TEMA 8: MOTORES TÉRMICOS


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1 TEMA 8: MOTORES TÉRMICOS Son máquinas cuya misión es transformar la energía térmica en energía mecánica que sea directamente utilizable para producir trabajo. Las fuentes de energía térmica pueden ser: nucleares, solares, combustión de combustibles. En éste último caso se llaman motores de combustión. Según el lugar donde se quema el combustible, estos motores se clasifican en: Motores de combustión externa: la combustión se realiza fuera de la máquina, generalmente para calentar agua que, en forma de vapor, será la que realice el trabajo. Ej: máquina de vapor. Los motores de combustión externa también pueden utilizar gas como fluido de trabajo (aire, H 2 y He) como en el motor Stirling. El motor de aire caliente Stirling, utiliza una fuente de calor fija, para calentar aire en su cilindro. Su movimiento obedece a las diferencias de presión de aire, entre la porción más caliente y la fría. El mecanismo central de un motor Stirling Combustión Expansión Refrigeración Compresión consiste de dos pistones/cilindros, uno para disipar calor y desplazar aire caliente hacia la sección fría (viceversa); el otro pistón entrega la fuerza para aplicar torque al cigüeñal. Motores de combustión interna: queman el combustible en una cámara interna al propio motor. Los gases generados causan por expansión el movimiento de los mecanismos del motor. Según la forma en qué se obtiene la energía mecánica, los motores de combustión interna se clasifican en: 1

2 Motores alternativos: en estos motores los gases resultantes de un proceso de combustión empujan un émbolo o pistón, desplazándolo en el interior de un cilindro (movimiento alternativo) y haciendo girar un cigüeñal, obteniendo finalmente un movimiento de rotación. Válvulas de admisión y escape Bujía Admisión Escape Explosión Comprensión El árbol de levas al girar y las diferentes levas permiten la apertura y cierre de las válvulas de admisión y escape del cilindro. Motores rotativos: están formados por un rotor triangular que gira de forma excéntrica en el interior de una cámara, Al girar genera tres espacios o cámaras diferntes, donde ocurren lsa diferentes etapas Admisión Escape Comprensión Bujías Explosión 1. Motor alternativo de combustión interna Son motores térmicos que se clasifican según el combustible en: Motores de explosión o motor Otto: gasolina. La ignición de la mezcla gasolina-aire tiene lugar al producirse una chispa (bujia). Se llaman motores de encendido provocado (MEP). El carburador es el dispositivo encargado de realizar la mezcla de aire-combustible. Motores diesel Son motores de encendido por compresión (MEC). La ignición se produce espontáneamente a medida que el combustible es inyectado en la cámara, cuando en esta se ha comprimido el aire a alta presión y temperatura. 2

3 Los motores alternativos están constituidos por 1 ó más cilindros en cuyo interior se desliza de forma alternativa el émbolo o pistón. La parte superior se llama culata y contiene la cámara de compresión (y en los motores de explosión, la bujia). En la parte inferior se encuentra el carter que contiene el aceite lubricante. El movimiento alternativo del pistón se transmite a la biela, y de ésta al cigüeñal, produciendo así un movimiento rotatorio que irá a la caja de cambios, diferencial y ruedas. Las formas comunes de disposición de los cilindros son en v y en línea, con un número de cilindros variable en función de la potencia del motor. Ciclo: el motor realiza un ciclo termodinámico que puede ser de 4 ó de 2 tiempos (4 ó 2 carreras del pistón) Motor de 4 tiempos: el ciclo termodinámico se completa en cuatro carreras del émbolo y dos vueltas del cigüeñal. En estos motores, la renovación del combustible se controla mediante la apertura y cierre de las válvulas de admisión y escape. Motor de 2 tiempos: el ciclo termodinámico se completa en dos carreras del émbolo y una vuelta del cigüeñal. Este motor carece de válvulas y la entrada y salida de gases se realiza a través de las lumbreras (orificios situados en el cilindro) El pistón dependiendo de la posición que ocupa en el cilindro en cada momento abre o cierra el paso de gases a través de las lumbreras. La lubricación, que en el motor de cuatro tiempos se efectúa mediante el cárter, en el motor de dos tiempos se consigue mezclando aceite con el combustible. Al ser un motor ligero y económico es muy usado en aplicaciones en que no es necesaria mucha potencia tales como motocicletas, motores fuera borda, motosierras, cortadoras de césped, etc 3

