Motores

Motores de Combustión Interna Introducción Un motor de combustión interna es aquel que adquiere energía mecánica mediante la energía química de un combustible que se inflama dentro de una cámara de combustión. Éste nombre lo recibe en base a su función, en la cual se produce el proceso dentro de la cámara de combustión Los primeros motores de combustión interna fueron construidos casi a la vez por Karl Benz y Gottlieb Daimler. Los intentos anteriores de motores de combustión interna no tenían la fase de compresión, sino que funcionaban con una mezcla de aire y combustible aspirada o soplada dentro durante la primera parte del movimiento del sistema. La distinción más significativa entre los motores de combustión interna modernos y los diseños antiguos es el uso de la compresión. Los tipos de motores de combustión interna son: -­‐ Motor de Gasolina (Motor de Ciclo Otto) -­‐ Motor Diésel -­‐ Turbina de Gas -­‐ Motor rotatorio Estos dos últimos casos no serán estudiados en esta oportunidad. Clasificación según ciclos Existen dos tipos de clasificación de los alternativos según el ciclo: -­‐ De dos tiempos (2T): efectúa un trabajo útil cada 1 giro completo. Usado generalmente para maquinaria pesada como: Ferrocarriles, grúas, camiones, etc., en general maquinaria que debe soportar un peso muy grande. -­‐ De cuatro tiempos (4T): efectúa un trabajo útil cada 2 giros completos, Usado generalmente en maquinas mas pequeñas como autos, motos, etc., los cuales necesitan menos peso que soportar. Constitución El motor bencinero y el motor diesel están constituidos generalmente por casi las mismas piezas, las cuales son: -­‐ Pistón y aro de pistón -­‐ Bloque -­‐ Cigüeñal -­‐ Culata -­‐ Biela -­‐ Volante -­‐ Árbol o eje de levas -­‐ Válvulas -­‐ Carter Más unas piezas a parte del motor Diesel las cuales son: -­‐ Bomba Inyectora y de Transferencia -­‐ Ductos -­‐ Inyectores -­‐ Toberas -­‐ Bujías de precalentamiento Motor de Ciclo Otto El motor de gasolina de cuatro tiempos, también conocido como motor de ciclo Otto, nombre proveniente de su inventor, el alemán Nikolaus August Otto (1832-­‐1891) Motor de Ciclo Otto En este ciclo ocurre el siguiente proceso: 1. Tiempo de admisión -­‐ El aire y el combustible mezclados entran por la válvula de admisión, provocando el movimiento del pistón hacia afuera hasta el punto muerto inferior (PMI). 2. Tiempo de compresión -­‐ La mezcla aire/combustible es comprimida provocando el movimiento del pistón hacia adentro del cilindro hasta el punto muerto superior(PMS) en donde llega a una presión máxima dentro del cilindro, luego la mezcla es encendida mediante la bujía . 3. Tiempo de combustión -­‐ El combustible se inflama por consecuencia del encendido de la mezcla y el pistón es empujado hacia el PMI nuevamente, provocando un cambio de movimiento lineal que provoca el pistón a un movimiento circular por medio de la conexión de la biela del pistón con el cigüeñal. 4. Tiempo de escape – Los gases de escape se conducen hacia fuera a través de la válvula de escape que se abre para liberar los gases, moviéndose así, nuevamente el piston hacia el PMS. Graficamente el ciclo de Otto esta descrito por el siguiente grafico P v/s V: Los procesos fueron: A-­‐B Proceso Adiabatico(compresión), B-­‐C Proceso Isocórico( Volumen constante), C-­‐D Proceso Adiabatico(expansión), D-­‐A Proceso Isocórico (Volumen constante). Motor Diésel En teoría, el ciclo Diésel difiere del ciclo Otto en que la combustión tiene lugar en este último a volumen constante en lugar de producirse a una presión constante. La mayoría de los motores Diésel son del ciclo de cuatro tiempos, salvo los de tamaño muy grande, ferroviario o marino, que son de dos tiempos. Su nombre proviene de su inventor, el ingeniero francés Rudolf Diésel. Motor Diésel fabricado por Nissan Este ciclo esta descrito por el siguiente proceso: 1. Tiempo de Admisión – El pistón sale hacia afuera (PMI) y se absorbe aire hacia la cámara de combustión. 