Lab final termodinamica

“ MOTORES” Profesor Pablo Dominguez

El motor de combustión interna (o motor de explosión) es un mecanismo destinado a transformar la energía calorífica en trabajo. La combustión tiene lugar en el cilindro mismo de la máquina, lo que permite un mayor rendimiento en la transformación.

El motor de combustión interna fue diseñado a finales del siglo XIX. Su funcionamiento es, en algunos aspectos, similar al de la máquina de vapor: un pistón situado en un cilindro se expande y contrae ejerciendo una fuerza. El líquido introducido dentro del cilindro es un derivado del petróleo al que, a continuación, se prende fuego. Al estar sometido a presión, el combustible no arde normalmente, sino que estalla. Esta explosión empuja el pistón hacia afuera, ejerciendo un trabajo. Posteriormente, entra nuevo combustible en el cilindro y se vuelve a comprimir para empezar de nuevo el ciclo.

Motor de principios del siglo XX Motor industrial antiguo Diesel

El motor de combustión interna ha sustituido a la gran mayoría de máquinas de vapor debido a sus considerables ventajas. En primer lugar, el aprovechamiento de la energía es mayor. El origen de la energía se sitúa en el interior del cilindro, y no en el exterior como en la máquina de vapor. Por otra parte, no es necesario cargar con grandes cantidades de agua. Los vapores empleados son los propios del combustible al explosionar. El tamaño del motor se reduce considerablemente y facilita su instalación en vehículos pequeños. Por último, este motor es capaz de realizar en poco tiempo una gran variación de energía, comparado con la máquina de vapor. Un motor de combustión interna ligero puede pasar en pocos segundos de una posición de reposo a otra en la que proporcione la máxima energía, tardando sólo unos minutos en sistemas de grandes dimensiones, como los barcos. Esta característica lo convierte en el mecanismo ideal para aplicaciones con cambios frecuentes de energía, como puede ser el motor de un automóvil, un tren o un barco.

Existen distintos criterios para clasificar los motores de combustión interna : según el combustible utilizado , el número y la disposición de los Cilindros , el tipo y la colocación de las válvulas o el sistema de enfriamiento empleado. La clasificación más frecuente se basa en el tipo de ciclo , es decir, en el número de tiempos por ciclo (entendiendo por tiempo una carrera hacia arriba o hacia abajo del émbolo a lo largo del cilindro).

Ciclo de 2 tiempos Ciclo de 4 tiempos

El motor de dos tiempos , también denominado motor de dos ciclos , es un motor de combustión interna que realiza las cuatro etapas del ciclo termodinámico (admisión, compresión, expansión y escape) en dos movimientos lineales del pistón (una vuelta del cigüeñal). Se diferencia del más conocido y frecuente motor de cuatro tiempos de ciclo de Otto, en el que este último realiza las cuatro etapas en dos revoluciones del cigüeñal. Existe tanto en ciclo Otto como en ciclo Diesel

El motor de dos tiempos no precisa válvulas de los mecanismos que las gobiernan, por lo tanto es más liviano y de construcción más sencilla, por lo que resulta más económico. Al producirse una explosión por cada vuelta del cigüeñal, desarrolla más potencia para una misma cilindrada y su marcha es más regular. Pueden operar en cualquier orientación ya que el cárter no almacena el lubricante. Este motor consume aceite, ya que la lubricación se consigue incluyendo una parte de aceite en el combustible. Este aceite penetra con la mezcla en la cámara de combustión y se quema produciendo emisiones contaminantes y suciedad dentro del cilindro que pueden afectar a la bujía impidiendo un correcto funcionamiento. Su rendimiento es inferior ya que la compresión, en la fase de compresión-admisión, no es enteramente efectiva hasta que el pistón mismo cierra las lumbreras de transferencia y de escape durante su recorrido ascendente y es por esto, que en las especificaciones de los motores de dos tiempos aparecen muchas veces dos tipos de compresión, la compresión relativa (relación entre los volúmenes del cilindro y de la cámara de combustión) y la compresión corregida, midiendo el cilindro solo desde el cierre de las lumbreras. Esta pérdida de compresión también provoca una pérdida de potencia. Durante la fase de potencia-escape, parte del volumen de mezcla sin quemar (mezcla limpia), se pierde por la lumbrera de escape junto a los gases resultantes de la combustión provocando no solo una pérdida de rendimiento, sino más emisiones contaminantes.

