dosado de mínimo consumo) el consumo con el sistema de inyección
es sólo ligeramente menor

 Conducionabilidad: La suavidad en la conducción se ve favorecida por la
utilización de sistemas de inyección, sobre todo en los periodos transitorios.

 Costo del sistema y de mantenimiento: Los sistemas de inyección electrónica
son bastante más caros que los carburadores. Además su mantenimiento
resulta complejo requiriéndose mano de obra cualificada.


Página 10

MOTORES TÉRMICOS

REQUERIMIENTO DEL SISTEMA DE FORMACIÓN DE LA MEZCLA EN MEC

COMBUSTIÓN EN MEC

INYECCIÓN

ATOMIZACIÓN

EVAPORACIÓN

ENGLOBAMIENTO
DE AIRE

PENETRACIÓN

RETRASO

COMBUSTIÓN

 La inyección debe comenzar en un punto perfectamente definido y con una
ley definida.
 La regulación del motor se realiza modificando la cantidad de combustible
inyectado, es decir el dosado, mientras que en MEP éste permanece
sensiblemente constante para variaciones de la Pme.
 Hay poco tiempo para la inyección, gasificación, formación de la mezcla y
combustión, por lo que existen limitaciones para el sistema de inyección y
para el motor, como es el régimen de giro y el dosado máximo (0,7). El
sistema de inyección debe ser capaz de conseguir unas características
físicas del combustible que favorezcan la combustión completa.


Página 11

MOTORES TÉRMICOS

SISTEMAS DE INYECCIÓN CONVENCIONALES

BOMBAS EN LÍNEA

SALIDA HACIA
EL INYECTOR

VALVULA
ANTIRRETORNO

El grado de carga se modifica al girar el
pistón ranurado sobre la camisa o al revés;
de esta manera se modifica la carrera útil
del pistón y en consecuencia el
combustible bombeado hacia el inyector.

CAMISA
DOSIFICADOR DE
COMBUSTIBLE

ENTRADA DE
COMBUSTIBLE

CARRERA
UTIL

PISTÓN
RANURADO

LEVA
ACCIONADA POR
EL MOTOR

La bomba inyectora dispone de tantos
conjuntos camisa-pistón como cilindros
tiene el motor.
 Mayores presiones de inyección.
 Pequeña dispersión de volumen de

combustible inyectado entre cilindros.
 Mayor precio.


Página 12

MOTORES TÉRMICOS

BOMBAS ROTATIVAS
 Más
económica
s
 Más
ruidosas

ENTRADA DE
COMBUSTIBLE

 Presiones
más
reducidas

DOSIFICADOR DE
COMBUSTIBLE
SALIDAS HACIA LOS
INYECTORES

EJE ACCIONADO
POR EL MOTOR

BOMBA – INYECTOR
Este tipo de
dispositivos van
alojados en la
culata y el arbol de
levas los acciona,
pueden ser de
mando hidraulico o
electrónico


Página 13

MOTORES TÉRMICOS

REGULADOR DE LA BOMBA
 Regulación de mínima: reduce la inyección cuando aumenta el régimen
de giro.
 Mantiene constante el régimen de giro para una posición del
acelerador.
 Regulación de máxima: corta la inyección cuando el régimen de giro
sobrepasa un valor prefijado.

EJE MOTOR
MANDO DEL
ACELERADOR
+
GRADO DE
INYECCIÓN
+
-

Sistema de regulación mecánico

El sistema de regulación hidráulico es similar al presente pero en este caso el
brazo que mueven los contrapesos es accionado por un pistón hidráulico que lo
desplaza una presión proporcional al régimen de giro del motor.


Página 14

MOTORES TÉRMICOS

INYECTORES

CONDUCTO DE
RETORNO

INYECCIÓN INDIRECTA
Un orificio con chorros de
cono hueco.

CONDUCTO
DE LLEGADA

Presión de tarado:100-200
bar

CUERPO DEL
INYECTOR

Se suele inyectar en una
precámara y la formación de
la mezcla está encomendada
a la turbulencia generada en
el cilindro durante la carrera
de compresión.

ARANDELA
DE AJUSTE
MUELLE DE
PRESIÓN

INYECCIÓN DIRECTA
PERNO DE
PRESIÓN
PUNTA DEL
INYECTOR
AGUJA
TUERCA DE
UNIÓN
TOBERA


Varios orificios con un chorro
por orificio.
Presión de tarado:250-300
bar
La formación de la mezcla
está encomendada a la
calidad del chorro que genera
el sistema de inyección.

Página 15

MOTORES TÉRMICOS

FASES DEL PROCESO DE INYECCIÓN

I

II

III

IV

1. Inicio del movimiento del pistón de la bomba inyectora.
Elevación de la presión en la cámara.
2. Apertura de la válvula unidireccional.
Elevación de la presión en la línea de inyección.
3. Apertura de la aguja del inyector.
Salida del combustible por la tobera.
4. Cierre de la válvula unidireccional.
Cierre de la aguja del inyector.

Página 16

MOTORES TÉRMICOS

3
2

4

1
5


Página 17

MOTORES TÉRMICOS

SISTEMAS COMMON RAIL
Los sistemas common rail consisten en un sistema de electroválvulas que
permite introducir el combustible en la cámara de combustión de una forma
controlada electrónicamente y a alta presión hasta 1800 bar.
El control electrónico del proceso permite conseguir las mejores condiciones de
inyección (presión, angulo, varias inyecciones) para cada punto de
funcionamiento del motor.

El sistema consiste fundamentalmente en:

 Una bomba que eleva la presión hasta las condiciones deseadas: la
presión es medida y controlada mediante una válvula electrónica. Los
elementos de la bomba pueden ser desactivados individualmente para
adaptar el caudal al consumo.

Página 18

MOTORES TÉRMICOS

 Un sistema de distribución del combustible a alta presión hasta los
inyectores (common rail).
 Unos inyectores basados en una válvula eléctrica que libera la presión
que mantiene cerrado el inyector.

Los sistemas common rail junto con la fabricación de toberas de inyección de
muy pequeño diámetro han permitido el desarrollo de los modernos motores
diesel de altas prestaciones y bajas emisiones. Los cuales están basados en
inyección a muy alta presión junto con combinación de pre y post inyecciones
durante una combustión a fin de conseguir la entrega de combustible óptima en
cada situación.


Página 19

MOTORES TÉRMICOS

CHORROS (I)

La calidad de la formación de la mezcla se puede evaluar por:
 La calidad de la macromezcla: reparto del combustible dentro del
aire.
 La calidad de la micromezcla: finura media de las gotas del
chorro.
PENETRACIÓN
CONTORNO



NUCLEO
ENTRADA DE AIRE

PERFIL DE VELOCIDAD

PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS
 ÁNGULO DE CONO: depende fundamentalmente de los parámetros
geométricos de la tobera y de la presión de inyección.
 DIÁMETRO DE LAS GOTAS: se caracteriza por el diámetro medio de
la distribución de diámetros y por las curvas de distribución.
dm = f( PI, dI, cI, f, f, f, a, mI/mI0)
PI - Presión de inyección
dI - Diámetro de la tobera
cI - Velocidad del chorro en la tobera
f - Tensión superficial del combustible
f - Viscosidad dinámica del combustible
f - Densidad del combustible
a - Densidad del aire
mI/mI0 - Cantidad de combustible inyectada respecto de la
nominal.
 PENETRACIÓN DEL CHORRO:
s = f(PI, dI, a, t)

Página 20

MOTORES TÉRMICOS

CHORROS (II)

INFLUENCIA DE DISTINTOS PARÁMETROS SOBRE
EL TAMAÑO DE LAS GOTAS, PENETRACIÓN Y ÁNGULO DE CONO
En la tabla siguiente se resumen los efectos experimentales que un crecimiento
de las variables consideradas tienen sobre los distintos parámetros
característicos del chorro. Este efecto se indica de forma cualitativa, expresando
si el parámetro afectado crece (), decrece () o se mantiene invariable (). En
el caso de que no haya información experimental, aparece un guión (-).¡Error!
Marcador no definido.

Distancia Radial
Distancia Axial
Presión de inyección
Presión ambiente
Tensión superficial
Viscosidad cinemática
Diámetro de la tobera

Tamaño de
gotas
d32








Relación de densidades
Temperatura ambiente
Duración de inyección
Coeficiente de arrastre
Relación L/d0

-


Penetración



Pg=Pamb:
Pg alta:




-

Ángulo
de
apertura



-





Página 21

MOTORES TÉRMICOS

BIBLIOGRAFÍA
Miralles de Imperial, J. Bombas de Inyección Diesel. Ed. CEAC, 1980
E.T.S. Ingenieros Industriales, Universidad Politécnica Madrid, 1994.Cap.16: Formación de
la Mezcla en los MEC. Inyección de Combustible (pp. 425-445).


Página 22

MOTORES TÉRMICOS

Renovación de la carga
RENOVACIÓN DE LA CARGA
INTRODUCCIÓN
CONDICONES DE REFERENCIA
FACTORES GEOMETRICOS QUE AFECTAN AL RENDIMIENTO
VOLUMÉTRICO
FACTORES DE FUNCIONAMIENTO QUE AFECTAN AL RENDIMIENTO
VOLUMÉTRICO

INTRODUCCIÓN A LOS MOTORES DE 2T
EL PROCESO DE BARRIDO
COEFICIENTES PARA EVALUAR EL BARRIDO REAL
POTENCIA Y Pme EN FUNCIÓN DE LOS COEFICIENTES

SOBREALIMENTACIÓN
PROBLEMÁTICA DE LA SOBREALIMENTACIÓN
TIPOS DE SOBREALIMENTAICÓN
ACOPLAMIENTO MOTOR Y GRUPO DE SOBREALIMENTACIÓN
ENFRIAMIENTO INTERMEDIO
LIMITACIONES DE LA SOBREALIMENTACIÓN

Página 1

MOTORES TÉRMICOS

INTRODUCCIÓN
DEFINICIÓN:
La renovación de la carga es el proceso por el cual tiene lugar la sustitución de
los productos quemados por mezcla sin quemar (aire en los motores Diesel)
con el fin de repetir el proceso termodinámico que tiene lugar en el motor.

