Tema : MOTORES TÉRMICOS:

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1 Tema : MOTORES TÉRMICOS: 1.1CARACTERÍSTICAS DE LOS MOTORES Se llama motor a toda máquina que transforma cualquier tipo de energía en energía mecánica. Según sea el elemento que suministra la energía tenemos motores de cuatro tipos: Motores eólicos. Utilizan la energía del viento. Ej: Aerogeneradores. Motores Hidráulicos. Utilizan la energía del agua. Ej: Turbinas. Motores de aire comprimido. Utilizan la energía del aire comprimido. Ej: Martillos neumáticos. Motores térmicos. Utilizan el calor acumulado en un fluido. Ej: máquina de vapor Los parámetros de los motores son: Velocidad de giro o velocidad nominal(c): representa el número de revoluciones por minuto que da el motor en condiciones normales de funcionamiento. [rpm]. Par motor: representa el momento de rotación que actúa sobre el eje del motor [N. m] En un par motor podemos observar 3 momentos: 1. Par de arranque: par necesario para iniciar el movimiento de giro desde el reposo. 2. Par de aceleración: es el que actúa sobre el motor desde que arranca hasta que alcanza la velocidad nominal. 3. Par nominal: es el que actúa sobre el motor una vez alcanzada la velocidad nominal. Potencia útil o nominal. Indica el trabajo que el motor es capaz de hacer por unidad de tiempo. [w] vatios. P= M ω siendo ω( velocidad angular) n= nº rpm ω= 2 π n/60 P = M 2 π n/60

2 Rendimiento. Nota: El calor que desprende la combustión: 1.2 EL MOTOR TÉRMICO. DEFINICIÓN Y PRINCIPIOS BÁSICOS: Un motor térmico es aquel que permite obtener energía mecánica, a partir de la energía térmica almacenada en un fluido. El análisis de un motor térmico, supone partir de los dos principios de la termodinámica. 1.-El primer principio de la termodinámica También conocido como principio de conservación de la energía; la termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna Q= U+W Q representa el calor absorbido por el sistema, U representa la variación de la energía interna del sistema y, W es el trabajo realizado por el sistema. 2.-Es imposible construir una maquina que obtenga un trabajo mayor que la energía que se suministra. 3.-La cantidad de energía total, de un sistema aislado permanece constante, aunque se pueda transformar de una clase en otra. 4.-La energía total del universo, permanece constante. 5.-La suma de la energía y de la masa el universo, permanecen constantes.

3 1.-El segundo principio de la termodinámica dice que una máquina térmica sólo puede producir trabajo absorbiendo calor de foco caliente, y cediendo una parte a otro foco frío. Luego siempre hay pérdidas de energía. 2.-Es imposible construir una máquina que transforme íntegramente la energía suministrada en trabajo útil. El principio básico del funcionamiento de un motor se basa en un proceso o ciclo cerrado, el motor recibe una determinada cantidad de calor Q 1 de un foco caliente, y posteriormente cede otra cantidad de calor Q 2 a un foco f r i o. La energía térmica que desaparece se transforma en trabajo mecánico. CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES TÉRMICOS: Los motores térmicos se clasifican: Según el proceso de combustión: -Combustión externa: La combustión se realiza fuera del motor (máquina de vapor) (turbinas). -Combustión interna: La combustión interna se produce en el interior del motor: -Encendido por compresión (MEC) en el cual produce debido a la presión (Diesel). -Encendido provocado (MEP) la inflamación se produce por una chispa que se propaga a toda la cámara de combustión (Motores de explosión). Según la energía mecánica: Motores alternativos, funcionan por pistones. Máquinas de vapor, diesel, explosión. Motores rotativos, el fluido actúa directamente sobre las turbinas wankel (rotativo).