2. Tiempo de Compresión – El pistón se acerca el aire se comprime a una parte de su volumen original, la temperatura aumenta a unos 850ºC. Al final de este proceso se inyecta el combustible a gran presión provocando una inflación a causa de la alta temperatura del aire comprimido, moviendo así el pistón hacia el PMS 3. Tiempo de combustión – Provocada la inflación el pistón sale hacia afuera llegando al PMI. El movimiento provocado por la biela que esta conectada con el cigüeñal cambia un movimiento lineal del pistón a un movimiento circular del cigüeñal. 4. Tiempo de Escape – La válvula de escape sale hacia afuera produciendo la liberación del aire y el movimiento del pistón hacia el PMI del encamisado o cilindro. Gráficamente el Ciclo Diésel esta descrito por el siguiente grafico P v/s V: Los procesos fueron: A-­‐B proceso Adiabático (compresión), B-­‐C proceso Isobárico (Presión constante), C-­‐D proceso Adiabático(expansión), D-­‐A Proceso Isocórico (Volumen constante). Pérdidas de Energía En estos motores hay una considerable perdida de energía que ocurre en cada uno de los procesos, por ejemplo: -­‐ Energía liberada en forma de calor por medio del refrigerante del motor, ya que este debe funcionar a una temperatura de 90ºC -­‐ Para el caso del motor de Otto, la mezcla de combustible debe ser de 1 Kg. de combustible y 14.7 Kg. de aire, lo cual no se llega a lograr con exactitud. -­‐ El movimiento del motor también es una perdida considerable de energía, ya que al realizar el ciclo se deben mover los componentes de éste, los cuales son de metal, acero, etc., al abrir y cerrar las válvulas de admisión y escape. Todos estos casos hacer que el Motor de Otto tenga una eficiencia de 25 a 30 % y el Motor Diésel una eficiencia de 30 a 45%, debido principalmente a su mayor relación de compresión. Ecuación de Eficiencia Motor Otto: =
Ecuación de Eficiencia Motor Diésel: ; =
−
=1−(
=∆
) −(
)
(
−
) Discusión Ya estudiado todos los procesos de los motores, podemos analizar las posibles sugerencias para mejorar los procesos de cada uno, como por ejemplo: -­‐ Para el motor de Otto, adelantar el proceso de encendido que hace la bujía a la mezcla antes de que llegue el pistón al PMI, y así ahorrar energía y tiempo en el proceso. -­‐ En el proceso de escape, abrir la válvula de escape antes de que el pistón llegue al PMS del cilindro y así poder adelantar el proceso de escape de los gases. -­‐ Adelantar el proceso de admisión, esto se refiere a que la válvula de admisión se abra antes que la válvula de escape cierre su paso de gas. Aunque este proceso es muy peligroso ya que puede provocar un escape de aire y combustible por medio de la válvula de escape, ya que esta estaría abierta por un tiempo corto junto con la de admisión. -­‐ Otras mejoras que se han producido estos últimos años han sido la creación de motores eléctricos, motores híbridos que combinan el funcionamiento de combustión interna con uno por medio de energía eléctrica, motores que funcionan en base a energía solar, etc. Una cantidad considerable de motores pero que a su veces no tienen la misma eficacia como uno de combustión interna, como en estos casos el motor de Otto y el motor Diésel. Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ciencias Departamento de Física Ingeniería Física Integrantes: Angelina Bustos Juan Pablo García Sorach Vidal Fecha: 9-­‐Diciembre-­‐2010 Profesor: Patricio Pérez Asignatura: Termodinámica