INTERÉS:
Aumentando la cantidad de aire que entra en el motor se aumenta la potencia.


Ne  ma FHc e

RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO
Es la relación entre la masa de mezcla fresca que entra en el motor por ciclo y
la que llenaría la cilindrada estando en unas condiciones de referencia.

v 

masa que entra enel motor en un ciclo
masa teorica que entraria

v 


mmcc
m
mm
 mcc 
mt
VD ref niVD ref

Para un motor dado en unas condiciones de funcionamiento dadas cuanto
mayor sea el rendimiento volumétrico mayor será el gasto de aire y
consecuentemente mayor será la potencia.


Página 2

MOTORES TÉRMICOS

CONDICIONES DE REFERENCIA

El rendimiento volumétrico da una idea de la influencia en el proceso de
renovación de la carga de todos los elementos del motor que se encuentren
aguas abajo del punto del sistema de admisión cuyas condiciones de presión y
temperatura sean las que se tomen como referencia.

2

1

F iltro

3

M a rip o s a

C o m p re s o r

4

C ilin d ro

5

1. Condiciones ambientales: se tiene en cuenta todo el sistema de admisión.
2. Después del filtro: el ensuciamiento del filtro no influye en el rendimiento
volumétrico.
3. Después del sistema de regulación de la carga en MEP: el rendimiento
volumétrico se hace independiente del grado de carga.
4. Después del compresor: en motores sobrealimentados si se toma el punto de
referencia antes del compresor el rendimiento volumétrico suele ser mayor
que la unidad ya que la densidad en el interior del cilindro es mayor que la de
referencia.
5. Antes de la válvula de admisión: en este caso el rendimiento volumétrico solo
se ve afectado por las perdidas de carga en la válvula y no se ve afectada
por los efectos dinámicos del colector de admisión.

Página 3

MOTORES TÉRMICOS

FACTORES GEOMETRICOS QUE AFECTAN AL RENDIMIENTO
VOLUMÉTRICO

SECCIÓN DE PASO DE LAS VÁLVULAS Y FORMA:
Cuanto mayor es el área de paso de las válvulas mejor es el rendimiento
volumétrico. El área de paso mas restrictiva suele ser el área de cortina.
El coeficiente de descarga caracteriza las
pérdidas que se producen al pasar un fluido
por una sección se define como:

CD 
P1

Av
A2 L

CF  CD

P2


m teorico

Cuando la sección de paso es variable se
suele hablar de coeficiente de flujo:

A1




m

Dv


AV
m


A ref m teorico

donde ahora el gasto teórico es el que
pasaría por el área de referencia.
Si los levantamientos son excesivos entonces es el área de la pipa de admisión
la que restringe el paso, esto no es habitual ya que levantamientos excesivos
suponen grandes aceleraciones y en consecuencia grandes esfuerzos en el
sistema de distribución.
A
A
A ref
A
ref

CD

CD

La mayor limitación del tamaño de las válvulas viene dada por su ubicación en
la culata.

Página 4

MOTORES TÉRMICOS

GEOMETRÍA DEL COLECTOR DE ADMISIÓN:
El fluido en el colector de admisión sufre continuas aceleraciones y
deceleraciones debido a que el proceso de renovación de la carga es
pulsatorio.
Una geometría determinada del colector de admisión puede aumentar o
disminuir el rendimiento volumétrico.
Cuanto más estrecho sea el colector de admisión mayores serán las
velocidades por él y mayores serán los efectos dinámicos.
También se aumentara este efecto cuanto más largo sea el colector de
admisión ya que más masa estará en movimiento.
Por otro lado las pérdidas de carga en el colector serán tanto mayores cuanto
más largo y estrecho sea el colector de admisión (altas velocidades).
DIAGRAMA DE DISTRIBUCIÓN:
AAA

RCE

ADMISIÓN

COMPRESIÓN

COMPRESIÓN

ESCAPE

ADMISIÓN

ESCAPE
EXPANSIÓN

EXPANSIÓN

AAE
RCA

TEÓRICO

REAL

Las válvulas realmente no abren y cierran en los puntos muertos sino que
suelen abrir antes y cerrar después por dos motivos fundamentales.
 Mejorar el llenado del cilindro.

Página 5

MOTORES TÉRMICOS

 Disminuir el trabajo de bombeo.

Lo ideal sería una apertura y cierre instantáneo pero esto es imposible debido a
que supondría aceleraciones muy grandes y consecuentemente fuerzas de
accionamiento muy grandes.
Adelanto a la apertura del escape (AAE):
Este ángulo viene determinado para minimizar las perdidas de bombeo sin que
aumenten excesivamente las pérdidas de escape:
La idea es que en el PMI la presión en el cilindro sea próxima a la atmosférica
y que cuando el pistón empiece a subir la válvula este lo suficientemente
abierta como para que no aumente la presión.
Adelanto a la apertura de la admisión (AAA):
Mejora el vaciado de el cilindro de gases quemados ya que cuando el pistón
esta al final de la carrera de escape el volumen en el cilindro varía muy poco y
existe un efecto de succión en el colector de escape debido a las inercias, este
momento se aprovecha para abrir la admisión y que entren gases frescos y se
salgan los quemados (cruce de válvulas).
En el cruce de válvulas de los MEP hay que tener cuidado de que la mezcla
fresca no se salga por el escape ya que en ese caso no se aprovecharía la
energía del combustible que sale.
En MEC no importa que parte del aire salga por el escape incluso se
aprovecha este efecto para refrigerar.
Retraso al cierre del escape (RCE):
Disminuye la masa de residuales en el cilindro.
Retraso al cierre de la admisión (RCA):
Tiene por objeto mejorar el llenado del cilindro por que se aprovechan los
efectos de la inercia de los gases.


Página 6

MOTORES TÉRMICOS

REFLEXIÓN DE LA ONDA DE DEPRESIÓN AL FINAL DEL COLECTOR:
Cuando la onda generada por el proceso de admisión llega al final del colector
de admisión se encuentra con un volumen grande que podría entenderse como
un ensanchamiento o un extremo abierto, por lo que se refleja cambiando el
signo de su amplitud y se convierte en una onda de presión que viaja ahora
hacia la válvula de admisión que la generó.

Colector de admisión

Una longitud adecuada del colector de admisión permite mejorar el llenado a
determinados regímenes de giro cuando el tiempo de ida y vuelta de la onda
coincide con el tiempo de admisión (variable con el régimen

Página 7

MOTORES TÉRMICOS

FACTORES DE FUNCIONAMIENTO QUE AFECTAN AL RENDIMIENTO
VOLUMÉTRICO

RÉGIMEN DE GIRO
Cuando el régimen de giro aumenta el tiempo para el llenado disminuye y para
desplazar el mismo volumen es necesario mayor velocidad de paso o mayor
sección. Valores muy elevados del número de mach en la válvula provocan el
bloqueo de la sección y el llenado es muy deficiente.
Los motores se diseñan para que el número de Mach en la válvula no supere
valores del orden de 0.5.
GRADO DE ADMISIÓN (grado de carga en MEP):
Este efecto solo tiene interés en MEP donde se disminuye la presión de
admisión para modificar el grado de carga.
La variación del rendimiento volumétrico referido a las condiciones ambiente es
proporcional a la presión de admisión.
TEMPERATURA AMBIENTE Y TEMPERATURA DEL MOTOR
El rendimiento volumétrico mejora con la temperatura ambiente ya que
disminuye la transmisión de calor durante el proceso de admisión.
Al estar el motor mas caliente el fluido se calienta mas durante la entrada y el
llenado empeora.
DOSADO (grado de carga en MEC):
El aumento del dosado hace que aumente la temperatura del motor por lo que
el rendimiento volumétrico disminuye.
 MEP las variaciones del dosado son muy pequeñas y en ese rango el efecto
es inapreciable.
 MEC el dosado es más variable y el efecto más acusado.


Página 8

MOTORES TÉRMICOS

INTRODUCCIÓN A LOS MOTORES DE 2T
 El ciclo termodiámico completo se realiza en una vuelta del cigüeñal.
 Presencia de bomba de barrido para realizar admisión y escape
simultáneamente cerca del PMI.

VENTAJAS
 Mayor potencia para el mismo régimen de giro
n
Ni4 T  W i
2
Ni2 T  n W i
Ni  i n Wi  i n Pmi VD
N e  i n W e  i n Pme VD

donde

1

4T i =
2

2T i = 1


 Simplicidad en bombeo por cárter.
INCONVENIENTES
 Menor rendimiento:
Menor aprovechamiento del ciclo de trabajo.
Cortocircuito de la mezcla. (MEP) (Emisiones HC en MEP).
 Mayor temperatura de algunos
elementos:
Pistón.
Bujía.
Válvula de escape (si hay).
 Mayores emisiones de HC (MEP).
APLICACIONES
 MEP
Pequeños motores: simplicidad
mecánica y bajo coste.
 MEC
Grandes motores: aumento de la
potencia específica sin empeorar el
rendimiento, ya que aunque exista
cortocircuito éste es solo de aire.

Mapa de curvas características de un
motor lento de 2T Diesel
Página 9

MOTORES TÉRMICOS

EL PROCESO DE BARRIDO

Diagrama indicador para motores de 2T: las líneas de puntos muestran una
estimación del diagrama indicador correspondiente a un motor de 4T.

Antes de que se abra la lumbrera de admisión, la presión en el cilindro tiene que
bajar por debajo de la presión de admisión (presión de barrido).
Posibilidad de modificar la lumbrea de escape en función del régimen YPVS.