4 Esquema de transmisión desde el cigüeñal a las ruedas: Pistones (cámara de combustión) 1ª 2ª 3ª 4ª 5ª MT Bielas Eje 1º Cigüeñal Embrague Eje 2º Piñón-Corona (hipoide) Diferencial 2. Motor de explosión de cuatro tiempos: Se trata de un motor de encendido provocado (MEP), de gasolina que sigue un ciclo termodinámico Otto: El ciclo Otto es un ciclo cerrado, que utiliza una mezcla de aire y gasolina y para su ignición tiene la ayuda de una chispa eléctrica producida por el sistema de encendido (bujía). Este ciclo consta de 4 etapas o tiempos. Admisión, compresión, explosión-expansión y escape. Es un ciclo formado por dos adiabáticas y dos isócoras. 1. Admisión (01): el pistón desciende arrastrado por el movimiento del cigüeñal y entra en el cilindro una mezcla aire-combustible a través de la válvula de admisión. 2. Compresión (12): el pistón asciende arrastrado también por el movimiento del cigüeñal y comprime el aire y combustible, de forma que aumenta la presión y la temperatura de la mezcla. 3. Explosión-expansión (234): al alcanzar la mezcla la máxima compresión, salta la chispa en la bujía, explosiona la mezcla y baja el pistón. P Explosión Compresión CICLO OTTO TEÓRICO 3 Q T c Q=0 Q=0 W Expansión 4 Q 2 1 Admisión Escape V 4

5 El movimiento del pistón arrastra el cigüeñal, que realiza el trabajo útil. 4. Escape (410): se abre la válvula de escape y el pistón sube y expulsa los gases. La válvula de escape se cierra y la válvula de admisión se abre, con lo que se está en disposición de iniciar un nuevo ciclo. La diferencia entre la energía aportada Q 1 y la cedida Q 2, se transforma en energía mecánica. Esta se manifiesta durante la carrera de expansión, que es la única en la que se produce trabajo útil y donde el pistón arrastra al cigüeñal. En el resto de las carreras es el cigüeñal el que arrastra al pistón gracias a la acción del volante de inercia, o bien, como se hace por norma, disponer, como mínimo, cuatro cilindros en un motor, combinando su funcionamiento de tal modo que en todo momento por lo menos uno de ellos trabaje. admisión abierta escape cerrada Válvulas cerradas Válvulas cerradas admisión cerrada escape abierta Entrada gasolina-aire Gases de escape Admisión Compresión Explosión Escape 3. Motor diesel de cuatro tiempos: Se trata de un motor de encendido por compresión (MEC), de gasoil que sigue un ciclo termodinámico cerrado. Utiliza aire a presión y la inyección de un combustible líquido el cual se inflama por la alta temperatura del aire lograda después de la compresión del aire. Este ciclo consta de 4 etapas o tiempos: admisión, compresión, explosión-expansión y escape. Es un ciclo formado por dos adiabáticas, una isóbara y una isocora: 1. Admisión (01): el pistón desciende arrastrado por el movimiento del cigüeñal y entra en el cilindro aire a CICLO DIESEL TEÓRICO través de la válvula de admisión. 2. Compresión (12): el pistón P Q 1 Explosión asciende arrastrado también por el movimiento del cigüeñal y comprime 2 T c 3 Expansión el aire a una elevada presión (40-50 atm y 600ºC). Q=0 3. Explosión-expansión (234): al 4 alcanzar el aire la máxima W Q 2 compresión, se introduce el combustible finamente pulverizado Compresión Q=0 mediante bomba inyectora. Al 0 1 contacto con el aire caliente, el combustible se autoinflama y se produce la combustión. Baja el Admisión Escape pistón y el movimiento del pistón arrastra el cigüeñal, que realiza el trabajo útil. 4. Escape (410): se abre la válvula de escape y el pistón sube y expulsa los gases. V 5

