Página principal‎ > ‎2º Bachillerato‎ > ‎Máquinas‎ > ‎

5. Motores de combustión interna




Cuestiones previas.


  1. Hay dos causas que limitan el rendimiento de las máquinas de combustión externa:

    1. Imposibilidad de alcanzar temperaturas suficientemente elevadas en la caldera (debido a la presión que se produciría)

    2. Dificultad de aprovechar bien el combustible, es decir, la energía calorífica que produce.

  2. En los motores de combustión interna se sustituye el vapor (gas) por otro fluido, y se produce la combustión en el interior del cilindro de la máquina.

  3. En estos motores, los gases expulsados son diferentes de los que se introducen en la máquina, por lo que el proceso es irreversible.

  4. Aún así, para trabajar de forma teórica, consideramos que:

    1. el gas es el mismo

    2. se comporta como un gas ideal

    3. describe ciclos reversibles


  • Motores de combustión interna.

    • Motores de explosión o encendido provocado (MEP)

      • Ciclo Otto

      • Motor de cuatro tiempos (explosión)

      • Motor de dos tiempos

    • Motores de combustión o de encendido por compresión (MEC)

      • Ciclo Diesel de cuatro tiempos


.

No dejes de ver esta


COLECCIÓN DE IMÁGENES DE MOTORES



Motor de cuatro tiempos


Estos son los motores que se utilizan mayoritariamente en automoción. Son motores alternativos, lo cual significa que un émbolo o pistón se desplaza arriba y abajo por el interior de un cilindro. Mediante un sistema de transformación biela-manivela, este movimiento se transforma en el giro de una manivela o cigüeñal. El ciclo de funcionamiento de estos motores se completa con cuatro desplazamientos del émbolo, es decir, con dos vueltas completas.

El desplazamiento del pistón se transforma en giro en el cigüeñal mediante una biela. Los orificios por los que entra y sale el aire se denominan válvula de admisión y válvula de escape, respectivamente. Como sólo existe un tiempo que realice trabajo, los motores de cuatro tiempos siempre tienen un volante de inercia que almacena energía rotatoria para los momentos en que se necesita energía. Otra técnica que se emplea de forma masiva es disponer cuatro cilindros trabajando de forma alternativa a la vez, para que siempre haya alguno que realice trabajo.


En la geometría de los motores alternativos tenemos las siguientes definiciones:

• Punto muerto superior (PMS): es la posición del pistón en en la que alcanza el punto máximo de altura antes de empezar a bajar.

• Punto muerto inferior (PMI): es la posición más baja del pistón antes de empezar a subir.

• Carrera (C): es la distancia que hay entre el PMS y el PMI, y siempre se expresa en milímetros.

• Diámetro o calibre (D): es el diámetro interior del cilindro y también se expresa en milímetros.

• Cilindrada unitaria (V): es el volumen de aire que aspira el pistón, y es el comprendido entre el PMI y el PMS.

• Volumen de la cámara de combustión (v): es el volumen mínimo al que se comprime el gas dentro del cilindro, y es el espacio comprendido entre la cabeza del pistón en el PMS y la tapa superior o culata.

• Relación de compresión (rc): es el cociente entre el volumen máximo que puede haber dentro del cilindro y el volumen de la cámara de combustión. Es un valor sin unidades (p. e. rc= 11), que también suele venir expresado como 11:1. Este dato nos da idea de cuánto se comprime el aire en el motor.


Entre los motores de cuatro tiempos, existen dos tipos básicos que se distinguen por el combustible que utilizan, lo cual condiciona la forma de adicionar el calor. Los motores que utilizan gasolina siguen un ciclo termodinámico que se denomina ciclo Otto. El ciclo de los motores que usan gasóleo se denomina Diesel.



.