Página 10

MOTORES TÉRMICOS

COEFICIENTES PARA EVALUAR EL BARRIDO REAL
RLL
mRES

RCAR
RET

mREF
RS

mCAR

mRET
b

mSUM

mCC

Masa de referencia:


mREF  n  VT  VC   ref  n VT

r
 ref
r 1

COEFICIENTE DE ADMISIÓN RS

Rs 


m SUM

mREF

Generalmente:
RS>1 Barrido independiente
RS<1 Barrido por cárter
Depende fundamentalmente de la bomba de barrido y poco del motor. En barrido
independiente es un parámetro de diseño.
COEFICIENTE DE CARGA RCAR (S)
RCAR =


mRET

mREF

Generalmente:
RCAR>1 Barrido independiente
RCAR<1 Barrido por cárter
Da idea de la Pme del motor.

Página 11

MOTORES TÉRMICOS


RENDIMIENTO DE LA RETENCIÓN
RET
RET =


R
mRET
= CAR  1

Rs
mSUM

Siempre es menor que 1 y da una idea
de la bondad del barrido, o dicho de
otra forma de la proporción de mezcla
que se cortocircuita.

RENDIMIENTO DEL BARRIDO b
b =


mRET


mRET + mRES




mRET + mRES = mCAR

Siempre es menor que 1 y da una idea de la bondad en la evacuación de
residuales.

COEFIECIENTE DE LLENADO RLL
RLL =




mCAR
mRET + mRES
=


mREF
mREF

RLL b = RET Rs = R CAR

BARRIDO ÓPTIMO:

1
R lo mayor posible.


Página 12

MOTORES TÉRMICOS

POTENCIA Y Pme EN FUNCIÓN DE LOS COEFICIENTES

MEP



Ne = mRET F Hc e = mSUM F Hc e
,

e = i m
'e = i m RET

Rendimiento efectivo respecto a la masa de aire
retenida.
Rendimiento efectivo respecto a la masa de aire
suministrada. Tiene en cuenta las pérdidas por
cortocircuito.

En función de la cilindrada del motor:
r
r
ref F Hc e = Rs n V T
ref F Hc ,e
Ne = RCAR n V T
r -1
r -1
La presión media efectiva queda:
r
r
Pme 2 T = RCAR
ref F Hc e = Rs
ref F Hc ,e
r -1
r -1
Pme 4 T   V  ref F Hc  e
MEC
No existen diferencias entre los rendimientos puesto que no hay combustible
cuando entra el aire en el cilindro. En este caso es el dosado el que se puede
definir de dos maneras diferentes.
’


Ne = mRET F Hc e = mSUM F Hc e

F =


m f 1 Dosado referido a la masa de aire retenida.

m RET

F’ =


mf
2 Dosado referido a la masa de aire suministrada.

m SUM

En función de la cilindrada del motor:
r
r
ref F Hc e = Rs n V T
ref F ’ Hc e
Ne = RCAR n V T
r -1
r -1
La presión media efectiva queda:
r
r
Pme = RCAR
ref F Hc e = Rs
ref F ’ Hc e
r -1
r -1

Página 13

MOTORES TÉRMICOS

SOBREALIMENTACIÓN

RAZONES QUE JUSTIFICAN LA SOBREALIMENTACIÓN:
OBJETIVO: Elevación de la potencia para una cilindrada dada.

Ne = n i V T Pme
n: Limitado por la disminución del rendimiento mecánico
VT: Mayor tamaño del motor o aumento del número de cilindros
Pme:

Pme = ref F Hc v i m
Se puede aumentar la Pme aumentando la densidad de referencia o el
rendimiento volumetrico (depende de donde tomemos la referencia), esto es
aumentar la macc y en consecuencia se puede auemtar mfcc.
EXPRESIÓN DE LA DENSIDAD:

amb =

Pamb
P4
P4
< ,ref =
< ,, =
ref
R T amb
R T 4 ( adiab)
R T 4 ( amb)

R e frig e ra d o r

m acc
SA

M a rip o s a
AN

F iltro
C o m p re s o r

re fe re n c ia

n

Cuanto mayor sea la densidad mayor es el efecto de la sobrealimentación, esto
lo conseguimos o bien aumentando la presión o disminuyendo la temperatura.
La sobrealimentación aumenta el trabajo producido en cada ciclo de trabajo ya
que se puede aportar más calor al ciclo.


Página 14

MOTORES TÉRMICOS

PROBLEMÁTICA SOBREALIMENTACIÓN

 Tiempos de respuesta: mala respuesta en aceleraciones
(transitorios) sobre todo los turbosobrealimentados.

bruscas

 Se añade un elemento nuevo. Fiabilidad.
 Tensiones mecánicas:
MEC:
Presión máxima aumenta.
Pmax/Pme disminuye.
El tiempo de retraso disminuye.

MEC AN
MEC SA
MEC SA (refrig)
MEP:

Pme
7
10
14

Pmax
80
100
125

Pmax/Pme
11.5
10
9

Problemas de detonación.

 Tensiones térmicas: Disminuye la fracción de energía cedida al refrigerante
en relación con la aportada.

MEDIDAS A ADOPTAR:










Reducción de la relación de compresión.
Aumento del dosado (MEP).
Inyección de agua.
Reducción del dosado (MEC).
Aumento del cruce de válvulas (MEC).
Refrigeración con aceite en la cabeza del pistón.
Cambiador aceite-agua.
Incremento del caudal de agua de refrigeración.
Utilización de intercambiador después del compresor.


Página 15

MOTORES TÉRMICOS

TIPOS DE SOBREALIMENTACIÓN

ACCIONAMIENTO MECÁNICO, COMPRESOR VOLUMÉTRICO:
Ventajas:
Mantiene la relación de compresión con el
régimen del motor.
Inconvenientes:
Aumento del consumo debido a la energía
empleada.
Nivel sonoro elevado.
Volumen y peso apreciables

TURBOSOBREALIMENTACIÓN
Ventajas:
Fácil instalación.
Gran fiabilidad y duración.
Mantenimiento reducido.
Coste y peso razonable.

Inconvenientes:
Tiempo de respuesta lento.
Problemas de acoplamiento entre el
turbocompresor y el motor alternativo.

Existen otros sistemas de sobrealimentación.

Página 16

MOTORES TÉRMICOS

ACOPLAMIENTO MOTOR Y GRUPO DE SOBREALIMENTACIÓN

La potencia dada por la turbina tiene que ser
la misma que la que absorbe el compresor.
El régimen de giro de la turbina y el
compresor tiene que ser el mismo.
El caudal de aire debe de ser el mismo en
turbina. compresor y motor (en algunas
aplicaciones el caudal que pasa por la turbina
es diferente).
La presión de sobrealimentación (presión a la
salida del compresor) no tiene que
sobrepasar un determinado valor para no
aumentar excesivamente la presión media
Efecto de diferentes tamaños de
del ciclo en el motor alternativo.
turbina en las prestaciones
VÁLVULA REGULADORA DE LA PRESIÓN DE SOBREALIMENTACIÓN
(WASTE GATE):


Página 17

MOTORES TÉRMICOS

TURBINAS DE GEOMETRIA VARIBLE
Las turbinas de geometría variable permiten una adaptación del grupo de
sobrealimentación a los caudales, presiones y temperaturas variables con los
que funciona un motor alternativo.
ENFRIAMIENTO INTERMEDIO (INTERCOOLER)
Temp. de
admisión

Presión de
admisón
1/F
Presión
máxima

Q refrig.
Consumo
específico

Pme
Enfriamiento intermedio sin
aumentar la cantidad de combustible
inyectado

Enfriamiento intermedio con
aumento del combustible inyectado

LIMITACIONES DE LA SOBREALIMENTACIÓN
Pme
Pmax
T. Escape
Humos
Regimen turbo
MEC

n


En MEP el mayor problema es
la detonación.
Página 18

MOTORES TÉRMICOS

BIBLIOGRAFÍA
Brun, R. Science et Technique du Moteur Diesel Industriel et de Transport. Ed. Technip,
1976.
Miralles de Imperial, J., Sobrealimentación de Motores, Biblioteca del Automóvil. CEAC,
1980.
E.T.S. Ingenieros Industriales, Universidad Politécnica Madrid, 1994. Cap. 13:
Sobrealimentación (pp. 321-350).
Taylor, C. F., The Internal Combustion Engine in Theory and Practice. The MIT Press, 1982.
Cap. 13: Supercharged engines and their performance (pp.456-493).
Waston, N. y Janota, M.S., Turbocharging the Internal Combustion Engine. Macmillan,
1982.
Zinner, K., Supercharging of Internal Combustion Engines. Sringer-Verlag. Heidelberg, 1978
Enciclopedia CEAC del Motor y Automóvil. El Motor de Dos Ttiempos. CEAC, 1979. Cap.
Introducción (pp. 13-50).
E.T.S. Ingenieros Industriales, Universidad Politécnica Madrid, 1994. Cap. 7: El Proceso de
Renovación de la Carga en Motores de 2T (pp. 147-189).
Taylor, C. F. The Internal Combustion Engine in Theory and Practice. The MIT Press, 1982.
Cap. 7: Two Stroke Engines (pp. 211-265).


