MOTORES DE COMBUSTION INTERNA ALTERNATIVOS

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1 MOTORES DE COMBUSTION INTERNA ALTERNATIVOS Prof. Jesús O. Araque M. Prof. Simón Fygueroa S. Mérida, Diciembre

2 MOTORES DE COMBUSTION INTERNA ALTERNATIVOS Prof. Jesús O. Araque M. Prof. Simón Fygueroa S. Mérida, Diciembre

3 INTRODUCCION El máximo aprovechamiento de energía en los motores de combustión interna constituye uno de los metas mas importantes buscadas por los investigadores en esta área. La complejidad de este proceso se asocia a la gran cantidad de variables involucradas en el momento de la combustión de la mezcla en el interior del cilindro. Empleando un combustible apropiado la influencia mayor sobre el desarrollo adecuado del proceso de combustión la tiene el proceso de formación de la mezcla de trabajo, el cual dependiendo del tipo de motor tiene mayores o menores exigencias, de manera que cuando el volumen en la cámara de combustión corresponda aproximadamente al de la máxima compresión ocurra el encendido de la mezcla. Adicionalmente, los requerimientos ambientales establecen limites de riqueza de las mezclas combustibles aire para controlar la expulsión de contaminantes como: CO, HC y NOx. De manera los diseños de los sistemas de alimentación de aire y combustible deben asegurar un suministro que cumpla con máxima potencia y mínima contaminación. 2

4 El presente material sobre MCIA esta diseñado para mostrar el recorrido del fluido de trabajo desde que entra al sistema de admisión, se quema en la cámara de combustión y es expulsado al medio ambiente. Con la intención de ir envolviendo al estudiante en este complejo proceso primeramente el material del tema I se organizó para dar una introducción general sobre aprovechamiento de energía en motores, haciendo mención a todos los sistemas del motor: alimentación y escape, encendido, lubricación y enfriamiento. En los temas II, III y IV el estudiante maneja todo lo concerniente al cálculo de las propiedades del fluido de trabajo pasando desde un fluido ideal hasta mezclas combustible aire con propiedades similares a las empleadas en motores reales. Esta teoría le permite calcular aspectos sobre el proceso de combustión como: eficiencia de la combustión, poder calorífico y temperatura de llama adiabática. En el tema V se caracteriza el funcionamiento real del motor a través del estudio de los diagramas p-v, tomando en cuenta las pérdidas asociadas a fricción mecánica y transferencia de calor. 3

5 Se presenta el tema VI donde se imparte al estudiante la teoría básica para la determinación de la potencia efectiva que se puede obtener en el eje del motor, indicándole la metodología práctica empleada para tal en bancos de ensayo. En el tema VII se estudian los detalles del proceso de intercambio de gases, enfatizando en los factores que afectan mayormente el llenado del cilindro con la carga de aire fresco, se muestra la influencia de los colectores de admisión y escape, así como de los arreglos en el numero de válvulas de admisión y escape. Para reforzar el conocimiento del estudiante en los aspectos propios del proceso de combustión se ha incluido en el tema VIII alguna teoría relacionada con el aspecto cinético de las reacciones químicas y su importancia en la formación de las especies químicas. Finalmente, para tratar de juntar todos los conocimientos impartidos en los temas anteriores se presenta el tema IX relacionado con la teoría del modelado en MCIA, donde el estudiante tiene la oportunidad de estudiar y modelar matemáticamente los diversos procesos que ocurren en los motores. 4

6 CONTENIDO PROGRAMATICO TEMA I. TEMA II. TEMA III. TEMA IV. TEMA V. TEMA VI. TEMA VII. TEMA VIII. TEMA IX. Generalidades sobre los MCIA. Ciclos ideales de MCIA. Termodinámica de la combustión en MCIA. Ciclos combustible aire. Ciclo real de MCIA. Ensayos de MCIA. El proceso de intercambio de gases en MCIA. Cinética química de la combustión en MCIA. Modelado en MCIA. 5