Cciclo Otto de cuatro tiempos


Animación (Univ Castilla La Mancha)

Ciclo Otto (video)

Animación motor de explosión - ciclo Otto (Univ de Sevilla)



Ciclo Otto. (Fuente: Univ. de Sevilla)


Un ciclo Otto ideal es una aproximación teórica al comportamiento de un motor de explosión. En estos motores se mezcla la gasolina con el aire antes de entrar al cilindro, y durante el tiempo de admisión se absorbe esta mezcla.

Las fases de operación de este motor son las siguientes:


Admisión (1): El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de mezcla (aire + combustible) en la cámara. Esto se modela como una expansión a presión constante (ya que al estar la válvula abierta la presión es igual a la exterior). En el diagrama PV aparece como la línea recta E→A.


Compresión (2): El pistón sube comprimiendo la mezcla. Dada la velocidad del proceso se supone que la mezcla no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiabático. Se modela como la curva adiabática reversible A→B (aunque en realidad no lo es por la presencia de factores irreversibles como la fricción). El punto inicial de esta curva es aquél en el que el pistón se halla lo más bajo posible (PMI). El punto final corresponde a que el pistón esté en el punto más alto (PMS).


Combustión (3): Con el pistón en su punto más alto, PMS, salta la chispa de la bujía. El calor generado en la combustión calienta bruscamente el aire, que incrementa su temperatura a volumen prácticamente constante (ya que al pistón no le ha dado tiempo a bajar). Esto se representa por una isócora B→C. Este paso es claramente irreversible, pero para el caso de un proceso isócoro en un gas ideal el balance es el mismo que en uno reversible.

Expansión (3): La alta temperatura del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él. De nuevo, por ser un proceso muy rápido se aproxima por una curva adiabática reversible C→D.


Escape (4): Se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una temperatura mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en la siguiente admisión. 


El sistema es realmente abierto, pues intercambia masa con el exterior. No obstante, dado que la cantidad de aire que sale y la que entra es la misma podemos, para el balance energético, suponer que es el mismo aire, que se ha enfriado.


Este enfriamiento ocurre en dos fases.

  • Cuando el pistón está en su punto más bajo, el volumen permanece aproximadamente constante y tenemos la isócora D→A.

  • Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, empleamos la isobara A→E, cerrando el ciclo.

En total, el ciclo se compone de dos subidas y dos bajadas del pistón, razón por la que se le llama motor de cuatro tiempos.


Ahora bien, en los motores reales se producen una serie de cambios respecto al modelo ideal, y el ciclo se modifica ligeramente:

  • En primer lugar, la válvula de admisión se mantiene abierta hasta después de que el pistón empiece a bajar, para aprovechar la inercia del aire en movimiento y conseguir que entre algo más de aire. Es el llamado Retraso al Cierre de la Admisión (RCA). En los motores de varios cilindros también se produce un Adelanto a la Apertura de la Admisión (AAA) para aprovechar el movimiento del aire recién aspirado por otros cilindros.

  • Con la válvula de escape ocurre algo parecido: se produce un Adelanto en la Apertura del Escape (AAE) para que los gases quemados empiecen a salir un poco antes de que el pistón llegue al PMI, y después de subir hasta el PMS, la válvula también se mantiene abierta para tener un Retraso en el Cierre del Escape (RCE) para aprovechar la inercia y que salga la mayor cantidad posible de gases quemados.

  • Por último, el proceso de ignición de la gasolina no es instantáneo, y la chispa debe producirse un poco antes de que el pistón alcance el PMS para que sea justo en ese instante cuando entre en contacto con la presión generada por la explosión.


Distribución motor 4T (Fuente: Univ. Castilla La Mancha)




Estos tres efectos provocan que el diagrama p-V real no coincida con el diagrama ideal, y por tanto, que el trabajo real que se obtiene del gas de dentro del cilindro sea inferior al teórico.