4 Según el ciclo del motor: -Motores de 4 tiempos: 4T, necesitan 4 etapas, admisión, compresión, expansión o explosión y escape. Se aplican en automoción, equipos de energía eléctrica y en grandes equipos industriales. -Motores de 2 tiempos: 2T, el ciclo consta de 2 etapas: la admisión - compresión, y la segunda es la expansión escape. Ciclomotor, motosierra, 1.3.EL MOTOR DE EXPLOSIÓN DE 4T. PARTES Y FUNCIONAMIENTO: El motor es un motor térmico que funciona mediante combustión interna con ciclo provocado y de 4 etapas que son: Admisión, Compresión, Expansión o explosión Escape FUNCIONAMIENTO: Para explicar el funcionamiento deberemos definir: Punto Muerto (PM): Puntos en la carrera del pistón que se mueve por inercia, siendo el PMS, punto muerto superior cuando el pistón está en la parte superior del cilindro, y PMI, punto muerto inferior cuando el pistón se encuentra en la parte inferior del cilindro)

5 Ciclo teórico del motor: El ciclo teórico de un motor 4T se comporta termodinámicamente como una aproximación al ciclo de Otto. Se analiza en un diagrama presión-volumen. Teniendo en cuenta tres variables que son la presión en el interior del cilindro, el volumen, y la temperatura de la mezcla.

6 Durante la carrera de admisión, el sistema evoluciona desde el punto 0 al 1, la mezcla aspirada se encuentra a la presión P 1 que es igual a la atmosférica y a la temperatura exterior ambiente (T 1 ) el volumen del cilindro aumenta de V 0 a V 1 es por lo tanto un proceso de isóbaro. -En la carrera de compresión, el sistema evoluciona desde el punto 1 al 2 la compresión hace disminuir el volumen de V 1 a V 0 y la presión aumentan de P 1 a P 2 el proceso se hace con la suficiente rapidez como para considerarlo adiabático (no hay variación de calor). Explosión: -En el punto 2 se realiza el encendido de la mezcla, el sistema evoluciona de 2 a 3 la combustión, hace que tanto la presión como la temperatura aumenten considerablemente, y se produce una cesión de calor Q 1 del combustible al motor, Este proceso es isócoro (el volumen no varía). -Durante la carera de expansión, el sistema pasa del punto 3 al 4 los gases de la combustión se expanden pasando a ocupar un volumen V 1 la presión disminuye y el proceso se hace con la suficiente rapidez como para considerarlo adiabático (no hay variación calor). Escape: -En el punto 4 se abre la válvula de escape, el sistema evoluciona de 4 a 1 la presión a y la temperatura descienden a los valores iníciales y el motor cede calor al exterior Q 2, el proceso es isócoro (a volumen constante) -Durante la carrera de escape el sistema pasa del punto 1 al 0 cerrando el ciclo, los residuos de la combustión son expulsados al exterior, el volumen del cilindro disminuye de V 1 a V 0, este proceso es isóbaro e isotérmo. CONCLUSIONES: ANÁLISIS DEL CICLO. 1. Es un ciclo cerrado ya que de parte de unas condiciones iniciales iniciales de P,V, T se regresa a las mismas condiciones. 2. Se produce un aporte calórico Q 1, del combustible al motor y una cesión de calor Q 2 del motor al exterior. 3. La diferencia de energía aportada y la cedida, se transforma en trabajo mecánico. Que se manifiesta en la carrera de expansión. 4. El bajo rendimiento de los motores de gasolina, se debe a 5 factores: 1..-La combustión, no suele ser completa, y siempre se produce algo de monóxido de carbono. No utilizamos todo el aporte calorífico, solo usamos un 99,7%. 2..-Los gases del escape, son expulsados a una temperatura muy elevada, con lo que se pierde aproximadamente un 25% de calor. 3..-Existe intercambio de calor entre las paredes y el motor, lo cual obliga a refrigerar estas. Se puede observar que los procesos no son puramente adiabáticos, ya que el motor se calienta. Perdemos aprox. 25% del calor. 4..-La combustión no se de forma instantánea y tiene lugar con un pequeño aumento del volumen. Esto nos informa que el proceso isócoro no es realmente isócoro. Un 0.8% de

7 pérdidas. Para corregirlo lo que se hace es un avance de encendido que consiste en provocar la explosión, un poco antes de que el pistón complete su segunda carrera El motor irradia energía debido a su temperatura. Perdemos un 25%.realiza La siguiente gráfica muestra el ciclo real de un motor de explosión en comparación con el ciclo Otto teórico.