7 TEMA I GENERALIDADES SOBRE LOS MCIA 6

8 CONTENIDO Clasificación de las máquinas. Motores térmicos de combustión externa e interna. Características de trabajo de MCIA Clasificación de MCIA según: ciclo termodinámico, ciclo de trabajo, campo de aplicación, tipo de combustible, tipo de formación de mezcla, proceso de combustión, presión de alimentación, método de regulación de la carga y estructura del motor Parámetros fundamentales de MCIA: geométricos, cinemáticos y motorísticos. Conceptos básicos: presión media, potencia, rendimiento y consumo específico Características típicas de MECH y MEC Sistemas del Motor: alimentación y escape, lubricación, enfriamiento y encendido Estructura del motor: árbol de levas, árbol de balancines, válvulas y resortes, cilindros, pistones, biela, cigüeñal. Orden de Encendido 7

9 CLASIFICACION DE LAS MAQUINAS DE FLUIDO MAQUINAS ELECTRICAS HERRAMIENTAS INDUSTRIALES 8

10 CLASIFICACION DE LAS MAQUINAS DE FLUIDO ALTERNATIVAS Máquinas de vapor, HIDRAULICAS MCIA, motor Stirling. VOLUMETRICOS MOTORAS ROTATIVAS Motor Wankel TURBOMAQUINAS Turbina de vapor y gas TERMICAS GENERADORAS VOLUMETRICOS ALTERNATIVAS Compresores de pistón ROTATIVAS Compresores rotativos TURBOMAQUINAS Turbocompresores 9

11 DEFINICION DE MOTOR TERMICO ES UN CONJUNTO DE ELEMENTOS QUE PERMITEN OBTENER ENERGIA MECANICA A PARTIR DEL ESTADO TERMICO DE UN FLUIDO DE TABAJO ENERGIA MECANICA : EN UN EJE EN MCIA ESTADO TERMICO : ENERGIA DE PRESION: COMPRESIBILIDAD ENERGIA INTERNA: TEMPERATURA 10

12 CONVERSION DE DIVERSOS TIPOS DE ENERGIA ENERGIA MECANICA (NATURAL / NO NATURAL) 1 ENERGIA ELECTRICA 6 ENERGIA ASOCIADA A LA MATERIA QUIMICA NUCLEAR Motor Térmico ESTADOS TERMICOS (NATURALES / NO NATURALES) Fig. 1 Representación esquemática de la transformación de un tipo de energía en otro 1. Interconversión mecánica-eléctrica: (motores y generadores) 2. Conversión química-eléctrica: (célula de combustible, batería, pila) 3. Conversión térmica-eléctrica: (celda fotovoltaica, generador termoeléctrico ) 4. Conversión nuclear-térmica: (reactor nuclear ) 5. Conversión química-térmica: (combustión ) 6. Conversión eléctrica-química: (electrólisis ) 7. Conversión térmica-mecánica: (motor térmico ) 11

13 EL MOTOR TERMICO Y LA CONVERSION DE ENERGIA Conversión de Energía Directa Indirecta Fuente Trabajo Fuente Mec. Transformador Trabajo E. Solar E. Eléctrica Combustible MCIA Potencia Fig. 2 Conversión directa e indirecta de energía 12

14 CLASIFICACION DE LOS MOTORES TERMICOS 1. MOTORES DE COMBUSTION EXTERNA Fluido condensable Turbomáquinas - Turbina de vapor Rotativos Volumétricos - No desarrollados Alternativos - Máquinas de vapor Reacción - No desarrollados VAPOR Fluido no condensable Turbomáquinas - Turbinas de gas de Rotativos ciclo cerrado Volumétricos - No desarrollados Alternativos - Motor de aire caliente Reacción - No desarrollados Fig. 3 Combustión externa 13

15 CLASIFICACION DE LOS MOTORES TERMICOS 2. MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Rotativos Turbomáquinas - Turbina de gas de ciclo abierto Volumétricos - Motores Rotativos Alternativos Encendido por chispa (MECH) - Gasolina, GLP Encendido por compresión (MEC) - Diesel Cohetes Propulsante líquido Propulsante sólido Reacción Aerorreactores Sin compresor Con compresor Estatorreactor Pulsorreactor Turborreactor Turbofán Turbohélice Fig. 4 Combustión interna 14