Ciclo Diesel de cuatro tiempos


Animación

Ciclo diesel (video)


Un ciclo Diésel ideal es un modelo simplificado de lo que ocurre en un motor diésel. En un motor de esta clase, a diferencia de lo que ocurre en un motor de gasolina la combustión no se produce por la ignición de una chispa en el interior de la cámara. En su lugar, aprovechando las propiedades químicas del gasóleo, el aire es comprimido hasta una temperatura superior a la de autoignición del gasóleo y el combustible es inyectado a presión en este aire caliente, produciéndose la combustión de la mezcla.


Puesto que sólo se comprime aire, la relación de compresión (cociente entre el volumen en el punto más bajo y el más alto del pistón) puede ser mucho más alta que la de un motor de gasolina (que tiene un límite, por ser indeseable la autoignición de la mezcla). La relación de compresión de un motor diésel puede oscilar entre 12 y 24, mientras que el de gasolina puede rondar un valor de 8 a 11.


Para modelar el comportamiento del motor diésel se considera un ciclo Diesel de seis pasos, dos de los cuales se anulan mutuamente:


Ciclo Diesel (Fuente: Univ. de Sevilla)



Admisión E→A: El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de aire en la cámara. Esto se modela como una expansión a presión constante (ya que al estar la válvula abierta la presión es igual a la exterior). En el diagrama PV aparece como una recta horizontal.


Compresión A→B: El pistón sube comprimiendo el aire. Dada la velocidad del proceso se supone que el aire no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiabático. Se modela como la curva adiabática reversible A→B, aunque en realidad no lo es por la presencia de factores irreversibles como la fricción. El punto inicial de esta curva es aquél en el que el pistón se halla lo más bajo posible. A este punto se le conoce como PMI (punto muerto inferior). El punto final corresponde a que el pistón esté en el punto más alto. Este es el PMS (punto muerto superior).


Combustión B→C: Un poco antes de que el pistón llegue a su punto más alto y continuando hasta un poco después de que empiece a bajar, el inyector introduce el combustible en la cámara. Al ser de mayor duración que la combustión en el ciclo Otto, este paso se modela como una adición de calor a presión constante. Éste es el único paso en el que el ciclo Diesel se diferencia del Otto.


Expansión C→D: La alta temperatura del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él. De nuevo, por ser un proceso muy rápido se aproxima por una curva adiabática reversible.


Escape D→A y A→E: Se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una temperatura mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en la siguiente admisión.


El sistema es realmente abierto, pues intercambia masa con el exterior. No obstante, dado que la cantidad de aire que sale y la que entra es la misma podemos, para el balance energético, suponer que es el mismo aire, que se ha enfriado. Este enfriamiento ocurre en dos fases. Cuando el pistón está en su punto más bajo, el volumen permanece aproximadamente constante y tenemos la isócora D→A. Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, empleamos la isobara A→E, cerrando el ciclo.

En total, el ciclo se compone de dos subidas y dos bajadas del pistón, razón por la que es un ciclo de cuatro tiempos, aunque este nombre se suele reservar para los motores de gasolina.

Pincha en la imagen para ver una animación de este ciclo:


Animación Ciclo Diesel 4T (Fuente: Univ. Castilla La Mancha)



Sobre mezclas de carburante e inyección.


La mezcla de aire y gasolina de los motores Otto se solía producir en un carburador, pero en los motores modernos es un inyector el que introduce la gasolina delante de la válvula de admisión justo antes de que ésta se abra. La siguiente evolución de esta técnica es la denominada inyección directa en la cámara de combustión. (Ver vídeo)



Inyección directa (motores de gasolina)


Los motores Diesel siempre tienen sistemas de inyección, (ver vídeo) por pequeñas bombas independientes para cada cilindro (ver vídeo) o de una bomba de gran potencia que pasa el gasóil a un condcuto común para todos los cilindros, y una electroválvula abre el inyector durante el período adecuado. En todos los motores actuales, los inyectores se abren y cierran por la acción de un electroimán que atrae a la varilla de cierre:



Inyección Common Rail


En los siguientes enlaces puedes ver estos sistemas con más detalle

Animación inyección comun.