8 1.4.-MOTOR DE EXPLOSIÓN DE DOS TIEMPOS (2T) Se trata de un motor térmico de combustión interna con encendido provocado y con un proceso de dos tiempos también llamado dos carreras. Un motor de 2T no lleva válvulas de admisión ni de escape, sino dos conductos llamados lumbreras de admisión (La) y de escape (Le). La mezcla de combustible y de aire no entra directamente al cilindro, pasa primero por el carter donde es aspirada por la lumbrera de admisión y de aquí pasa al cilindro mediante la lumbrera de carga (Lc). FUNCIONAMIENTO: Este motor consta de las mismas fases que el de 4T, pero lo realiza en dos carreras del pistón. Lc Le La 1. Comienza con el pistón en la parte inferior. La forma de la cabeza del pistón obliga a la mezcla a ir hacia arriba, para evitar que se salga por la lumbrera de escape. 2. Al subir un poco el pistón, se cierran las lumbreras y empieza la compresión de la mezcla. En el cárter empieza a producirse un vacío. 3. Al subir un poco más el pistón, se sigue comprimiendo la mezcla y se abre la lumbrera de admisión, empezando a entrar mezcla en el cárter. 4. Cuando llega el pistón arriba, se produce la máxima compresión de la mezcla y salta la chispa en la bujía. 4. Comienza con el pistón en la parte superior, la mezcla está al máximo de compresión y salta la chispa en la bujía. 5. La combustión de la mezcla produce un aumento brusco de presión que empuja con fuerza el pistón hacia abajo. Se cierra la lumbrera de admisión y empieza la compresión de la mezcla que ha estado entrando en el cárter. 6. Sigue bajando el pistón y empiezan a abrirse las lumbreras de carga y de escape. Por la de carga empieza a entrar la mezcla comprimida en el cilindro y por la de escape salen los gases de combustión. 7. Al llegar el pistón a su punto más bajo, sigue entrando mezcla por la lumbrera de carga y saliendo gases de combustión por la de escape.

9 Ventajas, inconvenientes y aplicaciones: Ventajas: 1.-Sencillez de construcción, no llega árbol de levas, ni correa de distribución. 2.-Se suprimen las válvulas que siempre están sometidas a un desgaste. 3.-Mayor potencia, el motor 2T efectúa trabajo útil cada vuelta del cigüeñal. 4.-Mayor funcionamiento de la transmisión. 5.-Refrigerada con aire. Auto lubricadas Inconvenientes: 1.-Menor rendimiento mecánico. 2.-Mayor temperatura de funcionamiento ya que la frecuencia de combustión de la mezcla es mayor. 3.-Mayor desgaste de sus órganos. 4.-Mayores niveles de contaminación. Aplicaciones: 1.-En pequeños motores, lanchas fuera borda, motocicletas, compresores de aire, etc. Porque son motores sencillos de bajo coste, van refrigerados al aire, y además están autolubricadas mediante aditivos en la mezcla. 2.-Para grandes motores de embarcaciones de gran potencia. Si lo que nos interesa es mucha potencia y no nos importa el consumo, se utilizan estos motores. 1.5 EL MOTOR DIESEL. FUNCIONAMIENTO, CICLO TEÓRICO, VENTAJAS E INCONVENIENTES. Este motor fue diseñado por el Ingeniero Alemán Rudolf Diesel en Se trata de un motor térmico de combustión interna con encendido por compresión (MEC) y que puede funcionar con 2T y con 4T. La diferencia fundamental con el de explosión, es que carece de bujías y en su lugar lleva unos inyectores de combustible El funcionamiento de un motor diesel 4T de inyección directa (ID), Los cuatro tiempos del motor diesel son los siguientes: - Admisión: el pistón desciende desde el PMS arrastrado por el cigüeñal, el cilindro se llenara sólo de aire a través de la válvula de admisión. Cuando el pistón llega la PMI termina la 1º carrera, el cigüeñal ha girado 180º y la válvula de admisión se cierra. -.Compresión: el pistón asciende desde el PMI al PMS arrastrado por el movimiento de cigüeñal, el aire se comprime en el interior del cilindro y alcanza una gran presión y elevada temperatura. Cuando el pistón llega al PMS se inyecta el combustible este al entrar en contacto con el aire caliente se autoinflama y se produce la combustión, el cigüeñal gira 180º y se termina la 2º carrera. -.Expansión: el pistón es bruscamente empujado hacia el PMI por el efecto de la presión, el pistón arrastra al cigüeñal, realizandose trabajo útil. El cigüeñal gira 180º y concluye la 3º carrera. -Escape: el pistón se desplaza desde el PMI hasta el PMS arrastrado por el movimiento de cigüeñal, la válvula de escape se abre y salen los gases quemados, al llegar la PMS concluye la 4º