Página 19

MOTORES TÉRMICOS

Contaminación
CONTAMINACIÓN EN MCIA
INTRODUCCIÓN
FUENTES DE EMISIÓN
PRODUCTOS CONTAMINANTES EN LOS M.C.I.A
UNIDADES PARA LA MEDIDA DE LAS EMISIONES
FORMACIÓN DE EMISIONES
INFLUENCIA DEL DOSADO EN LAS EMISIONES
FOMACIÓN DE HIDROCARBUROS SIN QUEMAR
REACCIONES QUIMICAS DE FORMACIÓN DE EMISIONES
CONTAMINANTES.
FORMACIÓN DE NOX
FORMACIÓN DE CO
FORMACIÓN DE HUMOS
COMPROMISO ENTRE EMISIONES DE NOX y HUMOS EN
MEC
ACTUACIONES PARA EL CONTROL DE LAS EMISIONES
CONTROL DE LA EVAPORACIÓN DE COMBUSTIBLE.
RECIRCULACIÓN DE GASES DE ESCAPE (EGR)
SISTREMAS DE TRATAMIENTO QUIMICO DE GASES DE
ESCAPE
TRAMPAS DE PARTÍCULAS


Página 1

MOTORES TÉRMICOS

Contaminación
INTRODUCCIÓN
 La limitación de las emisiones contaminantes ha empezado a ser
contemplada como uno de los objetivos de investigación a partir de 1960.
 La limitación de emisiones contaminantes está reñida con un bajo consumo o
con una elevada potencia.
 Por otro lado la normativa es cada vez más estricta en cuanto a las
emisiones de los motores de combustión interna alternativos destinados a
automoción.

PRINCIPALES FUENTES DE EMISIONES CONTAMINANTES Datos de 1986
CO

CO2

SOx

NOx

HC

Partículas

Transporte

73.7

21.0

4.8

60.8

51.6

13.0

Industrial

15.2

21.0

23.7

9.8

44.3

63.6

Generación de energía

0.5

33.0

60.8

24.6

0.6

15.3

Calefacción y residuos

10.6

24.0

10.7

4.8

3.5

8.1

IMPACTO AMBIENTAL
CONTAMINANTE

ALCANCE

COSTE DEL CONTROL

CO2

Global

Alto

CO

Local

Alto

SOx

Regional y local

Medio

NOx

Regional

Alto

HC

Regional

Bajo

Partículas

Global regional y local

Medio


Página 2

MOTORES TÉRMICOS

Contaminación
FUENTES DE EMISIÓN
Evaporación de combustible: (hidrocarburos)
En el proceso de distribución: se puede solucionar haciendo que cuando se
reposte en las gasolineras los vapores de gasolina que salen del depósito los
recoja la misma manguera que aporta el combustible.
En el vehículo: puede ser en funcionamiento o bien con el vehículo parado, se
evita colocando filtros de carbón activado en el respiradero del depósito.
Gases de soplado del cárter: (hidrocarburos).
Debido a las fugas existentes entre pistón y camisa en el cárter se van
acumulando gases de combustión que si no se les deja salir del cárter acaban
presurizándolo. Se evitan recirculando estos vapores hacia la admisión del
vehículo.
C O LEC TO R
D E A D M IS IÓ N

R E C IR C U L A C IÓ N
FUGAS

C A L IB R E

Otros: lubricantes usados, líquidos refrigerantes del motor, fluidos del sistema
de aire acondicionado, líquido de frenos neumáticos etc...
Gases de escape
Principalmente CO,
NOX e hidrocarburos
sin quemar y
particulas.
Cuantitativamente es
la fuente más
importante y más
difícil de evitar.

O2 y Gases Nobles
0.7%

H2O
9%
CO2
18.1%

HC
0.05%

MEP

NOX
0.08%
CO
0.85

N2
71%


Contaminantes
1%

Sustancias
sólidas
0.005%

Página 3

MOTORES TÉRMICOS

Contaminación
PRODUCTOS CONTAMINANTES EN LOS M.C.I.A
Monóxido de carbono (CO):
En toda reacción de combustión de un hidrocarburo se produce monóxido de
carbono ya que este esta en equilibrio con el dióxido de carbono según la
reacción:
CO + ½ O2  CO2
la reacción está más
desplazada hacia la
derecha cuanto mayor es
la temperatura y cuanto
menor es la concentración
oxígeno (dosado rico).
Es un compuesto muy
venenoso ya que se fija en
los glóbulos rojos de la
sangre impidiendo que
éstos puedan fijar el
oxigeno, la inhalación de
aire con un 0.3% de
monóxido de carbono
durante media hora
produce la muerte.

Porcentaje de carboxihemoglobina
100
muerte
coma

50

600 ppm

Vomito, colapso
300 ppm

Dolor de cabeza intenso
Dolor de cabeza, se
reduce la agilidad mental

100 ppm

10
5

Sin sintomas

30 ppm
15 ppm

1
0.1

1

10

100

Horas de inhalación

Hidrocarburos sin quemar (HC):
Pueden formarse por:
Combustión incompleta (apagado de la llama).
Efecto pared y hueco entre pistón y cilindro.
Cortocircuito de la mezcla fresca (motores de 2T)
Descomposición de los hidrocarburos originales para producir
compuestos aromáticos y derivados nitrogenados
Algunos son cancerígenos (hidrocarburos policíclicos aromáticos -PAH- y sus
derivados nitrogenados -NPAH-). Contribuyen a la formación de ozono (muy
útil en las capas altas de la atmósfera, pero perjudicial a nivel del suelo por su
carácter oxidante e irritante).

Página 4

MOTORES TÉRMICOS

Contaminación
Óxidos de nitrógeno (NOX):
Aparecen cuando existe oxígeno y nitrógeno a altas temperaturas como
las de la combustión.
O2 + N2  N0 + N02
Esta reacción se desplaza más hacia la derecha cuanto mayor es la
concentración de oxígeno (dosados pobres) y cuanto mayor es la
temperatura.
La emisión de NOx en la estratosfera (reactores de los aviones a
reacción) produce la destrucción de la capa de ozono.
NO + O3  NO2 +O2
NO2 + O  NO +O2
Este tipo de reacción no destruye los óxidos de nitrógeno y sí el ozono,
por lo que puede continuar indefinidamente.
En presencia de agua los óxidos de nitrógeno pueden formar ácido nítrico
produciéndose si es con agua de la atmósfera lluvia ácida.
Producen problemas respiratorios, tos y dolores de cabeza
 Partículas sólidas (humos):
Se producen fundamentalmente en los MEC por deshidrogenación y
craqueo del combustible a elevadas presiones y temperaturas y en
ausencia de oxígeno, esta tendencia es mayor cuanto mayor es el
dosado ya que el mezclado del aire y el combustible es difícil.
Es la principal limitación del dosado en MEC.
Las partículas carbonosas absorben hidrocarburos sin quemar, algunos
de ellos son elementos cancerígenos (PAH y NPAH).
Actualmente se estudian los efectos sobre la salud en función del tamaño
de las partículas, cuanto más pequeñas son, mayor es el tiempo que se

Página 5

MOTORES TÉRMICOS

Contaminación
mantienen en suspensión en el aire, los tamaños van desde micras hasta
nanometros.
 Óxidos de azufre (SOX):
Proceden de la oxidación durante el proceso de combustión del azufre
que existe en el combustible, fundamentalmente en los hidrocarburos
pesados, por lo que tienen mayor importancia en los MEC.
En presencia de agua se convierten en ácido sulfúrico que puede llegar a
precipitar en el tubo de escape a bajos grados de carga, si los óxidos de
azufre salen a la atmósfera pueden producir lluvia ácida.
Producen en las personas problemas respiratorios y tienen mal olor.
 Emisiones de plomo:
El plomo procede de los compuestos tetraetil-plomo y tetrametil-plomo
que son aditivos que se utilizan para aumentar el octanaje de las
gasolinas.
Pb-(C2H5)4 y Pb-(CH3)4
El plomo tiene un efecto muy perjudicial para los catalizadores de gases
de escape (envenenamiento del catalizador), por lo que los motores que
tienen catalizador de gases de escape tienen que utilizar gasolina sin
plomo en las cuales para aumentar el octanaje se utilizan otros productos
(hidrocarburos de cadenas cortas).
Ataca el sistema nervioso.


Página 6

MOTORES TÉRMICOS

Contaminación
UNIDADES PARA LA MEDIDA DE LAS EMISIONES
CONCENTRACIÓN EN VOLUMEN DE UNA ESPECIE
La concentración en volumen es la relación entre volumen que ocuparía la
especie química en cuestión a la misma presión y temperatura que la mezcla y
el que ocupa la mezcla.
El volumen ocupado y el número de moles tienen una relación lineal e
independiente de la especie química que se considere, por lo que hablar de
concentración en volumen o fracción molar es lo mismo.
Este tipo de concentración se puede
dar en seco ó húmedo en función de
que entre las especies se incluya ó no
el agua.

Yv i =

ni
j  especies

n
j 1



vi
p
 i
Vtotal p total

j

La concentración puede finalmente expresarse en tanto por ciento o en partes
por millón simplemente multiplicándola por 100 o por 106 respectivamente.
EMISIONES POR UNIDAD DE LONGITUD RECORRIDA POR EL VEHÍCULO
Se mide la masa de una determinada especie química emitida por un vehículo
y se divide por la distancia recorrida las unidades habituales son miligramos
por kilómetro.
Se utilizan para medir las emisiones de un vehículo
cuando se le somete a un determinado ciclo de rodaje
sobre un banco de rodillos.

CL i 

mi
L

Un mismo motor puede dar valores diferentes en función del vehiculo en el que
se monta, depende del peso y de los rozamientos (rodadura, aerodinámica)..
EMISIONES ESPECÍFICAS
Es la relación entre la tasa de producción de una
determinada especie química y la potencia que está dando el
motor, esta relación introduce la importancia de la eficiencia
de la combustión en el motor de una forma más clara que la
anterior ya que en este caso las emisiones solo dependen del
motor y no de las condiciones de utilización.