Se denomina motor de cuatro tiempos , al motor de combustión interna alternativo tanto de ciclo Otto como Ciclo del diésel, que precisa cuatro, o en ocasiones cinco, carreras del pistón o émbolo - dos vueltas completas del cigüeñal - para completar el ciclo termodinámico de combustión. Estos cuatro tiempos son:

Aquí se detallan los diferentes tiempos ( actividades realizadas durante el ciclo) y sus características. 1-Primer tiempo o admisión: en esta fase el descenso del pistón aspira la mezcla aire combustible en los motores de encendido provocado o el aire en motores de encendido por compresión. La válvula de escape permanece cerrada, mientras que la de admisión está abierta. En el primer tiempo el cigüeñal gira 180º y el árbol de levas da 90º y la válvula de admisión se encuentra abierta y su carrera es descendente. 2-Segundo tiempo o compresión: al llegar al final de carrera inferior, la válvula de admisión se cierra, comprimiéndose el gas contenido en la cámara por el ascenso del pistón. En el 2º tiempo el cigüeñal da 360º y el árbol de levas da 180º, y además ambas válvulas se encuentran cerradas y su carrera es ascendente. 3-Tercer tiempo o explosión: al llegar al final de la carrera superior el gas ha alcanzado la presión máxima. En los motores de encendido provocado o de ciclo Otto salta la chispa en la bujía, provocando la inflamación de la mezcla, mientras que en los motores diésel, se inyecta a través del inyector el combustible muy pulverizado, que se autoinflama por la presión y temperatura existentes en el interior del cilindro. En ambos casos, una vez iniciada la combustión, esta progresa rápidamente incrementando la temperatura y la presión en el interior del cilindro y expandiendo los gases que empujan el pistón. Esta es la única fase en la que se obtiene trabajo. En este tiempo el cigüeñal gira 180º mientras que el árbol de levas da gira, ambas válvulas se encuentran cerradas y su carrera es descendente. 4 -Cuarto tiempo o escape: en esta fase el pistón empuja, en su movimiento ascendente, los gases de la combustión que salen a través de la válvula de escape que permanece abierta. Al llegar al punto máximo de carrera superior, se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión, reiniciándose el ciclo. En este tiempo el cigüeñal gira 180º y el árbol de 90º .

Funcionamiento y características

Un motor de gasolina constituye una máquina termodinámica formada por un conjunto de piezas o mecanismos fijos y móviles, cuya función principal es transformar la energía química que proporciona la combustión producida por una mezcla de aire y combustible en energía mecánica o movimiento. Cuando ocurre esa transformación de energía química en mecánica se puede realizar un trabajo útil como, por ejemplo, mover un vehículo automotor como un coche o automóvil, o cualquier otro mecanismo, como pudiera ser un generador de corriente eléctrica.

El motor se caracteriza por aspirar una mezcla aire-combustible (típicamente gasolina dispersa en aire). El motor Otto es un motor alternativo. Esto quiere decir de que se trata de un sistema pistón-cilindro con válvulas de admisión y válvulas de escape. El funcionamiento del motor Otto de cuatro tiempos: Cada cilindro tiene dos válvulas, la válvula de admisión A y la de escape E . Un mecanismo que se llama árbol de llevas las abre y las cierra en los momentos adecuados. El movimiento de vaivén del émbolo se transforma en otro de rotación por una biela y una manivela. El funcionamiento se explica con cuatro fases que se llaman tiempos: 1. tiempo (aspiración): El pistón baja y hace entrar la mezcla de aire y gasolina preparada por el carburador en la cámara de combustión. 2. tiempo (compresión): El émbolo comprime la mezcla inflamable. Aumenta la temperatura. 3. tiempo (carrera de trabajo): Una chispa de la bujía inicia la explosión del gas, la presión aumenta y empuja el pistón hacia abajo. Así el gas caliente realiza un trabajo. 4. tiempo (carrera de escape): El pistón empuja los gases de combustión hacia el tubo de escape. El árbol de manivela convierte el movimiento de vaivén del pistón en otro de rotación. Durante dos revoluciones sólo hay un acto de trabajo, lo que provoca vibraciones fuertes. Para reducir éstas, un motor normalmente tiene varios cilindros, con las carreras de trabajo bien repartidas. En coches corrientes hay motores de 4 cilindros, en los de lujo 6, 8, 12 o aún más.

Motor a Gasolina Comentarios El motor convencional del tipo Otto es de cuatro tiempos. La eficiencia de los motores Otto modernos se ve limitada por varios factores, entre otros la pérdida de energía por la fricción y la refrigeración.