10 carrera, y el cigüeñal gira otros 180º, y comienza un nueva ciclo. Ciclo teórico Diesel. Durante la carrera de admisión, el sistema evoluciona desde el punto 0 al 1, la mezcla aspirada se encuentra a la presión P1 que es igual a la atmosférica y a la temperatura exterior ambiente (T1) el volumen del cilindro aumenta de V0 a V1 es por lo tanto un proceso de isóbaro Compresión adiabática: Se realiza en la carrera de compresión de 1 a 2, el aire se comprime obteniéndose mayores presiones que en el de explosión. Pues no hay peligro de que la mezcla detone, el proceso es adiabático (sin variación de calor). Encendido por compresión; En el punto 2, al inyectar el combustible, éste se inflama aumentando considerablemente la temperatura, pasando al punto 3, es un proceso isóbaro. Carrera de expansión; En el punto 3 el pistón desciende bruscamente aumentando el volumen (punto 3) disminuyendo la presión y cediendo trabajo al exterior, este proceso es adiabático. Escape, En el punto 4, al abrirse la válvula de

11 escape, se produce un descenso de la presión y un intercambio de calor con el exterior (el calor se pierde con los gases de la combustión, el proceso es isócoro. Durante la carrera de escape el sistema pasa del punto 1 al 0 cerrando el ciclo, los residuos de la combustión son expulsados al exterior, el volumen del cilindro disminuye de V1 a V0, este proceso es isóbaro e isotermo Ventajas frente al motor de explosión 4T: 1.-Mayor rendimiento térmico. Mayor cantidad de calor transformado en trabajo mecánico. 2.-Menor consumo y menos coste del combustible. 3.-Mayor duración de la vida del motor. Inconvenientes: 1.-Es un motor más pesado, no solo porque la cámara es mayor, sino porque tiene que soportar mayores presiones, etc y las paredes son mayores. 2.-Mayor coste de producción. 3.-Mayor ruido por fuertes explosiones SOBREALIMENTACIÓN. EL MOTOR TURBO. El motor turbo permite obtener una mayor potencia de un motor de explosión o diesel sobrealimentando los cilindros con combustible. Para conseguirlo es necesario introducir más aire, para poder quemar, el exceso de combustible y para hacerlo, hay que comprimirlo mediante un compresor. Este compresor funciona a expensas de una energía que si la sacamos del motor disminuirá su rendimiento, para ello, se emplea la energía que poseen los escapes de la combustión mediante una turbina, el termino turbo, significa turbina-compresor. No obstante hay un problema que es la excesiva temperatura a la que salen los gases, esto es perjudicial. Por lo tanto se introduce un intercambiador de calor intercooler a la salida del compresor para enfriar los gases antes de que entren en el motor

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