16 CARACTERISTICAS DE TRABAJO DE MCIA VENTAJAS: Combustible de alto poder calorífico Rendimiento térmico aceptable (< 50%) Amplio rango de potencia ( kw) Grado de carga modificable fácilmente Potencia especifica elevada Variada disposición constructiva DESVENTAJAS: Combustibles derivados del petróleo Contaminación química y acústica COMPETITIVIDAD: Motor eléctrico Turbina de gas Motor rotativo 15

17 CLASIFICACION DE MCIA 1. Ciclo termodinámico 2. Ciclo de trabajo 3. Campo de aplicación 4. Combustible usado MCIA 5. Formación de la mezcla 6. Encendido de la mezcla 7. Presión de alimentación 8. Tipo de regulación 9. Estructura 16

18 1. CICLO TERMODINAMICO OTTO (MECH, Motor de gasolina) p p DIESEL (MEC, Diesel lento) p PMS PMI p V MIXTO (MEC, Diesel rápido) p p V Fig. 5 Diagramas pv teórico y real de MCIA V 17

19 2. CICLO DE TRABAJO Admisión Compresión Escape Expansión Válvula CUATRO TIEMPOS (4T) Emplean cuatro carreras o dos vueltas del eje del motor para completar el ciclo termodinámico (j = 4 carreras/ciclo) Pistón Cilindro DOS TIEMPOS (2T) Emplean dos carreras o una vuelta del eje del motor para completar el ciclo termodinamico (j = 2 carreras/ciclo) Lumbrera Pistón Cilindro Fig. 6 Ciclo de trabajo de MCIA 18

20 3. CAMPO DE APLICACION MOTORES ESTACIONARIOS n n n Generadores de electricidad Accionamiento industrial Accionamiento rural CULATA CILINDRO BASTIDOR BANCADA MOTORES DE AUTOMOCION n n n n n n Transporte por carretera Maquinaria para obras publicas Maquinaria agrícola Propulsión marina Propulsión ferroviaria Propulsión aérea PISTON BLOQUE EJE Fig. 7 Campo de aplicación de MCIA 19

21 4. COMBUSTIBLE LIQUIDO Liviano: gasolina, kerosén, etc Pesado: gasoil, fueloil, etc. GASEOSO Hidrocarburo: gas natural, GLP Elemento: hidrógeno MIXTO Gasolina y gas MULTIPLE Gasolina o gas 20

22 5. FORMACION DE MEZCLA Combustible Aire Chispa Mezcla a) b) c) Fig. 8 Tipos de formación de mezcla en MCIA: a) Interna, b) Externa, c) Estratificada 21

23 6. ENCENDIDO DE LA MEZCLA POR CHISPA: MECH Motor Otto Motor de Explosión, Motor de Gasolina Chispa Combustible + aire POR COMPRESION: MEC Motor Diesel Combustible Aire Fig. 9 Métodos de encendido de la mezcla 22

24 7. PRESION DE ALIMENTACION ADMISION NORMAL: AN Se refiere a motores que aspiran el aire a p y T del sitio de trabajo, los valores normalizados son: p = 100 kpa y T = 25 ºC. Admisión Escape SOBREALIMENTADOS: SA Se refiere a motores que toman aire a p y T diferentes de las del sitio de trabajo. Normalmente estos valores corresponden a la p y T a la salida de un compresor. - Si el compresor es movido por el motor: SA mecánica. Enfriador - Si el compresor es accionado por una turbina de gases: Turboalimentación. Compresor Turbina Fig. 10 Características de alimentación 23

25 8. REGULACION AL VARIAR LA CARGA REGULACION CUALITATIVA Son motores donde la cantidad de aire que entra al cilindro se mantiene constante y la cantidad de combustible varía. (varía la composición de la mezcla). Combustible Aire Aire REGULACION CUANTITATIVA Son motores donde la composición de la mezcla se mantiene constante y se varía la cantidad de la misma. Chispa Combustible/aire Aire REGULACION MIXTA Son motores donde varía tanto la cantidad como composición de la mezcla. Depósito Mezcla Fig. 11 Métodos de regulación de la carga 24

