motores de combustion interna alternativos

Maquinas Térmicas I
Ing Robert Guevara Chinchayán
MOTORES DE COMBUSTION INTERNA ALTERNATIVOS
1. MAQUINA
Una máquina es un conjunto de piezas o elementos móviles y fijos cuyo funcionamiento
posibilita aprovechar, dirigir, regular o transformar energía o realizar un trabajo con un fin
determinado. Se denomina maquinaria (del latín machinarĭus) al conjunto de máquinas
que se aplican para un mismo fin y al mecanismo que da movimiento a un dispositivo.
2. MOTOR DE COMBUSTION INTERNA
Un motor de combustión interna, o motor a explosión o motor a pistón, es un tipo de
máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química de un
combustible que arde dentro de una cámara de combustión. Su nombre se debe, a que
dicha combustión se produce dentro de la máquina en si misma.
3. ESTRUCTURA Y NOMENCLATURA :
3.1 ESTRUCTURA :
FIGURA N° 1 :MECANISMOS DE UN MCI
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3.2

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3.3



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NOMENCLATURA :
EL CILINDRO : es el contenedor en forma cilíndrica en el cual se mueve el pistón con
movimiento rectilíneo alternativo. El cilindro es parte del bloque de cilindros o
monobloque, como se llamaba antiguamente. Éste, a su vez, forma parte de la bancada,
que podemos considerar como la estructura fundamental del motor. En muchos casos, el
bloque de cilindros está separado de la bancada, a la cual va unido por medio de
bulones.La parte superior del cilindro está cerrada por la culata. El volumen comprendido
en el cilindro entre la culata y el pistón representa la cámara de combustión, en la cual se
quema la mezcla de aire y combustible, es decir, el fluido activo.
FORMACION DE LA MEZCLA Y COMBUSTION: En el motor de encendido por chispa, esta
mezcla se forma en el carburador (hoy en día ya poco usado y la mezcla se realiza por
medio de inyectores en la cámara de combustión) y entra en el cilindro a través del
conducto y de la válvula de aspiración. La válvula de mariposa del carburante sirve para
regular la cantidad de mezcla entrante.
En el motor de encendido por compresión, el combustible se introduce en el cilindro por
medio de Un Inyector. La cantidad de combustible está regulada por la bomba de
Inyección, mientras que no hay ninguna regulación para la cantidad de aire que entra por
el conducto y la válvula de aspiración. Como la combustión es consecuencia de la alta
temperatura del aire, intensamente comprimido en el cilindro, no es necesaria la bujía.
En los motores de encendido por chispa se inicia la combustión al saltar la chispa entre los
electrodos de la bujía: en los motores de encendido por compresión, con el encendido
espontáneo del combustible pulverizado por el Inyector (en la figura anterior puede
imaginarse la bujía sustituida por el inyector). El pistón o émbolo, dotado de aros de
compresión, que impiden el escape de gas entre pistón y cilindro, transmite el empuje de
dicho gas, a través del perno, a la biela, y de ésta, a la manivela del eje cigueñal o árbol
motor. La biela y la manivela transforman el movimiento lineal alternativo del pistón en
movimiento rotativo del eje ciguefíal que gira entre cojinetes de bancada, montados en
ésta.
Los conductos a cuyo través se descargan al exterior los productos de la combustión son la
válvula de escape y el colector de escape.
Tanto la válvula de aspiración como la de escape están accionadas por órganos llamados
de distribución. Un eje de distribución o eje de camones es accionado por el eje cigüeñal
mediante. una cadena o por engranajes. Los camones montados sobre el eje actúan sobre
una serie de piezas, tales como los taqués, los empujadores y los balancines, los cuales
transmiten el movimiento a la válvula según la ley definida por la forma del
correspondiente camón. La válvula es mantenida en su asiento por la acción de su muelle.
TERMINOLOGIA : No todos los motores corresponden al esquema descrito, pero las partes
esenciales, así como el funcionamiento, son similares. Para el estudio de los motores
endotérmicos es necesario conocer la terminología universalmente usada hoy para indicar
algunas dimensiones y valores fundamentales.
Punto muerto superior (P.M.S.).
Posición del pistón más próxima a la culata. Punto Muerto Inferior (P.M.I.). Posición del
pistón más alejada de la culata.
Diámetro (en inglés: Bore).