6 La válvula de escape se cierra y la válvula de admisión se abre, con lo que se está en disposición de iniciar un nuevo ciclo. Ventajas e inconvenientes de los motores diesel: Mayor rendimiento térmico. En el motor de gasolina el rendimiento está aproximadamente en un 24% y en el motor diesel en el 34%. Hay menos pérdidas en los gases de escape y por tanto menor contaminación. Menor consumo (por el mejor aprovechamiento del combustible) y menor coste del combustible. Mayor duración de la vida del motor, ya que tienen una mecánica más resistente al desgaste. Precio más elevado, por tener mayor coste de construcción. Más ruidosos por las fuertes explosiones de la combustión. Mayor contaminación por emisión de micro-partículas PM2,5, que al ser tan finas entran fácilmente en los pulmones. 4. Motor de explosión de dos tiempos: Los conductos de admisión y escape se llaman lumbreras de admisión y escape. Además, hay otra lumbrera que comunica el cárter con el cilindro y que recibe el nombre de lumbrera de transferencia. Estas lumbreras quedan abiertas o cerradas por el movimiento del pistón en el interior del cilindro. El combustible entra en el cárter que actúa como una bomba que aspira el combustible a través de la lumbrera de admisión y lo transfiere al cilindro mediante la lumbrera de transferencia. El ciclo de funcionamiento de un motor de dos tiempos consta de las mismas cuatro fases que el de cuatro tiempos, sólo que realizadas en dos carreras del pistón y una sóla vuelta del cigüeñal. Las dos etapas son: 1. Admisión compresión (012): el pistón asciende arrastrado por el cigüeñal y en este movimiento comprime la mezcla (MEP) o el combustible (MEC) que se encuentra en el cilindro. A la vez, descubre la lumbrera de admisión, para que una cantidad nueva de combustible entre en el cárter. 2. Explosión - expansión escape (2340): al llegar el pistón arriba se produce la combustión y el pistón desciende. Se abre la lumbrera de escape y los gases salen l exterior. También se abre la lumbrera de transferencia y el combustible procedente del cárter entra en el cilindro y desaloja al resto de gases. 6

7 Ventajas e inconvenientes de los motores de dos tiempos: Sencillez de construcción, pues carece de árbol de levas y de la correspondiente correa de distribución. No tiene válvulas (sujetas a gran desgaste). Mayor potencia, ya que el motor realiza trabajo útil en cada vuelta del cigüeñal (el de cuatro tiempos lo realiza cada dos vueltas. Menor rendimiento mecánico. Mayor temperatura de funcionamiento, ya que la combustión de la mezcla se produce con una frecuencia superior. Esto también produce un mayor desgaste. Mayores niveles de contaminación generados por la combustión de los aditivos de la mezcla. 5. Motor rotativo El motor rotativo es un motor de cuatro tiempos. En él, un rotor interior, de diferentes formas, gira formando un determinado número de cámaras, en función de su forma, y que gira alrededor de un estátor, guiado por un eje excéntrico Llenado de aceite Rotor Polea Piñón Carter Volante de inercia Ciclo termodinámico: admisión Admisión Compresión Explosión Escape Bujías Estator escape Eje motor Piñón Rotor Cámara de agua 1. Admisión (01): la mezcla combustible-aire es aspirada mientras se sigue con el giro por acción de un eje excéntrico. 2. Compresión (12): la mezcla se comprime 7

8 carrera Departamento de Tecnología. IES Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz 3. Explosión-expansión (234): al alcanzar la mezcla la máxima compresión, se le hace explosionar por medio de una chispa y se produce la combustión. Se realiza el trabajo útil. 4. Escape (410): se pone en contacto con la tobera de escape, se expulsan los gases y se reinicia el ciclo. P Explosión CICLO OTTO TEÓRICO 3 T c Q 1 Expansión Q=0 Es un ciclo formado por dos adiabáticas y dos isócoras. Compresión 2 0 W Q=0 Admisión 1 4 Escape Q 2 V Ventajas e inconvenientes de los motores rotativos: Reducido tamaño (y peso) consiguiendo altas potencias específicas. Tienen menores vibraciones Consiguen más revoluciones del eje Bajo par motor Tienen problemas de estanqueidad por lo cual consumen aceite y mayor consumo de combustible. Su desgaste es rápido, 6. Potencia y rendimiento de un motor La relación de compresión nos dice cuantas veces comprimes la mezcla airecombustible en las cámaras de combustión. En un motor de gasolina la rc es de 10:1 y en un motor diesel es de 25:1 aproximadamente. RC = V 1 / V 2 V 1 = volumen del cilindro cuando el pistón se encuentra en el punto inferior de su recorrido (PMI) V 2 = volumen del cilindro cuando el pistón se encuentra en el punto superior de su recorrido (PMS), es el volumen de la cámara de combustión V 1 PMS PMI V 2 La carrera del pistón es su desplazamiento en el interior del cilindro (c) La cilindrada es el volumen barrido por el pistón en el interior del cilindro. Y se calcula como la superficie del cilindro por la carrera. Suele medirse en cm 3 o cc. Cilindrada = πr 2. c = V 1 - V 2 Cilindrada motor = N. πr 2. c N = nº de cilindros r = radio del cilindro c = carrera 8

