INTRODUCCIÓN A LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS

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1 Introducción. Elementos Constructivos. Clasificación INTRODUCCIÓN A LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS INTRODUCCIÓN A LOS MOTORES TÉRMICOS MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVO CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS DE LOS M.C.I.A. CLASIFICACIÓN DE LOS M.C.I.A. Página 1

2 Introducción. Elementos Constructivos. Clasificación INTRODUCCIÓN A LOS MOTORES TÉRMCOS Definición de Motor Térmico: Conjunto de máquinas Transforma Energía Térmica en Mecánica Q W Sometiendo a un fluido compresible a un ciclo termodinámico. MOTOR TÉRMICO Combustión Interna Se aporta calor mediante un proceso de combustión en el seno del fluido Ciclo abierto Motor de combustión interna rotativo (Wankell) Combustión externa Se aporta el calor al fluido mediante un sistema de intercambio de calor Habitualmente ciclo cerrado Maquina de vapor (ciclo abierto) Motor de combustión interna alternativo: Transporte: terrestre y aéreo (pequeña potencia) Energía mecánica y eléctrica Turbina de gas Habitualmente combustión interna. Aviación y producción de electricidad Motor Stirgling (motor alternativo) pequeña potencia Turbina de Vapor Producción de electricidad Turbina de Vapor Turbina de Gas Motor de Combustión Interna alternativo 0.1 kw 1 kw 10 kw 100 kw 1 MW 10 MW 100 MW 1 GW 10 GW Página 2

3 Introducción. Elementos Constructivos. Clasificación MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVO 25 Admisión Compresión Combustión Expansión Escape 20 Presión (bar) Presión ambiente Combustión Arrastrado Ángulo (º) Foco caliente: Combustión Qent Q ent Presión Went Wsal W bombeo Qsal W ent MOTOR TÉRMICO Q sal W sal Volumen Foco frío: ambiente RENDIMIENTO TERMICO DEL MOTOR ciclo Wsal W Q ent ent Qent Q Q ent sal Carnot T 1 T amb comb Página 3

4 Introducción. Elementos Constructivos. Clasificación CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LOS M.C.I.A. El gran desarrollo de los motores de combustión interna alternativos se debe a una serie de características entre las que se pueden destacar. Posibilidad de poder quemar combustibles líquidos de elevado poder calorífico (posibilidad de transportar mucha energía con muy poco peso). Esta característica les hace muy importantes en el campo de la automoción ya que condiciona la autonomía del vehículo. Les permite competir con ventaja frente a los vehículos eléctricos los cuales la energía almacenada en la batería pesa mucho más. Rendimiento térmico aceptable, dependiente del tamaño del motor pero que se mantiene bastante acotado para diferentes grados de carga y regímenes. Esta característica es de gran importancia en todas las aplicaciones en las que la potencia que se necesite no sea constante. Cuando esta condición junto con la autonomía son determinantes los M.C.I.A. no tienen competidores. Amplio campo de potencias desde 0.1 kw hasta 32 MW Su campo de aplicación va desde modelismo hasta grandes motores marinos o estacionarios. Página 4

5 Introducción. Elementos Constructivos. Clasificación ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS DE LOS M.C.I.A. CILINDRO Conduce al pistón en su movimiento y es el elemento central del sistema de compresión. BLOQUE DE CILINDROS Y BANCADA Sobre el bloque se apoyan las demás partes del motor por lo que su rigidez es esencial para el buen funcionamiento del motor. El bloque debe poseer de conductos interiores para llevar el aceite a presión a los diferentes cojinetes que soportan el cigüeñal así como conductos para llevar el aceite a la culata que a su vez tiene conductos para llevar el aceite al árbol de levas o de balancines. CULATA Es la pieza del motor de diseño más complejo por la cantidad de funciones y requerimientos que debe cumplir. Puede haber una para todos los cilindros (motores pequeños), o una para cada cilindro o par de cilindros (motores más grandes). La culata por lo general tiene que alojar los siguientes elementos: Conductos de admisión y de escape (pipas de admisión y escape): estos conductos empalman con los colectores de admisión y escape Asientos de Válvula: suelen ser postizos de material duro y resistente al choque. Guías de válvulas: Es la pieza sobre la cual desliza la válvula, suele ser de aleaciones especiales y mecanizadas con gran precisión para conseguir un buen centrado y mínimas fugas: Página 5