Diámetro interior del cilindro. Expresado generalmente en milímetros (mm).
Carrera (en inglés: Stroke).
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Comprende la distancia entre el P.M.S. y P.M.I., es igual, salvo raras excepciones, al doble
del radio de la manivela del eje de cigüeñales. Se expresa generalmente en mm.
Volumen total del cilindro (V1).
Es el espacio comprendido entre la culata y el pistón cuando éste se halla en el P.M.I.
Viene expresado, por lo general, en cm3
Volumen de la cámara de combustión (V2).
Está comprendido entre la culata y el pistón cuando éste se halla en el P.M.S. Suele
expresarse en cm3
Volumen desalojado por el pistón o cilindrada (V1 - V2).
Es el generador por el pistón en su movimiento alternativo desde el P.M.S. hasta el P.M.I:
Se expresa, por lo común, en cm3.
Relación volumétrica de compresión (ε).
Se entiende por tal la que hay entre el volumen total del cilindro V1 y el volumen de la
cámara de combustión V2. En general, para abreviar, es llamado simplemente relación de
compresión:
𝜖 = 𝑉2 /𝑉1
4. CLASIFICACION :
4.1 SEGÚN SU DISPOCISION :
a. DISPOCISION EN LINEA :
Normalmente disponible en configuraciones desde 2 hasta 6 cilindros, el motor en línea es
un motor de combustión interna con todos los cilindros alineados en una misma fila, sin
desplazamientos. Se han utilizado en automóviles, locomotoras y aviones, aunque el
término "en línea" tiene un significado más amplio cuando se refiere a motores de
aviación.
Los motores con configuración en línea son notablemente más fáciles de construir que sus
equivalentes con configuración en V o de cilindros opuestos ya que tanto el bloque del
motor como el cigüeñal se pueden fabricar a partir de un único molde para metal y
requiere una única culata y por tanto menos árboles de levas. Además los motores en
línea son más compactos en cuanto a sus dimensiones físicas globales que los de
distribución radial, y se pueden montar en cualquier dirección. La configuración en línea es
más sencilla que su correspondiente configuración en V. Tienen un soporte entre cada
pistón, mientras que los motores planos y en V tienen un soporte entre cada par de
pistones. Con 6 cilindros estos motores están inherentemente equilibrados, mientras que
con 4 no lo están, al contrario de lo que ocurre para las configuraciones en V y bóxer para
4 cilindros.
El motor en línea de cuatro cilindros es con diferencia la configuración más utilizada,
mientras que la de 6 cilindros ha sido reemplazada en gran parte por motores V6, que
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aunque inherentemente no tienen un funcionamiento tan suave, son menores tanto en
altura como en longitud y más fáciles de ajustar al pequeño tamaño del hueco del motor
en los automóviles modernos. Algunos fabricantes como Honda, Audi, Mercedes-Benz,
Toyota, Volkswagen y Volvo han utilizado configuraciones de 5 en línea. La familia Atlas de
General Motors incluye motores en línea de 4, 5 y 6 cilindros.
La configuración de 8 cilindros en línea fue las más prestigiosa en su momento; se podía
fabricar con menor coste que la configuración en V por los fabricantes de lujo, los cuales se
podían centrar en otras especificaciones no necesariamente geométricas del motor e
incluso lograr motores más potentes que los V8. En la década de 1930 Duesemberg utilizó
un bloque de motor de aleación de aluminio con cuatro válvulas por cilindro y cámaras de
combustión semiesféricas para producir el motor más potente en el mercado. Esto fue un
punto de partida para que Pontiac introdujera el motor en línea de 8 cilindros más barato
en 1933. Sin embargo, después de la segunda guerra mundial, el motor en línea de 8
cilindros fue sustituido por el más ligero y compacto V8.
FIGURA N° 2 :DISPOCISION EN LINEA
b. DISPOCISION EN V :
En él los cilindros se agrupan en dos bancadas o filas de cilindros formando una
letra V que convergen en el mismo cigüeñal . En estos motores el aire de admisión
es succionado por dentro de la V y los gases de escape expulsados por los laterales.
Se usa en motores a partir de 2 cilindros como es el caso de muchas motocicletas, ,
véase por ejemplo el típico motor Ducatti,también existen V4 para motocicletas.