Video inyección conducto común



Sobrealimentación y “turbo”


En los motores sobrealimentados, el turbocompresor consiste en una turbina accionada por los gases de escape del motor de explosión, que toma el aire a presión atmosférica después de pasar por el filtro de aire y luego lo comprime para introducirlo en los cilindros a mayor presión.


Los gases de escape inciden radialmente en la turbina, saliendo axialmente, después de ceder gran parte de su energía interna (mecánica + térmica) a la misma.


El aire entra al compresor axialmente, saliendo radialmente, con el efecto secundario negativo de un aumento de la temperatura más o menos considerable. Este efecto se contrarresta en gran medida con el intercooler.


Este aumento de la presión consigue introducir en el cilindro una mayor cantidad de oxígeno (masa) que la masa normal que el cilindro aspiraría a presión atmosférica, obteniéndose más par motor en cada carrera útil (carrera de expansión) y por lo tanto más potencia que un motor atmosférico de cilindrada equivalente.

Como la energía utilizada para comprimir el aire de admisión proviene de los gases de escape, que se desecharía en un motor atmosférico, no resta potencia al motor cuando el turbocompresor está trabajando, tampoco provoca pérdidas fuera del rango de trabajo del turbo, a diferencia de otros, como los sistemas con compresor mecánico (sistemas en los que el compresor es accionado por una polea conectada al cigüeñal).


Vídeo: Como funciona el “turbo”


Motor de dos tiempos


Animación 1

Animación 2


Otra evolución del motor alternativo lo constituyó el motor de dos tiempos, en el cual se realiza todo el ciclo únicamente en una vuelta. 

El aire entra al cárter y es transferido al interior del cilindro a través de orificios practicados en el bloque denominados lumbreras (de admisión, de escape y de transferencia, respectivamente). Como el cigüeñal debe estar lubricado, estos motores necesitan mezclar aceite con la gasolina. De esta forma, durante la compresión de la mezcla en el cárter, se deposita parte del aceite sobre las partes metálicas.

http://www.uclm.es/profesorado/porrasysoriano/animaciones/2tiempos_valvula.swf

Los motores de dos tiempos funcionan termodinámicamente según el ciclo Otto (también existen motores Diesel de dos tiempos), y la expresión de su rendimiento térmico es idéntica. Pero el rendimiento de diagrama en los motores 2T es mucho peor que en los 4T, pues no se quema completamente el combustible.


Las ventajas del motor de dos tiempos respecto al de cuatro tiempos son su sencillez y ligereza. En los motores 2T cada ciclo dura una sola vuelta, por tanto, para calcular la potencia, hay que tener este dato en cuenta. Sin embargo, las desventajas de un motor 2T estriban en su mayor velocidad de giro, que se traduce en mayor desgaste, y la emisión de gases muy contaminantes, con aceite quemado entre ellos.


Aprovechando los ciclos Otto y Diesel de cuatro tiempos se han desarrollado distintos tipos de motores que son variaciones en la disposición de los cilindros, como pueden ser: Motor en V, Motor Boxer (Cilindros opuestos) o Motor en estrella.



                                                               


Incluso existe un motor que hace uso de los cuatro tiempos aunque se trata de un motor rotativo. Se trata del motor Wankel:






Para saber más: www.laplace.us.es


Animación aviones: http://www.juntadeandalucia.es/averroes/ieshuelin/departamentos/tecnologia/varios/avion.swf

Motores aviones: http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_aeron%C3%A1utico

Turbo fan: https://cielus.wordpress.com/turbofan/


Vídeo: Motor rotativo

Mas vídeos de motores en: canal youtube de motorgiga


Curiosidades:

El motor 12V mas pequeño del mundo (posiblemente)

Motor diesel moderno; funcionamiento

El motor diesel mas grande del mundo (2013)




Ċ
Fede Rubio Bouzas,
9 dic. 2014 5:44
Comments