CNei 


mi
Ne

Página 7

MOTORES TÉRMICOS

Contaminación
INFLUENCIA DEL DOSADO EN LAS EMISIONES
INFLUENCIA DEL DOSADO EN MEP (RÉGIMEN ESTACIONARIO):
2000

4000

Compromiso entre
temperaturas altas y
presencia de oxigeno

4

HC ppm
de C3H8

CO
%vol Combustión

3000

1500

3

2000

1000

NOx
ppm

Apagado de llama
por dosado pobre

NOx

incompleta por
falta de oxígeno

2
HC

500

1000

1
CO

0.6

0.8
1.0
Dosado relativo

1.2

INFLUENCIA DEL DOSADO EN MEC (RÉGIMEN ESTACIONARIO):
1500

NOx, HC y CO

ppm
vol
1000

humos
A medida que aumenta
la temperatura
aumentan los NOx

Mal mezclado aire-combustible
y bajas temperaturas debido a
bajos grados de carga

0.15
g/m3

NOx

0.1 A medida que aumenta
el dosado es más difícil
que el combustible
encuentre oxigeno.

HC
500

0.05

CO
humos
0.1

0.2

0.3
0.4
Dosado relativo


0.5

0.6

Página 8

MOTORES TÉRMICOS

Contaminación
RÉGIMEN TRANSITORIO:
Arranque en frío:
MEP: Mezcla rica y dificultades evaporación  CO, HC, NOx.
MEC: Dificultades autoinflamación, mayor efecto pared  HC, humos
blancos.
Aceleración:
MEP carburador e inyección monopunto: Enriquecimiento de mezcla 
CO, HC, NOx.
MEP inyección multipunto: Enriquecimiento controlado  Variaciones
pequeñas.
MEC atmosférico: Cantidad inyectada  humos negros.
MEC sobrealimentado: Tiempo de estabilización del turbocompresor 
Presión admisión  Humos negros  Necesidad de limitar cantidad
inyectada (corrector de humos).
Deceleración:
MEP carburador e inyección monopunto: Evaporación combustible
depositado en paredes  mezcla rica  CO, HC.
MEP inyección multipunto: Corte de inyección, evaporación de combustible
 No combustión y emisión de HC.
MEC: No hay inyección combustible.


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MOTORES TÉRMICOS

Contaminación
FOMACIÓN DE HIDROCARBUROS SIN QUEMAR
Habitualmente entre el 1.5% y 2% del combustible que entra en el motor no se
consigue quemar:
 Emisiones de hidrocarburos en el escape (HC).
 Pérdida de rendimiento.
EJ. MEP

HC + AIRE
CÁMARA DE COMBUSTIÓN

COMBUSTIÓN PRINCIPAL
(91% HC)
(9% HC)
Pérdida de rendimiento
parcial (antes AE) o total
(después AE)

COMBUSTIONES SECUNDARIAS
( carreras expansión y escape, 5% HC)
(4% HC)
PIPAS Y COLECTOR
DE ESCAPE

COMBUSTIONES SECUNDARIAS
(conductos escape, 2% HC)

Pérdida total de rendimiento

(2% HC) emisiones del motor
CATALIZADOR

OXIDACIÓN EN CATALIZADOR
(1.6% HC)

(0.4% HC) emisiones a la atmósfera

Página 10

MOTORES TÉRMICOS

Contaminación
(1) Mezcla aire-combustible queda encerrada durante la carrera de compresión
y el proceso de combustión en distintos huecos y hendiduras de la cámara
de combustión. La mezcla abandona los huecos durante las carreras de
expansión y escape.
(2) Combustible es absorbido por la capa de lubricante durante las carreras
de admisión y compresión. Posteriormente el combustible es desorbido
durante las carreras de expansión y escape.
(3) Combustible es absorbido por los depósitos de la cámara durante las
carreras de admisión y compresión. Posteriormente el combustible es
desorbido durante las carreras de expansión y escape.
(4) La llama se extingue antes de tocar la pared de la cámara de combustión
dejando una capa de mezcla aire-combustible sin quemar (apagado en
pared).
(5) En determinadas condiciones operativas puede llegar a ocurrir que la llama
se extinga antes de recorrer la totalidad de la cámara dejando una gran
cantidad de mezcla aire-combustible sin quemar (apagado). Otras veces la
mezcla no llega a encenderse (no encendido).
(6) Combustible en estado líquido no tiene suficiente tiempo para evaporarse y
mezclarse con el aire y así quemarse durante la combustión.
(7) Cierta cantidad de mezcla aire-combustible se cortacircuita en algunos
ciclos a través de la válvula de escape durante el cruce de válvulas, factor
importante en motores de 2T.
Mecanismo (MEP)

HC que escapa de la
combustión principal

HC emitido por el motor

Huecos y Hendiduras

57%
6%
11%
11%
14%
1%

38%
5%
16%
16%
20%
5%

Apagado
Lubricante
Depósitos
Combustible Líquido
Fuga Válvula de Escape


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MOTORES TÉRMICOS

Contaminación
 Procesos de combustión secundarios
Los HC retenidos mediante los distintos mecanismos, se introducen en el seno
de los gases quemados y sufren un proceso de combustión secundaria durante
las carreras de admisión y escape o en los conductos de escape (pipa y
colector de escape).
 Combustión secundaria según como haya sido retenido el combustible
HC almacenados con aire: (1), (4), (5) y (7)  Fácil de quemar.
HC almacenados sin aire: (2), (3) y (6)
 Difícil de quemar (el combustible
debe mezclarse con el aire y en algunos casos incluso evaporarse).
 Localización de la combustión secundaria
Carreras de escape y expansión
Proceso de escape (pipa y colector)




(1), (2), (3), (4) y (6).
(1), (2), (3), (4), (5), (6) y (7).

Mecanismo (MEP)

HC que escapa de la
combustión principal

HC emitido por el motor

Huecos y Hendiduras

57%

38%

Apagado

6%

5%

Lubricante

11%

16%

Depósitos

11%

16%

Combustible Líquido

14%

20%

Fuga Válvula de Escape

1%

5%

En motores diesel la principal fuente de hidrocarburos procede de combustible
que no a encontrado una zona de alta temperatura para quemarse, por lo que
las mayores emisiones se producen a bajos grados de carga.


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MOTORES TÉRMICOS

Contaminación
REACCIONES QUIMICAS DE FORMACIÓN DE EMISIONES
CONTAMINANTES.
La formación de NOx y CO en la cámara de combustión están muy
relacionadas con determinadas reacciones cuyo tiempo de reacción es del
orden de magnitud que el tiempo que dura un ciclo termodinámico, esto quiere
decir que las reacciones no llegan al equilibrio químico antes de que abra la
válvula de escape. Esto hace que las emisiones de estos contaminantes
dependan en gran medida de la velocidad de reacción que a su vez es
dependiente de:
De la naturaleza de la propia reacción que tendrá determinadas energías de
activación Ea, A y m en ambos sentidos.
De la temperatura T en que se desarrolle la reacción, mayores temperaturas
favorecerán que se desarrollen con mayor rapidez las reacciones.
De las concentraciones de las especies químicas reaccionantes, cuanto
mayores sean las concentraciones mayor será la velocidad de reacción.
d


aA bB cCeE


Vr d  KdA  B
a

b

i

Vr i  KiC E
c

e

siendo T la temperatura, Ea la energía de
activación de la reacción, R la constante
universal de los gases y m y A constantes
propias de la reacción que se trate.

 Ea 
K  A T m exp 

 RT 



Cuando la temperatura en la
camara de combustión es eleveda
las composiciones están cerca del
equilibrio, pero cuando baja la
temperatura, las composiciones se
alejan del equilibrio.
Este
efecto
repercute
fundamentalmente a las emisiones
de NOx y en menor medida en las
de CO.

Temperatura

Sin Equilibrio

Equilibrio

Ángulo de Cigüeñal (°)

Página 13

MOTORES TÉRMICOS

Contaminación
FORMACIÓN DE NOX
Se destacan tres mecanismos fundamentales que involucran a la evolución de
los NOx:
 Mecanismo térmico o de Zeldovich
 Mecanismo “pronto” o de Fenimore
 Mecanismo del N2O intermedio
MECANISMO TÉRMICO O DE ZELDOVICH
Es el mecanismo que en condiciones normales provoca la formación de NOx:

N2  O  N  NO
O 2  N  O  NO

(R1)
(R2)

N  OH  H  NO

(R3)

Las constantes de velocidad de reacción asociadas a las reacciones de este
mecanismo son tales que la concentración de NO queda “congelada” para
valores por debajo de 1800-2000 K en el tiempo típico de residencia de los
gases quemados en el motor.
MECANISMO “PRONTO” O DE FENIMORE
Es un mecanismo ligado a la química de la combustión de los HC que tiene
importancia sólo en la zona de dosados muy ricos. Fenimore observó que en
la zona del frente de llama aparecía NO antes de que le diera tiempo a
aparecer según el mecanismo de Zeldovich por eso lo llamó “pronto”. El
mecanismo parte de radicales CH:
Para dosados FR > 1.2
Para dosados FR < 1.2
HCN  O  NCO  H
CH  N2  HCN  N
NCO  H  NH  CO
C  N2  CN  N
NH  H  N  H2
N  OH  NO  H


Página 14

MOTORES TÉRMICOS

Contaminación
MECANISMO DEL N2O INTERMEDIO
Es un mecanismo que tiene importancia para mezclas pobres FR < 0.8 y en
procesos en los que la temperatura es relativamente baja. Los tres pasos del
mecanismo son:
N2  O  N2O
H  N2ON  NO  NH
O  N2O  2NO
Este mecanismo puede ser importante en estrategias relacionadas con la
utilización de mezclas pobres premezcladas en turbinas de gas.
Tanto en MEC como en MEP la mayor formación de NOX se produce en el
frente de llama ya que es donde se producen las máximas temperaturas,
posteriormente estos se van descomponiendo al bajar la temperatura pero no
hay suficiente tiempo como para que esto ocurra.