En automóviles suelen ser los mas comunes los V6 aunque ha habido V4 e incluso
V5, ya que acorta la longitud del motor a la mitad. La apertura de la V varía desde
54º o 60º hasta 90º o 110º en función sobre todo del numero de cilindros para
tratar de homogenizar el par lo máximo posible y anular las fuerzas alternas de
segundo orden. aunque las más habituales son 90º y 60º. El motor VR6 de
Volkswagen es un V6 de apenas 15º de apertura, que permite reducir ligeramente
la longitud del motor (en disposición transversal).
Los motores con disposición en V más comunes son los siguientes: V6,V8, V12 ,
V16.
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c. DISPOCISION OPUESTOS(BOXER) :
Un motor bóxer es un motor de combustión interna con pistones que se
encuentran dispuestos horizontalmente. Un motor de 90 grados hacia arriba es un
motor plano, como es aquel en el que los cilindros están dispuestos en dos bancos
a ambos lados de un único cigüeñal. En ambas configuraciones, los pistones se
encuentran en horizontal. Por lo general, cada pareja de pistones correspondientes
a cada banco de cilindros en el cigüeñal. Algunos motores de bóxer que no
comparten cigüeñal ni clavijas son llamados motores de 180°.
El motor bóxer (también conocido como motor de cilindros opuestos en
horizontal), en la que los pistones llegan a punto muerto simultáneamente. Los
motores Boxer no deben confundirse con los motores de cilindros en oposición,
que utilizan un concepto totalmente distinto.
El motor en forma de V a 180° corresponde una biela en el cigüeñal, y por lo tanto,
cada uno llegará a medio punto muerto en una revolucion tras otra. Los motores
Planos con más de ocho cilindros V son los más comúnmente conocidos.
El ingeniero alemán Karl Benz patentó su diseño para el primer motor de
combustión interna horizontal en 1896.
d. DISPOCISION ESTRELLA :
El motor radial o motor estrella es un tipo de disposición del motor de combustión
interna, en la cual los cilindros van ubicados radialmente respecto del cigüeñal,
formando una estrella como en la figura. Esta configuración fue muy usada en
aviación, sobre todo en grandes aviones civiles y militares, hasta la aparición del
motor a reacción.
En este motor los pistones van conectados por un mecanismo de biela - manivela,
distinto de los motores en línea. Uno de los pistones está conectado a una biela
más grande que las demás, llamada biela principal, que a su vez está conectada
directamente con el cigüeñal. Los otros pistones están conectados a bielas más
pequeñas que están conectadas a la biela principal o biela maestra. Al conjunto de
pistones, biela maestra y bielas secundarias se le conoce como estrella. El número
de pistones de una estrella es generalmente impar, pues así el orden de encendido
minimiza las vibraciones
Como primera ventaja, está su gran área frontal, dado que el enfriamiento del
motor se hace usando aire de impacto, producto del desplazamiento, a diferencia
de los motores en línea, en "V" o en "W" que necesitan un sistema de enfriamiento
con líquido, el cual implica más peso. Por consiguiente, los motores enfriados por
aire tienen una mayor relación peso/potencia que los motores enfriados por
líquido
Las desventajas más importantes se relacionan con su gran área frontal, que
produce una gran resistencia en comparación con los otros tipos de motores que
permiten coeficientes aerodinámicos más pequeños. Cuando el flujo de aire
aumenta (especialmente en el descenso) el motor se enfría por debajo de su
temperatura de funcionamiento, o aumenta la diferencia entre su temperatura y la
temperatura ambiente, lo cual constituye un fallo comúnmente conocido como
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"choque térmico", en el cual los cilindros sufren fracturas que los dañan parcial o
completamente
La buena relación peso/potencia de estos motores disminuye a medida que se
reduce el tamaño, por lo cual no es rentable hacer un motor radial de cilindradas
pequeñas, y por esta razón aeronaves ligeras que no usaron el motor radial
generalmente portaban un motor en línea o un motor de cilindros
horizontalmente opuestos. Esta última disposición se sigue usando hoy en día casi
de forma exclusiva por aeronaves nuevas, y comparte significativas similitudes con
los motores radiales
FIGURA N° 3 :DISPOCISION EN ESTRELLA
4.2 SEGÚN EL TIPO DE ENFRIAMIENTO DEL MOTOR :
a. ENFRIAMIENTO POR AGUA :Por unas oquedades hechas en el bloque del motor, entorno a
los cilindros, a la culata, a la cámara de explosión y a las válvulas de escape circula una
corriente de agua.