Algunas características En general, la eficiencia de un motor de este tipo depende del grado de compresión. Esta proporción suele ser de 8 a 1 o 10 a 1 en la mayoría de los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores, como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de octano. La eficiencia media de un buen motor Otto es de un 20 a un 25%: sólo la cuarta parte de la energía calorífica se transforma en energía mecánica.

La eficiencia o rendimiento térmico de un motor de este tipo depende de la relación de compresión, proporción entre los volúmenes máximo y mínimo de la cámara de combustión. Esta proporción suele ser de 8 a 1 hasta 10 a 1 en la mayoría de los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores, como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de octanos para evitar la Detonación (motor alternativo). Una relación de compresión baja no requiere combustible con alto numero de octanos para evitar este fenómeno; de la misma manera, una compresión alta requiere un combustible de alto numero de octanos, para evitar los efectos de la Detonación (motor alternativo), es decir, que se produzca una autoignición del combustible antes de producirse la chispa en la bujía. El rendimiento medio de un buen motor Otto de 4 tiempos es de un 25 a un 30%, inferior al rendimiento alcanzado con motores diesel, que llegan a rendimientos del 30 al 45%, debido precisamente a su mayor relación de compresión. La eficiencia o rendimiento de los motores Otto modernos se ve limitada por varios factores, entre otros, la pérdida de energía por la fricción y la refrigeración.

Desde el punto de vista estructural, el cuerpo de un motor de explosión o de gasolina se compone de tres secciones principales: Culata Bloque Cárter

Las disposiciones más frecuentes que podemos encontrar de los cilindros en los bloques de los motores de gasolina son las siguientes:

En línea En “V” Planos con los cilindros opuestos

Pistón Biela Cigüeñal(fig) Árbol de levas

Las causas para que el motor de gasolina falle o no funcione correctamente pueden ser muchas. No obstante la mayoría de los problemas que puede presentar un motor de gasolina se deben, principalmente, a defectos eléctricos, de combustible o de compresión. A continuación se relacionan algunos de los fallos más comunes:

Bujía demasiado vieja o con mucho carbón acumulado. Cables deteriorados que producen salto de chispa y, por tanto, pérdidas de la corriente de alto voltaje. Cable partido o flojo en la bobina de ignición, el distribuidor, las bujías o en el sistema electrónico de encendido. La bobina de ignición, el ruptor o el distribuidor que envía la chispa a la bujía no funciona adecuadamente. Distribuidor desfasado o mal sincronizado con respecto al ciclo de explosión correspondiente, lo que produce que la chispa en la bujía se atrase o adelante con relación al momento en que se debe producir. Mucho o poco huelgo en el electrodo de la bujía por falta de calibración o por estar mal calibradas. Batería descargada, por lo que el motor de arranque no funciona. Cables flojos en los bornes de la batería.

No hay combustible en el tanque, por lo que el motor trata de arrancar utilizando solamente aire sin lograrlo. Hay gasolina en el tanque, en la cuba del carburador o en los inyectores, pero la toma de aire se encuentra obstruida, impidiendo que la mezcla aire-combustible se realice adecuadamente. El sistema de combustible puede estar entregando muy poca o demasiada gasolina, por lo que la proporción de la mezcla aire-combustible no se efectúa adecuadamente. Hay impurezas en el tanque de gasolina como, por ejemplo, agua o basuras, que se mezclan con el combustible. En el caso del combustible mezclado con agua, cuando llega a la cámara de combustión no se quema correctamente. En el caso de basura, puede ocasionar una obstrucción en el sistema impidiendo que el combustible llegue a la cámara de combustión.

Cuando la mezcla de aire-combustible no se puede comprimir de forma apropiada, la combustión no se efectúa correctamente dentro del cilindro produciendo fallos en el funcionamiento del motor. Estas deficiencias pueden estar ocasionadas por: Aros de compresión o fuego del pistón gastados, por lo que la compresión de la mezcla aire-combustible no se efectúa convenientemente y el motor pierde fuerza. Las válvulas de admisión o las de escape no cierran herméticamente en su asiento, provocando escape de la mezcla aire-combustible durante el tiempo de compresión. Escapes de compresión y de los gases de combustión por la culata debido a que la “junta de culata”, que la sella herméticamente con el bloque del motor se encuentra deteriorada. Entro otros problemas que pueden surgir.

El motor diésel es un motor térmico de combustión interna alternativo en el cual el encendido del combustible se logra por la temperatura elevada que produce la compresión del aire en el interior del cilindro, según el principio del ciclo del diesel.