26 9. ESTRUCTURA DEL MOTOR DISPOSICION DE LOS CILINDROS En Línea En V En Δ En Estrella Otros EN LINEA EN V OPUESTO EN ESTRELLA Fig. 12 Configuración geométrica de MCIA 25

27 DISPOSICION DE LOS PISTONES PISTON SIMPLE Motor con arreglo: cilindro, pistón y una cámara de combustión. CC CC PISTONES ENFRENTADOS Motor con arreglo: cilindro, dos pistones y una cámara de combustión intermedia. Simple CC PISTON DE DOBLE EFECTO Motor con arreglo: cilindro, pistón y cámaras de combustión a ambos lados. CC Enfrentados Doble efecto Fig. 13 Disposiciones de pistones 26

28 PARAMETROS FUNDAMENTALES DE MCIA 1. GEOMETRICOS D p c c / D p i A P V D DIAMETRO DEL PISTON CARRERA DEL PISTON RELACION CARRERA DIAMETRO MECH automoción MEC automoción MEC 4T lentos MEC 2T lentos NUMERO DE CILINDROS MECH motocicletas 1-4 MECH automóviles 2-6 en línea, 6-8 en V MEC camiones 4-6 en línea, 6-10 en V MEC marinos, ferroviarios y estacionarios 1-10 en línea, 8-20 en V AREA DEL PISTON: VOLUMEN DESPLAZADO: A V p πdp = 4 A c D = p V T CILINDRADA: V T = iv D r c RELACION DE COMPRESION: V + V D 2 r c = = V2 V V

29 PARAMETROS FUNDAMENTALES DE MCIA 2. CINEMATICOS n REGIMEN DE GIRO DEL MOTOR (RPM) n (rpm) MECH automoción MECH competición MEC automoción MEC 4T estacionarios, ferroviarios y marinos MEC 2T lentos (marinos) n CICLOS POR SEGUNDO DEL MOTOR 30 j dt u VELOCIDAD LINEAL MEDIA DEL PISTON cn u = 30 u (m / s) MECH turismo MECH deportivos MEC automoción 9-13 MEC 4T estacionarios, marinos y ferroviarios 6-11 MEC 2T lentos 6-7 d 28

30 PARAMETROS FUNDAMENTALES DE MCIA 3. MOTORISTICOS F e REL. COMB. AIRE ESTEQUIOMETRICA: F e = ; gasolina F REL. COMB. AIRE DE LA MEZCLA: F e = ; gasoil mc m C F = = m m a a > 1 : mezcla rica φ REL. COMB. AIRE RELATIVA: F φ = = 1 : mezcla estequiométrica F e < 1 : mezcla pobre Hi PODER CALORIFICO INFERIOR: Hi = kj/kg ; Gasolina Hi = kj/kg ; Diesel 29

31 COMPARACION MOTOR 2T: PEQUEÑO Y GIGANTE Tabla 1. Comparación entre las características de dos motores 2T MOTOR DE MOTOR DIESEL GRANDE / PEQ AEROMODELISMO GIGANTE CARACTERISTICAS EXTENSIVAS DIAMETRO (cm) CARRERA (cm) VOLUMEN DESPLAZADO (cm 3) POTENCIA POR CILINDRO (kw) VELOCIDAD DE GIRO (rpm) PESO POR CILINDRO (N) POTENCIA POR LITRO (KW / l) CARACTERISTICAS COMPARABLES PRESION MEDIA EFECTIVA (kpa) VELOCIDAD MEDIA DEL PISTON (m/ s) POTENCIA EFECTIVA (kw / l) PESO / LITRO (N / l)

32 CONCEPTOS: PRESION MEDIA Y POTENCIA TRABAJO INDICADO POTENCIA INDICADA PRESION MEDIA INDICADA TRABAJO DE BOMBEO PRESION MEDIA DE BOMBEO TRABAJO EFECTIVO POTENCIA EFECTIVA PRESION MEDIA EFECTIVA W = p( V ) dv i abca n W=W i i 30j Wi pmi = V D W = p( V) dv B cdac W pmb = V W e = W i B D W pm W pm = WB + WR + W n W=W e e 30j W pme= V e D A Fig. 14 Diagrama pv de MCIA pme (kpa) MECH turismo MECH deportivo MEC automoción MEC 2T lentos