6 Introducción. Elementos Constructivos. Clasificación Circuitos de refrigeración: tienen que ser de tal manera que minimicen las tensiones térmicas debidas a grandes diferencias de temperatura entre puntos muy próximos. Junta de culata: sirve para evitar las fugas en la unión entre cilindro y culata, también sirve de junta en las uniones de los conductos de agua y aceite entre bloque y culata. PISTÓN Y SEGMENTOS El pistón transmite la fuerza de los gases a la biela (requerimientos de resistencia mecánica), debe ser lo más estanco posible al paso de gases de combustión al cárter y de aceite del cárter a la cámara de combustión, para ello leva a su alrededor unos aros metálicos que se ajustan al cilindro (segmentos). Por ser piezas móviles deben pesar lo menos posible y es difícil de refrigerar. Segmento de fuego Segmentos de estanqueidad Aceite Segmento Rascador CIGÜEÑAL Y BIELA Se encargan de transformar el movimiento alternativo en rotativo que suministre un par útil. Suele estar fabricados en fundición o forjado y en cualquiera de los dos casos posteriormente mecanizado. En algunos casos, como en los pequeños motores de dos tiempos con barrido por cárter, el cigüeñal consta de dos piezas unidas por un bulón sobre el que se coloca la biela. Página 6

7 Introducción. Elementos Constructivos. Clasificación VÁLVULAS Son las encargadas de controlar el paso de fluido por la cámara de combustión durante el proceso de renovación de la carga. La forma más común de las válvulas es la denominada de plato. La válvula más solicitada es la de escape por que la temperatura del fluido cuando pasa por ella es muy alta. SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN Agrupa a todos los elementos mecánicos que provocan la apertura y cierre de las válvulas, debe estar sincronizado con el movimiento de pistón (cigüeñal) y completa un ciclo de funcionamiento cada dos vueltas del motor (el árbol de levas gira a la mitad de revoluciones que el cigüeñal). Página 7

8 Introducción. Elementos Constructivos. Clasificación ESQUEMA GENERAL DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVO LEVA EJE ÁRBOL DE LEVAS TAPA DE BALANCINES PIPA CULATA VÁLVULA REFRIGERANTE PISTÓN CÁMARA DE COMBUSTIÓN SEGMENTOS JUNTA CULATA BULÓN ACEITE A PRESIÓN BLOQUE MOTOR BIELA CÁRTER CIGÜEÑAL BOMBA DE TAPA DEL CÁRTER ACEITE Página 8

9 Introducción. Elementos Constructivos. Clasificación CLASIFICACIÓN DE LOS M.C.I.A. SEGÚN EL PROCESO DE COMBUSTIÓN Motor de encendido provocado (MEP, motor Otto) Por lo general el combustible entra en el cilindro ya mezclado con el aire. Al final de la compresión se dispone de una mezcla de aire y combustible más o menos homogénea. La combustión se inicia por una causa externa, generalmente una chispa eléctrica. Motor de encendido por compresión (MEC, motor Diesel) El fluido admitido en el cilindro es solo aire sin combustible. Al final de la carrera de compresión (mayor que en los MEP) se inyecta en el cilindro el combustible y debida a las altas temperaturas y presiones el combustible se autoinflama. Página 9

10 Introducción. Elementos Constructivos. Clasificación SEGÚN EL MODO DE REALIZAR EL CICLO Motores de 4 Tiempos Se realiza un ciclo cada dos vueltas del motor. Existen unos procesos diferenciados para renovar el fluido que evoluciona. Motores de 2 Tiempos Se realiza un ciclo cada vuelta del motor. El fluido se renueva mientras el pistón está en la parte inferior de su carrera. Se utiliza para pequeñas potencias (sencillez barrido por carter y potencia específica) y grandes potencias (potencia especifica). En barrido por carter la lubricación se hace con aceite mezclado con el combustible. Página 10