9 De la cilindrada depende la fuerza de cada explosión en el interior del cilindro. Y la fuerza lineal que ejerce cada pistón se transforma en el cigüeñal en fuerza de rotación o par motor (C = F. r, la medida del codo del cigüeñal es fundamental) La potencia de un motor se obtiene multiplicando su par motor por las revoluciones a las que se desarrolla. P = Un motor, al estar acoplado a un cambio de marchas, varía su par, pero la potencia se mantiene constante desde la entrada a la salida. Dicho de otra forma, los engranajes transmiten la potencia, pero varían el par y la velocidad de giro, manteniendo su potencia constante 7. Sobrealimentación. Motor turbo: La necesidad de aumentar la potencia de un coche, sin tener que aumentar la cilindrada, hace necesario una sobrealimentación de combustible. Aumentar la potencia depende de la cantidad de combustible quemado (energía) y del número de revoluciones. Pero tanto en motores Diesel como en los de gasolina, por mucho que aumentemos el combustible que hacemos llegar al interior de la cámara de combustión, no conseguimos aumentar su potencia si este combustible no encuentra aire suficiente para quemarse. Así pues, solo conseguiremos aumentar la potencia, sin variar la cilindrada ni el régimen del motor, si conseguimos colocar en el interior del cilindro un volumen de aire (motores Diesel) o de mezcla (aire y gasolina para los motores de gasolina) mayor que la que hacemos entrar en una "aspiración normal". El aire se introduce comprimido a alta presión. Para ello se intercala en el circuito de entrada un compresor, accionado por una turbina movida por los gases de escape. Este dispositivo recibe el nombre de turbocompresor. A la salida del compresor los gases salen a elevada presión y temperatura. Por esto, a la salida del compresor se instala un intercambiador de calor que enfría los gases antes de que penetren en el motor, a este dispositivo se le llama intercooler. El intercooler es un radiador que es enfriado por el aire que incide sobre el coche en su marcha normal 9

10 8. Ejercicios: Ejercicio 1 Según los datos del fabricante, el motor del Citroen Xsara RFY tiene las siguientes características: Nº de cilindros : 4 Calibre 86 mm Carrera 86 mm Relación de compresión 10,4/1 Calcular: a) La cilindrada del motor b) Volumen de la cámara de combustión c) Volumen total del cilindro d) Sabiendo que la potencia máxima la suministra a 6500 rpm con un par de 164 Nm, calcula la potencia Ejercicio PAU Septiembre 2013/2014 El motor de un vehículo consta de 4 cilindros con un diámetro de 82,5 mm y una carrera de 93 mm para cada uno de ellos. El consumo de dicho vehículo es de 12,5 litros en 100 km, los cuales recorre en una hora. Si el combustible tiene un poder calorífico de kj/kg y una densidad de 0,75 g/cm3, calcule: a) La cilindrada del motor. b) La potencia producida en la combustión. c) La potencia útil del motor si el rendimiento es del 45 %. d) El par motor cuando gira a rpm. Ejercicio PAU Septiembre 2012/2013 a) Indique los procesos termodinámicos del ciclo ideal de Otto. b) Indique los procesos termodinámicos del ciclo ideal de Diesel Ejercicio PAU Septiembre 2011/2012 El motor de un automóvil consta de 4 cilindros y desarrolla una potencia efectiva de 30 CV a rpm. Conociendo que el diámetro de cada pistón es de 80,5 mm, la carrera de 97,6 mm y la relación de compresión de 10:1, calcule: a) La cilindrada total b) El rendimiento efectivo del motor, si consume 7,2 L/h de un combustible cuyo poder calorífico es kj/kg y su densidad es de 0,7 g/cm3. c) El par motor que está suministrando. Ejercicio PAU Septiembre 2010/2011 a) Explique cómo transcurre el ciclo de funcionamiento de un motor de explosión de dos tiempos. b) Indique al menos dos ventajas de este tipo de motores 10

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