33 CONCEPTOS: RENDIMIENTO Y CONSUMO ESPECIFICO RENDIMIENTO INDICADO RENDIMIENTO EFECTIVO ηe W i ηi = m H c W e ηe = m H c i i MECH MEC RENDIMIENTO MECANICO ηm MECH MEC CONSUMO ESPECIFICO EFECTIVO DE COMBUSTIBLE ge (g/kw h) MECH MEC W = pme e η m = = Wi pmi g e m = W c e 1 = η H e i ηe η i 32

34 CARACTERISTICAS TIPICAS DE MECH Y MEC 1. FORMACION DE LA MEZCLA MECH : múltiple de admisión y cc MEC : cc 2. REGULACION DE LA CARGA MECH : cuantitativa MEC : cualitativa 3. COMBUSTIBLE MECH : volátil, resistente al autoencendido MEC : pesado, de fácil autoencendido 4. RIQUEZA DE LA MEZCLA MECH : próximo al estequiométrico, (0.85 < φ < 1.2) MEC : inferior al estequiométrico, φ < POTENCIA ESPECIFICA MECH > MEC 33

35 SISTEMAS DEL MOTOR ALIMENTACION Y ESCAPE Permite el intercambio de gases entre el cilindro del motor y su alrededor. Sus componentes son: filtro, carburador, múltiples de admisión y escape, válvulas de admisión y escape y silenciador. VA SIST. DE ADMISIÓN VE SIST. DE ESCAPE CILINDRO LUBRICACION Permite disminuir la fricción entre piezas, ayudar el enfriamiento y colaborar con la limpieza del motor. Sus componentes son: depósito, tamiz, bomba, filtro y tuberías TUBERIA BOMBA FILTRO DEPOSITO Fig. 15 Sistemas de alimentación y lubricación 34

36 SISTEMAS DEL MOTOR ENCENDIDO En MECH proporciona el salto de chispa que enciende la mezcla airecombustible. Sus componentes son: batería, botón de encendido, bobina, distribuidor, platinos, condensador, cables y bujías. BUJIA BATERIA DISTRIBUIDOR PLATINOS BOBINA CONDENSADOR Fig. 16 Sistema de encendido convencional 35

37 SISTEMAS DEL MOTOR ENFRIAMIENTO Mantiene mediante circulación de un fluido una temperatura de pared acorde con las exigencias de trabajo. Sus componentes son: radiador, conexiones, bomba, camisas y tuberías, termostato y ventilador. POR LIQUIDO Utilizan canales, camisas, a través de los cuales pasa agua forzada por una bomba. El agua caliente se enfría en el radiador. POR AIRE Utilizan extensiones del metal, aletas, a través de las cuales el aire pasa movido con ventiladores. AIRE CALIENTE RADIADOR BOMBA CAMISA AIRE FRIO AGUA FRIA ALETAS Fig. 17 Sistema de enfriamiento 36

38 PARTES DEL MOTOR MECANISMO DE DISTRIBUCION Permite en forma sincronizada la entrada de mezcla fresca al cilindro y una vez desarrollada la potencia realiza la expulsión de los gases quemados. Sus componentes son: árbol de levas, varillas, válvulas, árbol de balancines y resortes. VALVULAS BALANCIN VARILLA EMPUJADORA TAQUETES ARBOL DE LEVAS Recibe movimiento del eje del motor y por medio de levas realiza el levantamiento de las válvulas. Sus partes son: la cremallera para acople al cigüeñal, las levas, el piñón del distribuidor y la leva de la bomba de gasolina. CREMALLERA LEVAS PIÑON Fig. 18 Mecanismo de distribución 37