NO

Temperatura

Sin Equilibrio

Equilibrio

Reacción
Congelada


Se puede decir por tanto que el principal factor para la producción de NOx es la
temperatura máxima durante el ciclo ya que esta determina el nivel máximo de
NOx en la camara de combustión.
Evidentemente si no existe oxigeno (dosado rico) los NOx tienen dificultades
para formarse ya que el oxigeno es consumido por el carbono y el hidrogeno,
por ello el maximo de formación de NOx en MEP se da en dosado 0.9.
Mientras que en MEC está mas relacionado con las diferentes fases de la
combustión y las temperaturas que se alcanzan.

Página 15

MOTORES TÉRMICOS

Contaminación
FORMACIÓN DE CO

La oxidación de los hidrocarburos se puede dividir en 2 pasos:
1. Oxidación del combustible con aparición de CO
2. Oxidación del CO a CO2
El segundo paso presentará tanta más dificultad para darse cuanta menos
cantidad de oxigeno exista (mezclas ricas). Compuestos hidrogenados como
H2 y H2O tienen una gran importancia en la velocidad de reacción asociada a
esta oxidación secundaria.
Si se emplea como acelerador de esta reacción el H2O, el mecanismo ligado
con el CO es:
CO  O2  CO2  O
(1)
(1) no contribuye prácticamente a la
formación de CO2 pero sirve de
O  H2O  OH  OH
(2)
iniciador de la secuencia de
CO  OH  CO2  H
(3)
reacciones.
H  O2  OH  O
( 4)
(3) acelera el proceso de aparición de
CO2 a partir de CO

CO
Temperatura

Sin Equilbrio

Equilibrio


La evolución de la concentración del CO está cerca del equilibrio químico. La
congelación de la evolución, si se produce, no es tanto motivada por el
descenso de temperatura como por la falta de O2 que impide que el CO se
transforme en CO2. Los dosados pobres con los que trabajan los MEC hacen
que la emisión de CO sea pequeña.

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MOTORES TÉRMICOS

Contaminación
FORMACIÓN DE HUMOS

Los humos son partículas, sólidas o líquidas (aerosol), suspendidas en los
gases de escape. Se pueden clasificar en dos grupos:
Azules/blancos consistentes en una mezcla de partículas de combustible y
aceite de lubricación en un estado quemado, parcialmente quemado o
craqueado.

La componente azul procede del lubricante, resultando del deterioro del
sellado de los segmentos del pistón, o del desgaste de la guía de la válvula. El
combustible no quemado puede aparecer también como humo azul con un
tamaño de gotas sobre 0.5 µm.
La componente blanca, es resultado principalmente de una temperatura muy
baja en la cámara de combustión durante el período de inyección de
combustible. Están formados por combustible no evaporado, que tiene un
tamaño de gota de cerca de 1.3 µm, y por agua condensada.
El humo blanco es consecuencia de una condición transitoria durante el
arranque en frío, desapareciendo a medida que el motor se calienta. También
puede ser resultado de una inyección muy tardía
Grises/negros consistentes en partículas sólidas de carbón que provienen de
un modo de combustión incompleta (deshidrogenación del combustible).

Se produce por encima de un determinado grado de carga si se inyecta más
combustible del valor máximo de diseño, si se tiene un chorro deficiente o si el
aire de admisión se restringe.
Las causas principales de emisión de humo negro excesivo en servicio son:
 Inyectar más de la cuenta: mal reglaje del grado de carga máximo.
 Chorro deficiente: mal reglaje de la bomba y de inyectores y
ensuciamiento de éstos.
 Disminución de aire admitido: suciedad en el filtro del aire.
Se debe notar sin embargo, que hay varias partículas de carbón presentes en
el escape de los diesel bajo cualquier condición operativa, de forma que es
imposible de alcanzar una emisión nula de humos.

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MOTORES TÉRMICOS

Contaminación
FORMACIÓN DE HOLLÍN DURANTE EL PROCESO DE COMBUSTIÓN
Autoinflamación

Final de la
combustión

Apertura de la
válvula de escape

PMS

Tasa de
Inyección
DFQL


Combustión
del hollín
Concentración
de hollín
Formación y
Combustión
del hollín


Durante la segunda fase de la combustión se forma muy poco hollín.
La formación de hollín ocurre durante la tercera fase de la combustión. Al
principio de esta fase la formación de hollín es muy rápida y va disminuyendo
debido a que empieza a aparecer la combustión de hollín.
Existe un ángulo a partir del cual la concentración de hollín disminuye debido a
que predomina la combustión de hollín frente a la formación.
Llega un momento en que el hollín deja de quemarse debido a que la
temperatura disminuye.
A parte de un buen sistema de formación de la mezcla, las emisiones de
humos diminuyen cuanto mayor es el tiempo que la temperatura es elevada en
la cámara de combustión, esto se consigue aumentando el avance o con postinyecciones debidamente localizadas durante la carrera de expansión.


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MOTORES TÉRMICOS

Contaminación
COMPROMISO ENTRE EMISIONES DE NOX y HUMOS EN MEC

Mientras que las emisiones de CO y HC en MEC pueden ser controladas con
catalizadores de escape, las emisiones de NOx y hollín tienen tendencia
contrapuestas al modificar el inicio de la inyección.
Humos

Avance

NOx

Cuando se modifica otro parámetro de funcionamiento suele afectar a una de
los tipos de emisiones dejando mas o menos indiferente a la otra.
El objetivo de una puesta a punto es buscar las mejores condiciones operativas
que aproximan la curva al origen y después determinar el avance que permite
introducir algún punto de la curva detro del límite de emisiones.
Humos

EGR

Limite de
emisiones

Avance
óptimo

Piny
Padm
NOx

Con la aparición de los sistema de control de motores basados en
microprocesador, las posbilidades de puesta a punto han crecido en gran
medida.

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MOTORES TÉRMICOS

Contaminación
CONTROL DE LA EVAPORACIÓN DE COMBUSTIBLE.

La evaporación del combustible almacenado en el depósito es una fuente de
hidrocarburos que se controla mediante un filtro de carbón activo colocado en
la puesta en atmósfera del deposito de combustible.
Existe una estrategia para la limpieza del filtro y recirculación de los depósitos
del mismo hacia el colector de admisión.
U. CONTROL
Válvula de Carga
del Canister
(abierta)

Válvula de Purga
(cerrada)

Sonda de
Presión

P

Canister
(Carbón Activo)

CARGA
CANISTER

DEPÓSITO DE
GASOLINA

AIRE FRESCO

U. CONTROL
Válvula de Carga
del Canister
(cerrada)

Válvula de Purga
(abierta)

Sonda de
Presión

Canister
(Carbón Activo)

PURGA
CANISTER

P
DEPÓSITO DE
GASOLINA

AIRE FRESCO


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MOTORES TÉRMICOS

Contaminación
RECIRCULACIÓN DE GASES DE ESCAPE (EGR)

Consiste en readmitir una cierta cantidad de los gases emitidos para que
actúen como elementos inertes en la reacción de combustión y
consecuentemente disminuyen la temperatura de combustión y la formación de
NOx. También disminuyen la velocidad de combustión.
ELECTROVÁLVULA
EN REPOSO
U. CONTROL
AL CILINDRO
Patm

DEPÓSITO
DE VACÍO
(carga)
VÁLVULA
ANTIRRETORNO

VÁLVULA DE
EGR

P=Patm

REGULADOR DE
PRESIÓN
Patm

REFRIGERANTE

VALVULA
CONTROL DE
TEMPERATURA
EGR

GASES DE
ESCAPE

El sistema de recirculación consiste en un conducto controlado con una válvula
que recircula los gases desde el escape hasta la admisión. Los gases son
refrigerados antes de introducirlos en la admisión.
Suele utilizarse la depresión en el colector de admisión en MEP (la
recirculación se realiza a bajos grados de carga) en el caso de MEC se dispone
de una bomba de vacio o de otro tipo de dispositivo eléctrico o mecánico.
A altos grados de carga la recirculación de gases de escape limita la potencia
del motor ya que desplaza el oxígeno necesario para quemar el combustible.


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MOTORES TÉRMICOS

Contaminación
CONSECUENCIAS EN MEP
La introducción de EGR trae consigo además de la reducción de NOX las
siguientes consecuencias:
 Aumento de las emisiones de HC
 EGR   T (ciclo)   HC
 Aumento del consumo específico
 EGR   CC   e   ge
 Aumento de la inestabilidades del
motor
 EGR   CCL   Estabilidad

NOX
FR = 0.95

5000

4000

FR = 1.0
3000

0

EGR (%)
5

10

15

CONSECUENCIAS EN MEC
NO REFRIGERADO
REFRIGERADO

%

HC

NO REFRIGERADO

humos
100
REFRIGERADO

NOx
NO REFRIGERADO

10

20

30

%EGR
REFRIGERADO


Página 22

MOTORES TÉRMICOS

Contaminación
SISTREMAS DE TRATAMIENTO QUIMICO DE GASES DE ESCAPE

REACTORES TÉRMICOS
El reactor térmico es similar a una cámara de combustión, donde se oxidan
completamente las trazas de CO y HC que puedan quedar después de la
combustión en el cilindro.
 Es necesario suficiente O2 en el escape: dosados pobres o adicción de
oxigeno.
 Temperatura suficientemente elevada: aislamiento, energía de la reacción,
problemas con dosados pobres.
 Suficiente tiempo de residencia: volumen del reactor.
 Ventaja: elevada reducción de CO y HC
 Inconveniente: elevado volumen, y aumento de emisiones de NOx.
REACTORES CATALÍTICOS
Este tipo de reactores utilizan catalizadores para favorecer determinadas
reacciones que eliminan las sustancias contaminantes.
Un parámetro importante que influye notablemente sobre el rendimiento del
catalizador, es la superficie expuesta al contacto de los gases de escape. Para
elevar esta superficie, el catalizador se dispone en el interior de los reactores
formando gránulos de pequeño tamaño o preferiblemente en bloques
cerámicos monolíticos.
REACTORES CATALÍTICOS DE OXIDACIÓN
Los reactores catalíticos de oxidación eliminan el CO y el HC de los gases de
escape de los motores. Consisten en un depósito intercalado en el tubo de
escape, donde se encuentra el catalizador, el cual favorece la reacción de
oxidación.
CO + O2  CO2
HC + O2  CO2 + H2O
Los catalizadores son sustancias hetereogéneas, que normalmente incluyen
metales como platino, iridio, paladio, etc.