Breve síntesis Rudolf Diesel Fue inventado y patentado por Rudolf Diesel en 1892, del cual deriva su nombre. Fue diseñado inicialmente y presentado en la feria internacional de 1900 en París como el primer motor para "biocombustible", como aceite puro de palma o de coco. Diesel también reivindicó en su patente el uso de polvo de carbón como combustible, aunque no se utiliza por lo abrasivo que es. El motor diesel existe tanto en el ciclo de 4 tiempos (4T - aplicaciones de vehículos terrestres por carretera) como de 2 tiempos (2T - grandes motores de tracción ferroviaria y de propulsión naval)

El aire se comprime hasta una temperatura superior a la temperatura de autoencendido del combustible y la combustión inicia al contacto, cuando el combustible se inyecta dentro de este aire caliente. Operan en relaciones de 12 y 24 No hay posibilidad de autoencendido, ya que el aire solo se comprime durante el tiempo de compresión Ciclo ideal se obtiene como un proceso de adición de calor a presión constante

Observe que el motor diesel no tiene bujía, toma el aire y lo comprime, después inyecta el combustible directamente en la cámara de combustión (inyección directa). Es el calor del aire comprimido lo que enciende el combustible en un motor diesel. En esta animación simplificada, el aparato verde pegado al lado izquierdo del cilindro es un inyector de combustible. De cualquier forma, el inyector en un motor diesel es el componente más complejo y ha sido objeto de gran experimentación en cualquier motor particular debe ser colocado en variedad de lugares. El inyector debe ser capaz de resistir la temperatura y la presión dentro del cilindro y colocar el combustible en un fino spray. Mantener el rocío circulando en el cilindro mucho tiempo, es también un problema, así que muchos motores diesel de alta eficiencia utilizan válvulas de inducción especiales, cámaras de pre combustión u otros dispositivos para mezclar el aire en la cámara de combustión y para que por otra parte mejore el proceso de encendido y combustión.

Un motor diésel funciona mediante la ignición (encendido) del combustible al ser inyectado muy pulverizado y con alta presión en una cámara (o pre cámara, en el caso de inyección indirecta) de combustión que contiene aire a una temperatura superior a la temperatura de auto combustión, sin necesidad de chispa como en los motores de gasolina. Esta es la llamada auto inflamación .

La temperatura que inicia la combustión procede de la elevación de la presión que se produce en el segundo tiempo del motor, la compresión. El combustible se inyecta en la parte superior de la cámara de combustión a gran presión desde unos orificios muy pequeños que presenta el inyector de forma que se atomiza y se mezcla con el aire a alta temperatura y presión (entre 700 y 900ºC) Como resultado, la mezcla se inflama muy rápidamente. Esta combustión ocasiona que el gas contenido en la cámara se expanda, impulsando el pistón hacia abajo.

Diesel Gasolina Un motor a gasolina succiona una mezcla de gas y aire, los comprime y enciende la mezcla con una chispa. Un motor diesel sólo succiona aire, lo comprime y entonces le inyecta combustible al aire comprimido. El calor del aire comprimido enciende el combustible espontáneamente Un motor diesel utiliza mucha más compresión que un motor a gasolina. Un motor a gasolina comprime a un porcentaje de 8:1 a 12:1, mientras un motor diesel comprime a un porcentaje de 14:1 hasta 25:1. La alta compresión se traduce en mejor eficiencia.

Diesel Gasolina Los motores diesel utilizan inyección de combustible directa, en la cual el combustible diesel es inyectado directamente al cilindro. Los motores a gasolina generalmente utilizan carburación en la que el aire y el combustible son mezclados un tiempo antes de que entre al cilindro, o inyección de combustible de puerto en la que el combustible es inyectado a la válvula de succión (fuera del cilindro).

Diesel Gasolina La eficiencia de los motores diesel, que en general depende de los mismos factores que los motores Otto, es mayor que en cualquier motor de gasolina, llegando a superar el 40%. Los motores diesel suelen ser motores lentos con velocidades de cigüeñal de 100 a 750 revoluciones por minuto (rpm o r/min), mientras que los motores Otto trabajan de 2.500 a 5.000 rpm. No obstante, algunos tipos de motores diesel pueden alcanzar las 2.000 rpm. Como el grado de compresión de estos motores es de 14 a 1, son por lo general más pesados que los motores Otto, pero esta desventaja se compensa con una mayor eficiencia y el hecho de que utilizan combustibles más baratos.

El motor Wankel Posee una forma especial de la cámara de combustión del pistón que permite un mejor aprovechamiento de la potencia obtenida .