39 PARTES DEL MOTOR SISTEMA DE DISTRIBUCION Regula la entrada de mezcla fresca al cilindro y la salida de los gases quemados al exterior mediante válvulas o ventanas. VALVULAS EN 4T Utilizan una de admisión y otra de escape, su apertura y cierre se sincronizan con la posición del pistón en el cilindro, mediante el árbol de levas, los taquetes, las varillas empujadoras y el árbol de balancines. LUMBRERAS EN 2T Son ventanas hechas en las paredes del cilindro, cuya apertura y cierre es controlada por el pistón en su movimiento alternativo. LUMBRERAS VALVULAS Fig. 19 Intercambio de gases 38

40 PARTES DEL MOTOR ARBOL DE BALANCINES Recibe movimiento del árbol de levas para accionar las válvulas. La holgura entre el balancín y el pie de las válvulas permite la dilatación térmica, asegurando: hermeticidad, disminución de ruidos y alargando la vida del asiento. VALVULAS Y RESORTES Permiten la comunicación entre el cilindro y el exterior, son de dos tipos: admisión y escape. Las válvulas tienen las siguientes partes: cara, asiento, cuello, cuerpo y ranura. Se mantienen fijas contra su asiento gracias al empleo de resortes. Fig. 20 Arbol de balancines y válvulas 39

41 ESTRUCTURA DEL MOTOR MECANISMO ALTERNATIVO Pistón Cruceta ANILLOS PISTON PISTON Centrado Excéntrico BIELA CRUCETA Fig. 21 Mecanismo alternativo 40

42 ESTRUCTURA DEL MOTOR CILINDROS En su interior se deslizan alternativamente los pistones, son de dos tipos: integrales y camisas. Las camisas son secas o húmedas dependiendo si el fluido refrigerante entra o no en contacto con el exterior de la misma. PISTONES Son las piezas del motor sometidas al mayor esfuerzo mecánico ya que transmiten la fuerza de explosión de los gases a través de la biela al eje. En un pistón se tiene: la cara, la zona ranural, los hombros, las nervaduras y la falda. Anillos montados en la zona ranural junto con una película de aceite en las paredes del cilindro aseguran la hermeticidad de la cc. CILINDROS Fig. 22 Cilindros y pistones 41

43 PIEZAS PRINCIPALES DEL MCIA ANILLOS CARA NERVADURAS BIELA PISTON ZONA RANURAL CABEZA FALDA BULON RANURA a) b) Fig. 23 a) Conjunto biela - pistón anillos. b) Partes del pistón HOMBRO 42

44 PIEZAS PRINCIPALES DEL MCIA BIELA Varilla metálica que conecta el pistón con el eje del motor permitiendo la transformación del movimiento alternativo lineal en el cilindro en rotativo continuo en el cigüeñal. La biela consta de las siguientes partes: pie, cuerpo y cabeza. CIGUEÑAL Es una pieza robusta y balanceada que recibe las explosiones de cada cilindro. El orden de encendido establecido en el motor le asegura al cigüeñal un tiempo suficiente para recuperarse del esfuerzo de torsión al que es sometido. En el cigüeñal se distinguen: volante de inercia, apoyos de biela y bancada, contrapesos y absorvedor de vibraciones. PIE CUERPO CABEZA VOLANTE APOYOS: BIELA Y BANCADA CONTRAPESO Fig. 24 Biela y eje del motor 43

45 ORDEN DE ENCENDIDO - 4 cilindros en línea ( ) Compresión 2 Expansión 3 Admisión 4 Escape - 6 cilindros en línea ( ) Expansión (i) 2 Escape (i) 3 Admisión (f) 4 Expansión (f) 5 Compresión (i) 6 Admisión (i) Fig. 25 Distribución del orden de encendido 44

46 ORDEN DE ENCENDIDO 8 8 L ( ) V L V ( ) ( ) 2-5 Fig. 26 Ejes de motores indicando el orden de encendido en cada pistón

47 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1. Arias Paz Manual de Automóviles. Editorial Dossat Fygueroa S. y Araque J. Problemas de Motores de Combustión Interna Heywood, J. B. Internal Combustion Engines Fundamentals. Mc. GrawHill Jovaj, M. S. Motores de Automóvil. Editorial MIR Lukanin, V. N. Motores de Combustión Interna. Editorial MIR Obert, E. F. Internal Combustion Engines Taylor, C. F. The Internal Combustion Engine in Theory and Practice