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MOTORES TÉRMICOS

Contaminación
REACTORES CATALÍTICOS DE REDUCCIÓN
Los reactores catalíticos de reducción se utilizan para de eliminar el NOx,
reduciéndolo a N2. Se han utilizado distintos tipos de catalizadores, pero los
más utilizados en la actualidad son los que contienen rodio o rutenio (más
barato y fácil de obtener).
Para que funcione con buenos rendimientos es fundamental que en su interior
haya ausencia casi total de O2.
En los gases de escape se han de
encontrar componentes reductores,
como el CO y el H2, para producir la
reacción de reducción:

NO + CO  CO2 + 1/2 N2
NO + H2  H2O +1/2 N2

Se debe elegir un catalizador que
evite la formación de amoniaco:

2 NO + 5 H2  2 NH3+ 2 H2O

REACTORES CATALÍTICOS MIXTOS O DE TRES VÍAS
Cuando el motor trabaja con dosados
estequiométricos, pueden utilizarse
reactores catalíticos que actúen
simultáneamente sobre el HC, CO y
NOx, de forma que el NOx se reduce
y cede su oxígeno para oxidar el HC y
el CO.

CO
NOX
g/kWh g/kWh

El intervalo de dosado en que las
emisiones de HC, CO y NOx son
eliminadas simultáneamente en un
porcentaje elevado es muy pequeño:
y obliga a controlar minuciosamente la
concentración de O2.

400

6

100

HC
g/kWh

8

9

200

NOX

12

300

Anterior al Catalizador
Posterior al Catalizador

3

6

CO

4

2
HC
HC

0
0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

DOSADO RELATIVO

 En esta zona se producen las siguientes reacciones principales:
H2+NO  H2O+N2
CO+NO  CO2+N2
HC+O2  H2O+CO2
H2+O2  H2O
CO+O2  CO2

Página 24

MOTORES TÉRMICOS

Contaminación
TRAMPAS DE PARTÍCULAS

Basicamente las trampas de partículas son filtros. A medida que se llenan
aumenta la contrapresión de escape, por lo que hay que regenerarlas (quemar
las partículas que han recogido). Por ello habitualmente llevan un recubrimiento
catalítico. En otros casos existe un sistema de calentamiento eléctrico o se
adiciona un compuesto al combustible.
Tipos de trampas:

Cerámicos monolíticos de nido de
abeja.
Hilos cerámicos.
Espumas cerámicas
Polvos metalicos sinterizados
Precipitadores electrostáticos
Malla de hilos

Filtración


Regeneración

Página 25

MOTORES TÉRMICOS

Contaminación
BIBLIOGRAFÍA
Benson, R. S. and Whitehouse, N. D. Internal Combustion Engines. Ed. Pergamon Press,
1983. Cap. 4: Combustion in Compression Ignition Engines (pp.69-95).
Cheng, Hamrin, Heywood, Hochgreb, Min, Norris, “An Overview of Hydrocarbon
Emissions Mechanisms in Spark Ignition Engines” SAE paper 932708
Degobert, P. “Pollution Provoquée par le Moteur Diesel Niveaux d’Émission Comparaison
avec Moteur a Allumage Commandé”. Revue de l’institut Français du Pétrole. Vol. 41, Nº5,
Septembre-Octobre, 1986 (pp. 687-698).
Fernández, P. Metodología de Puesta a Punto de un Sistema de Inyección en MEP. PFC
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Garrett, T. K., Automotive Fuels and Fuel Systems. Volume 1: Gasoline. Pentech Press,
1991. Cap. 13: Emissions and their Control (pp. 304-343).
Garrett, T. K., Automotive Fuels and Fuel Systems. Volume 2: Diesel. Pentech Press, 1994.
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1982. Cap.14: Diesel Engine Exhaust Emissions and Noise (pp. 482-516)
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MOTORES TÉRMICOS

Ensayos

ENSAYOS
INTRODUCCIÓN
CURVAS CARACTERÍSTICAS
CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS DE MOTORES
PARÁMETROS A MEDIR E INSTRUMENTACIÓN NECESARIA
MÉTODOS DE MEDIDA DEL PAR EFECTIVO
FRENOS


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MOTORES TÉRMICOS

Ensayos
INTRODUCCIÓN
Las variables que definen fundamentalmente el punto de funcionamiento de un
M.C.I.A son:
 Par efectivo o presión media efectiva.
 Régimen de giro o velocidad lineal media.
 Grado de carga (se puede definir de dos maneras):
- Pme/Pme(max) al mismo régimen de giro.
- Posición del acelerador:
MEP ángulo de mariposa (grado de admisión).
MEC posición del mando del acelerador en la bomba
inyectora.
Las dos formas de definirlo tienen una relación entre ellas de manera que
si una crece la otra también.
El mapa de funcionamiento del motor en un plano par-régimen viene
determinado por:
 El régimen máximo: limitado por el aumento de las pérdidas mecánicas
y las fuerzas de inercia.
 El régimen mínimo: limitado por la estabilidad en el funcionamiento del
motor.
 El par máximo a cada régimen de giro que viene dado por las
prestaciones del motor.
P ar ó pm e
P o te n c ia

L ín e a s d e p o s ic ió n d e
a c e le ra d o r c o n s ta n te

R é g im e n
ra le n tí

R é g im e n
ó Cm

MOTOR ARRASTRADO


R é g im e n
m á xim o

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MOTORES TÉRMICOS

Ensayos

De las tres variables que definen el punto de funcionamiento, dos de ellas
vienen dadas por las condiciones operativas (Me, n) y la tercera la fijan las
características del motor (e).
VARIABLE 3
CONDICIONES
OPERATIVAS
Ó
CONDICIONES DE
ENSAYO

VARIABLE 2

MOTOR
VARIABLE 1

OTRAS VARIABLES

Dado un punto de funcionamiento hay una serie de variables y parámetros que
identifican el comportamiento del motor (presiones, temperaturas, caudales,
emisiones, etc...) . Algunos de estos parámetros se pueden fijar con
dispositivos al efecto (temperatura del refrigerante con el termostato o con un
sistema de refrigeración en sala de ensayos).
Algunas de estas variables o las que se calculan a partir de ellas tienen
asociadas parámetros adimensionales.
 Par => Pme

pme 

Me 2 
 k Me  a F Hc v e
Ap S Z i

 Potencia => Ne/Ap

Ne
pme
cm i
 pme S n i 
Z Ap
2
 Régimen de giro  cm

cm  2 S n  k n

 Consumo de combustible  Rendimiento


mf
gef 

Ne  e


mf
1
1

k

m f Hc  e Hc
e


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MOTORES TÉRMICOS

Ensayos
CURVAS CARACTERÍSTICAS
CURVAS DE PLENA CARGA:
Se hace un barrido de regímenes de giro con el máximo grado de carga.
Normalmente se representa la variación frente al régimen de:
 Par (o pme)
 Potencia (o carga térmica)
 Consumo específico
Los valores de presión y potencia se suelen corregir con un factor dependiente
de las condiciones ambientales, a fin de que los ensayos puedan ser repetitivos
con diferentes condiciones ambientales.

Tendencias del rendimiento:

gef  k

1
1
k
e
i m

El rendimiento indicado aumenta con el régimen, porque disminuyen las
pérdidas de calor y mejora la combustión por la turbulencia.
El rendimiento mecánico disminuye con el régimen, porque las pérdidas
mecánicas aumentan con el cuadrado del régimen.
En motores sobrealimentados el rendimiento mecánico mejora respecto a
aspiración natural porque aumenta la Pme mucho más que la Pmpm.

m 

Pme
Pme  Pmpm


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MOTORES TÉRMICOS

Ensayos

Tendencias de la presión media efectiva: pme    v F Hc e
 El rendimiento volumétrico disminuye con el régimen de giro.
 El rendimiento efectivo aumenta y después disminuye.
 El dosado en MEP se mantiene aproximadamente constante.
 En MEC hay que tener en cuenta la ley de entrega de combustible de la
bomba con el régimen.
En motores sobrealimentados la presión media efectiva aumenta porque
aumenta la densidad de referencia. En motores con turbosobrealimentación
este efecto se nota a partir de que el sistema de sobrealimentación se acopla
con el motor.

v

cm

Tendencias de la potencia:

Ne  K Pme n

En MEP la potencia aumenta con el régimen hasta un máximo y después el
aumento del régimen no compensa la disminución de la Pme y la potencia
empieza a disminuir.
En MEC no se llega a este punto ya que el sistema de inyección corta antes
la inyección para evitar fuerzas de inercia excesivas, por lo que la potencia
siempre es creciente con el régimen.

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MOTORES TÉRMICOS

Ensayos
CURVAS A CARGAS PARCIALES:
A un régimen de giro dado se va modificando el grado de carga, para ello el
freno tiene que ajustar el par de frenado para no acelerarse y decelaerarse al
aumentar el par motor.
Una vez estabilizado es posible medir la variable que se desee conocer.