En un motor tradicional, el pistón sube y baja verticalmente y un eje unido a ése encarga de transformar dicho movimiento en otro vertical que se transmite al cigüeñal. Este movimiento vertical del pistón tiene inconvenientes. El primero consiste en que los bruscos cambios de dirección, de abajo hacia arriba y viceversa fatigan el metal y provocan una rotura anticipada Otro problema es que la transferencia de energía es ineficiente y parte se pierde en mover el pistón verticalmente sin invertirse en girar el cigüeñal.

El motor Wankel fue diseñado para que la fuerza de la explosión se empleara íntegramente en mover el cigüeñal y para que utilizara menos partes móviles. Consta de una cavidad curva que es la cámara de combustión Dentro de ella se halla el pistón, que tiene forma de triángulo con los bordes cóncavos. La parte interior de dicho pistón tiene una circunferencia dentada que va unida a un engranaje del cigüeñal. Al ir girando el pistón en la cavidad, toma el combustible en un Punto y lo comprime hasta llegar a un segundo Punto en el que se produce la explosión Siguiendo con el giro, llega al área de expulsión de gases al exterior, ya Continuación vuelve a admitir combustible Se puede Considerar por tanto como un motor de explosión de cuatro tiempos.

Dado que el pistón tiene forma triangular, puede entenderse como si fueran tres Pistones Separados, cada uno en una fase cada vez. La energía se emplea en mover circularmente el Pistón y los cambios bruscos de movimiento se reducen en gran medida. Con este motor se ha llegado, incluso, a doblar la Potencia de un motor normal, pero problemas de diseño y de desgaste, en especial de las esquinas del pistón que rozaban con la pared de la cámara han impedido su difusión a gran escala.

Ventajas Desventajas Menos piezas móviles: el motor Wankel tiene menos piezas móviles que un motor convencional, tan solo 4 piezas; bloque, rotor (que a su vez está formado por segmentos y regletas), árbol motriz y sistema de refrigeración/engrase (similar a los que montan los motores de pistón). Esto redunda en una mayor fiabilidad. Suavidad de marcha: todos los componentes de un motor rotativo giran en el mismo sentido, en lugar de sufrir las constantes variaciones de sentido a las que está sometido un pistón. Están equilibrados internamente con contrapesos giratorios para suprimir cualquier vibración. Incluso la entrega de potencia se desarrolla en forma más progresiva, dado que cada etapa de combustión dura 90° de giro del rotor y a su vez como cada vuelta del rotor representa 3 vueltas del eje, cada combustión dura 270° de giro del eje, es decir, 3/4 de cada vuelta; compárenlo con un motor mono cilíndrico, donde cada combustión transcurre durante 180° de cada 2 revoluciones, o sea 1/4 de cada vuelta del cigüeñal. Se produce una combustión cada 120º del rotor y 360º del eje. Emisiones: es más complicado (aunque no imposible) ajustarse a las normas de emisiones contaminantes, ya que trabaja igual que un motor de 2 tiempos, consumiendo aire, combustible y aceite. Costos de mantenimiento: al no estar tan difundido, su mantenimiento resulta costoso. Consumo: la eficiencia termodinámica (relación consumo-potencia) se ve reducida por la forma alargada de las cámaras de combustión y la baja relación de compresión.

Ventajas Desventajas Menor velocidad de rotación: dado que los rotores giran a 1/3 de la velocidad del eje, las piezas principales del motor se mueven más lentamente que las de un motor convencional, aumentando la fiabilidad. Menores vibraciones: dado que las inercias internas del motor son muy pequeñas (no hay bielas, ni volante de inercia, ni recorrido de pistones), solo se producen pequeñas vibraciones en la excéntrica. Menor peso: debido al menor número de piezas que forman el motor en comparación con los de pistones y dado que generalmente se construyen motores de dos o tres rotores de 600cc o 700cc cada uno, ayuda a conseguir un menor peso final del mismo. Difícil estanqueidad: resulta muy difícil aislar cada una de las 3 secciones del cilindro en rotación, que deben ser impermeables unas de otras para un buen funcionamiento. Además se hace necesario cambiar el sistema de estanqueidad cada 6 años aproximadamente, por su fuerte desgaste. Sincronización: la sincronización de los distintos componentes del motor debe ser muy buena para evitar que la explosión de la mezcla se inicie antes de que el pistón rotativo se encuentre en la posición adecuada. Si esto no ocurre, la ignición empujará en sentido contrario al deseado, pudiendo dañar el motor.

A continuación compararemos ambos motores en un cuadro que señala rendimientos, características de ambos motores comparadas numéricamente, eligiendo para esto el automóvil KIA SPORTAGE en sus versiones Diesel y Bencinero.

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