El agua es la encargada de absorber el calor. Todo esto recibe el nombre de cámara de
agua o camisa de agua.
 Partes del circuito y sus funcionamientos.
Radiador: Es donde se enfría el agua y hace deposito de ella. Hay tres estructuras o tipos
de radiador : Laminas de agua , Panal ,Tubular
 Sus funciones son las mismas: Extender al máximo la superficie por la que circula el agua.
 Componentes :
Ventilador: Produce una corriente de aire que pasa a través del radiador y enfría el agua.
Cámaras del agua: Son las oquedades del bloque y la culata, a través de las cuales pasa el
agua.
Bomba de agua: Es la encargada de bombear el agua y hacerla circular por los conductos.
La bomba más utilizada es la bomba de paletas, las cuales giran empujando el agua hasta
las camisas u oquedades del bloque y culata.
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El ventilador y la bomba del agua pueden estar unidos por un mismo eje, aprovechando la
energía del motor o ser el ventilador independiente utilizando la energía de un motor
eléctrico alimentado por la batería del vehículo.
FIGURA N° 4:Refrigeracion por agua
b. ENFRIAMIENTO POR AIRE : La culata y los laterales del cilindro son las partes que más se
calientan. Luego, para refrigerar, se exponen a la corriente de aire producida por la
marcha del vehículo.
Consta de unas estrías o aletas de metal en dichas partes, lo que hace que el aire frío pase
a través de las aletas absorbiendo el calor que se conduce por estas. La función de las
aletas es aumentar la superficie de las piezas que más se calientan para un mayor y rápido
enfriamiento gracias al aire.
 Ventajas:
Pocas averías
Sencillez
Poco peso del motor
Mayor rendimiento de la gasolina gracias a la mayor temperatura de funcionamiento
 Inconvenientes:
Más ruido del motor
El enfriamiento es irregular, debido a que depende de la temperatura ambiente
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FIGURA N° 5 Refrigeracion por aire
5. CICLO OTTO TEÓRICO
El Ciclo Otto teórico es el ciclo ideal del motor de encendido por chispa, y está
representado gráficamente en la figura, tanto en coordenadas P-V como en coordenadas
T-S. Las transformaciones termodinámicas que se verifican durante el ciclo son:
1-2
2-3
3-4
4-1
Adiabática i isentropica (sin intercambio de calor con el exterior)
Compresión del fluido activo y correspondiente al trabajo L1 realizado por el pistón.
A volumen constante
Introducción instantánea del calor suministrado Q1.
Adiabática
Expansión y correspondiente trabajo L2 producido por el fluido activo.
A volumen constante
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Sustracción instantánea del calor Q2.
En realidad, en los motores de 4 tiempos, la sustracción del calor se verifica durante la
carrera de escape 1-0, y el fluido se introduce en el motor en la carrera de aspiración 0-1,
lo cual se representa gráficamente en el diagrama P-V mediante una línea horizontal,
mientras que en el diagrama T-S no es posible representarlo. Los efectos de ambos
procesos se anulan mutuamente, sin ganancia ni pérdida de trabajo, razón por la cual no
suelen considerarse en los diagramas ideales en coordenadas P-V las carreras de
aspiración y escape, y el ciclo Otto está representado como un ciclo cerrado, en el cual el
fluido activo vuelve a su estado inicial cuando llega a su término la fase de expulsión del
calor 4-1.
Como el calor Q1 se introduce a volumen constante, el trabajo L2-3 realizado durante esa
transformación es nulo, y la ecuación de conservación de la energía del fluido sin flujo se
transforma en:
Como se trata de un ciclo ideal y, por tanto, el fluido operante es un gas perfecto, la
variación de la energía interna durante su transformación a volumen constante vale:
De donde resulta:
Análogamente, como el calor Q2 es sustraído también a volumen constante, y en tales
condiciones que L4-1=0, podemos escribir:
y por ser el fluido un gas perfecto:
Por consiguiente, el rendimiento térmico ideal para el ciclo Otto teórico resulta:
he= (calor suministrado – calor sustraído)/ calor suministrado
Para las transformaciones adiabáticas de compresión 1-2 y de expansión 3-4 obtenemos,
respectivamente:
y como es V1=V4 y V2=V3, podemos escribir:
Introduciendo esta relación en la expresión del rendimiento he(así como la que existe
entre las temperaturas T1 y T2 de la fase 1-2 de compresión adiabática), resulta:
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Indicando con ε la relación entre los respectivos volúmenes V1 y V2 del principio y final de
la carrera de compresión –a la cual llamaremos “relación volumétrica de compresión”-, se
obtiene la expresión final del rendimiento térmico ideal del ciclo Otto.