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MOTORES TÉRMICOS

Ensayos

Barriendo todos los regímenes y todos los grados de carga se obtiene el mapa
motor donde se pueden trazar lineas que unen puntos con el mismo valor de la
variable medida, por ejemplo un mapa de isoconsumos:

Variación de las condiciones operativas al desplazarse del polo
económico
MEP i (F) dominante
m (pme)

pme

POLO
ECONÓMICO

i (n Q)
m (n)

m (n)
Líneas consumo
específico constante

m (pme) dominante
MEC i (F)
Cm


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Ensayos
CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS DE MOTORES
SEGÚN OBJETIVO:
 Control de calidad
Control de nivel de acabado y prestaciones
Tipos:
A todas las unidades análisis de un número reducido de variables
A un número de unidades, análisis exhaustivo, duración,
desgaste, evolución.
 Homologación
Prestaciones frente a normativa
Homologación de piezas de proveedores.
 Recepción
Similares a los anteriores pero a petición del usuario. Para grandes
motores estos sustituyen a los de control de calidad.
 Investigación
Obtención experimental de parámetros (muy diversos).
SEGÚN LA FORMA DE EJECUCIÓN DEL ENSAYO:
 Con combustión
Condiciones estacionarias o estudio de transitorios.
 Sin combustión
Arrastre del motor mediante un motor eléctrico.
 Sobre modelos
Simulación de procesos del motor sobre maquetas o sobre sistemas
similares a los del motor.

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Ensayos
PARÁMETROS A MEDIR E INSTRUMENTACIÓN NECESARIA
VARIABLE O PARÁMETRO
A MEDIR
ASOCIADOS
Par efectivo (Me)
Presión media efectiva
(pme)
M 4
pme  e
VT
Régimen (n)
Velocidad lineal media
del pistón (cm)
cm  2 S n
Potencia efectiva (Ne)
Ne  2  n Me

Gasto combustible ( mf ) Consumo específico (gef)
.

INSTRUMENTACIÓN
Banco dinamométrico:
- Hidraúlico
- Electromagnético
- Dinamo-freno
Tacómetro:
- Óptico
- Magnético
- Mecánico

Medidor volumétrico
Balanza de combustible

mf
Ne
Rendimiento efectivo (e)
N
e  . e
m f Hc
Rendimiento Volumétrico Tobera calibrada.
Diafragma.
(v)
.
Medidor de flujo laminar.
ma
Émbolos rotativos.
v 
n
 a VT
2
Dosado (F)
g ef 


Gasto aire ( ma )

.

F

mf
.

ma
Gasto de gases del
cárter.
Gases de EGR

Fugas en segmentos

Medidor de Blow-by

Tasa de residuales

Medida CO2 adm.-esc.

Ángulo de giro cigüeñal
()

Variación de volumen
(V)

- Óptico
- Magnético.


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VARIABLE O PARÁMETRO
A MEDIR
ASOCIADOS
Presiones instantáneas
Presión media indicada
cilindro (p)
(pmi)

 p dV

pmi 

VT

Potencia Indicada (Ni)

Ni  pmi VT n / 2

INSTRUMENTACIÓN
Transductores:
- Piezoeléctrico.
- Muelle débil.
- Sistema de adquisición
de datos de alta
frecuencia de muestreo

Rendimiento Indicado (i)

Ni

i 

.

m f Hc
Rendimiento
(  m)

mecánico


m  e
i

Presiones medias (p)

Aceite.
Agua.
Escape.
Admisión.
Temperaturas medias (T) Agua
Aceite
Escape
Admisión
Combustible
Porcentaje (%)
CO
Partes por millón (ppm)
HC
NOX
Dosado
O2
CO2
Humos de escape
Escala Bosch
Escala Hartridge


Manómetros Columnas
- Mercurio
- Agua
- Transmisor de presión
- Termopares
- Semiconductores
- Termorresistencias

Analizadores:
- Infrarrojos
- Ionización de llama
- Quimioluminiscencia
- Magnetoneumático
Opacímetros:
- Bosch
- Hartridge
- AVL

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MÉTODOS DE MEDIDA DEL PAR EFECTIVO
 Aceleración libre:

Consiste en acelerar el motor en vacío y medir el régimen de giro en función
del tiempo, así se puede conocer la aceleración angular (): M  I 
- Es necesario conocer el momento de inercia del motor I.
- La medida del par se realiza en transitorios.
- Este método también sirve para medir el par de pérdidas mecánicas.
 Transductor de par colocado en la transmisión:

En transitorios el momento de inercia del freno no influye en el par medido.
MOTOR

CARGA Ó FRENO

Transductor

Transmisión

 Balanceado del freno:

Consiste en hacer que sobre el estator del freno solo generen par la fuerza
generada por la célula de carga (transductor de fuerza) y el par de frenado.
Rodamiento
para balancear
el estator

ESTATOR

Rodamiento
entre rotor y
estator

ROTOR

ROTOR
Célula de carga
(señal de
f
)

Par de
frenado M

M = F. r

Rx

F

Ry

ESTATOR

r


r

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FRENOS

CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UN FRENO
El freno dinamométrico es el sistema que permite absorber la energía
mecánica generada por el motor que se ensaya
Al igual que el motor tiene un cierto rango de funcionamiento limitado por:
 Máximo par de frenado: debido a que el par de frenado máximo depende
de alguna manera del régimen de giro y aumenta con el régimen.
 Límite de la balanza: viene determinado por la máxima fuerza que puede
soportar el elemento de medida del par, es independiente del régimen de
giro.
 Potencia máxima: depende del máximo calor que sea capaz de disipar el
sistema de refrigeración del freno.
 Régimen máximo: limitado por los esfuerzos centrífugos que se originan.
 Par mínimo: si el par es muy bajo la precisión de la medida del par no es
buena, ya que el par generado por la fricción del freno es del mismo orden
que el medido. La resolución de la célula de carga también puede ser un
impedimento.

Límite por
balanza
Ne

Límite por
balanza

Potencia máxima

Par
Régimen
máximo

Máximo
par

Par mínimo
Régimen

Potencia
máxima
Máximo
par

Par mínimo

Régimen
máximo
Régimen

Para que un motor pueda ser ensayado con un determinado freno la región de
funcionamiento del motor tiene que estar dentro de la del freno.

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FRENOS Y MEDIDA DEL PAR EFECTIVO (II)

TIPOS DE FRENOS:
 Freno hidraúlico
Consiste en un rotor con palas que bate agua dentro del estator.
La potencia se disipa por fricción y calentamiento del agua que circula por su
interior.

Son buenos para grandes potencias. Resultan difíciles de regular, lo que se
hace por nivel de agua o por separación entre estator y rotor.

 Freno de aceite (oleo-hidraúlico)
El freno consiste en una bomba de engranajes o similar que bombea aceite,
posteriormente el aceite se lamina y se refrigera.

La regulación se realiza modificando la presión de salida del aceite en la
válvula de laminación.


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FRENOS Y MEDIDA DEL PAR EFECTIVO (III)
 Dinamo-freno
Una dinamo absorbe la potencia generando corriente eléctrica que puede ser
reutilizada. La potencia se mide mediante una célula de carga o midiendo la
energía eléctrica generada.

La regulación se hace variando la tensión en el inducido y la excitación de la
dinamo. Tiene una pequeña gama de utilización y un alto precio, pero permite
invertir su funcionamiento y arrastrar el motor.
Actualmente, gracias al desarrollo de los variadores de frecuencia, estas
máquinas están siendo sustituidas por sus equivalentes en corriente alterna.

 Freno electromagnético
El estator consiste en un bobinado excitado por una pequeña corriente
continua. Esta corriente genera un flujo magnético (corrientes de Foucault) que
se oponen al movimiento del rotor. La potencia absorbida se convierte en calor
que se cede al agua que circula por el estator.

La regulación se realiza mediante la variación de la corriente que circula por el
estator, por lo que resulta fácil de controlar. El rotor es el único elemento móvil.
 Maquina asincrona

Consiste en un moto-generador asíncrono gobernado por una especie de
variador de frecuencia con posibilidad de absorber la energía que produce en
resistencias o volcarla a la red eléctrica

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INSTALACIONES DE ENSAYO (I)

CONTROLES DE PAR RÉGIMEN Y GRADO DE CARGA

Consigna Régimen
Consigna Par
Consigna Alfa

REGULAR
Régimen

Par

Consign

Régimen
Valo

Regulador
(PID)

Unidad control
freno
Alfa

REGULAR
Alfa

Par

Otra

MOTOR
Consign

FRENO

Valo

Regulador (PID)

Actuador mando
acelerador

Tª agua (real)
SISTEMA
REFRIGERACIÓN
Consigna Tª agua
Regulador (PID)


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Ensayos
INSTALACIONES DE ENSAYO (II)

ALARMAS:
Las alarmas de una sala de ensayos de motores se pueden clasificar en
función de su peligrosidad. Consecuentemente existen diferentes tipos de
reacción en función de alarma que se produzca.
 Parada de emergencia (PE):
El motor se para rápidamente con el máximo par de frenado que pueda
dar el freno.
 Parada sin frenado (P):
El motor se para accionando el sistema de parada pero sin que el freno lo
frene.
 Parada fría (PF):
Se lleva el motor a ralentí o a unas condiciones próximas, se mantiene en
esas condiciones durante un tiempo determinado y después se para.
 Aviso (A):
En el caso de que sea una alarma de poca importancia, a veces esta
programado para que si no se resuelve o no se acepta la alarma el motor
se pare.

Las alarmas se pueden clasificar también en función del sistema que falle:
 Variable fuera de rango:
- Presión de aceite.
- Presión de agua.
- Presión de escape.
- Presión de combustible.
- Temperatura agua.
- Temperatura de aceite.
- Temperatura de escape.
- Régimen máximo.
- Par máximo.
 Incendio y paradas de emergencia

 Fallos del sistema:
- Fallo en la ventilación.
- Refrigeración del freno.
- Puertas abiertas.
- Tapa de la transmisión abierta.
- Fallo en el aire comprimido.

 Niveles de gases
- Alto.
- Peligroso.


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MOTORES TÉRMICOS

Ensayos
BIBLIOGRAFÍA
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motor de combustion interna

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