1
𝜂𝑡 = 1 − 𝑘−1
𝜀
El rendimiento térmico del ciclo Otto es, por tanto, función de la relación de compresión y
exponente k, relación de los calores específicos de fluido operante. Aumentando ε,
aumente he; aumentando los valores de los calores específicos, disminuye k y, en
consecuencia, también el rendimiento térmico he. Por ello, el ciclo ideal, para el cual k=1.4,
tiene un rendimiento térmico superior al ciclo de aire, dado el caso que, para éste, posee k
un valor medio más bajo, por variar los calores específicos con la temperatura.
6. CICLO TEORICO DIESEL :
Es el ciclo teórico de los motores de encendido por compresión.
La diferencia fundamental entre los ciclos Otto y Diesel se encuentra en la fase de
introducción del calor. En el ciclo Otto, el calor se introduce a volumen constante,
mientras que en el ciclo Diesel se efectúa a presión constante. Otra diferencia entre ambos
ciclos estriba en los valores de la relación de compresión, la cual varía de 12 a 22 para los
motores Diesel, mientras que oscila tan sólo entre 6 y 10 para los motores Otto.
Como se ve en la figura, el ciclo Diesel ideal está formado por cuatro líneas térmicas que
representa: la compresión adiabática (1-2); la introducción del calor a presión constante
(2-3); la expansión adiabática (3-4); la expulsión del calor a volumen constante (4-1).
Durante la transformación 2-3 de introducción del calor Q1 a presión constante, el pistón
entra en funcionamiento, y por tanto, el fluido produce el trabajo:
Por consiguiente, la ecuación de la energía sin flujo se convierte en
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y la entalpía h del fluido está dada por la expresión
la ecuación se transforma en
Por ser el fluido un gas perfecto, podemos emplear, para su variación de entalpía a presión
constante, la expresión
Luego, el calor introducido tendrá el siguiente valor:
Hay que hacer resaltar que en una transformación con introducción de calor a presión
constante varía el valor de la entalpía del fluido activo, mientras que en caso de la
transformación a volumen constante varía el de la energía interna del fluido. Como la
sustracción del calor Q2 se realiza como en el ciclo Otto, podemos escribir:
Q2=U4-U1
y como el fluido es un gas perfecto y el ciclo es ideal:
Q2=Cv(T4-T1).
Por tanto, el rendimiento térmico ideal del ciclo Diesel teórico vale:
he= (calor suministrado – calor sustraído)/ calor suministrado
expresión del todo análoga a la encontrada para el rendimiento ideal del ciclo teórico
Otto.
Para la transformación 2-3 de combustión a presión constante tenemos:
Para las transformaciones adiabáticas 1-2 de compresión y 3-4 de expansión se tiene,
respectivamente:
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de donde:
y como son V4=V1 y T3/T2=V3/V2 , se puede escribir:
Sustituyendo esta expresión en la del rendimiento térmico ideal, resulta:
indicando con t’ la relación entre los volúmenes V3 y V2 al final y al comienzo, respectivamente, de
la fase de combustión a presión constante, a la cual daremos el nombre de “relación de
combustión a presión constante”, y recordando que
obtenemos, finalmente, la expresión del rendimiento térmico ideal del ciclo teórico
Diesel:
En esta expresión vemos que he es, para el ciclo Diesel, función de la relación de compresión, de
la relación de combustión a presión constante y la relación k entre los calores específicos.
Las expresiones de los rendimientos térmicos de los ciclos Otto y Diesel difieren solamente por el
término entre paréntesis, que siempre es mayor que 1, y, por ello, aparece claro que a igualdad de
relación de compresión he es mayor para el ciclo Otto que para el ciclo Diesel. Reduciendo t’, es
decir, el calor introducido a presión constante, el rendimiento he del ciclo Diesel se aproxima al del
ciclo Otto, con el cual coincide para t’=1.