11 Introducción. Elementos Constructivos. Clasificación SEGÚN EL TIPO DE REFRIGERACIÓN La refrigeración es necesaria para acotar la temperatura de ciertas partes del motor. Refrigeración por aire (directa) El calor se transmite directamente al aire a través de unas aletas colocadas en el cilindro. Es más barato y fiable. Es más ruidoso y voluminoso. A veces se usa una soplante para mover al aire. Refrigeración por líquido (indirecta si se usa intercambiador) El motor cede calor al medio refrigerante (casi siempre agua) que actúa como agente intermedio entre el motor y el aire. Se necesita una bomba para mover el refrigerante. El refrigerante suele ser agua con alcoholes para evitar la congelación y aditivos para evitar corrosión. Página 11

12 Introducción. Elementos Constructivos. Clasificación SEGÚN EL NÚMERO Y DISPOSICIÓN DE LOS CILINDROS Tiene influencia sobre el tamaño y la relación de aspecto del motor Cuantos más cilindro, mas caro y mas complicado. SEGÚN LA PRESIÓN DE ADMISIÓN Motor de aspiración natural o atmosférico La presión del aire cuando entra al cilindro es aproximadamente la atmosférica o inferior. Motor sobrealimentado La presión del aire a la entrada en el cilindro es superior a la atmosférica. Esto hace que la masa de aire introducida en el motor sea mayor que en aspiración natural, se puede quemar más combustible (mas potencia) Es necesaria la utilización de un compresor para conseguir esta sobrepresión. Página 12

13 Parámetros Característicos. PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LOS M.C.I.A. CONCEPTO DE DOSADO PARÁMETROS GEOMÉTRICOS PARÁMETROS INDICADOS PARÁMETROS EFECTIVOS PARÁMETROS DE PÉRDIDAS MECÁNICAS RESUMEN DE PARÁMETROS OTROS PARÁMETROS POTENCIA Y PAR EN FUNCIÓN DE LOS PARÁMETROS POTENCIA Y PAR EN FUNCIÓN DEL REGIMEN Página 1

14 Parámetros Característicos. CONCEPTO DE DOSADO Dosado (F) es el parámetro que caracteriza la mezcla aire-combustible: F= Masa Combustible Masa Aire m m f a m m fcc acc m Gasto Másico (Kg/s) x 1 n Z i mcc Masa por Cilindro y Ciclo (Kg) i=número de ciclos por revolución Dosado estequiométrico (Fe) es el dosado que tiene que haber en una mezcla aire combustible para que en la reacción de combustión no sobre aire ni combustible: CnH m m n (O N 2) n CO 2 m 2 H2O m n 3.76 N 4 2 F e 12 n m m n x28 Es una propiedad del combustible Para los combustibles usuales Fe 1/14.5, 1/15.5. Dosado relativo (Fr) o riqueza: 1 Rico (exceso de combustible ) F Fr =1 Estequiometrico Fe 1 Pobre (defecto de combustible) Coeficiente de exceso de aire (): 1 Fr Rangos usuales de dosado relativo: MEC Fr 0.04, 0.7 MEP automoción Fr 0.9, 1.3 MEP industrial Fr 0.6, 0.8 Página 2

15 Parámetros Característicos. PARÁMETROS GEOMÉTRICOS S Carrera Ángulo girado cigüeñal D Diámetro Pistón PMS Punto Muerto Superior ( = 0 ) R Radio muñequilla PMI Punto Muerto Inferior ( = 180 ) L Longitud biela S/D Relación carrera-diámetro PMS PMI D Vc X V VD S=2R L R Ap D 4 2 Ap Área del pistón 2 VD D 4 S VD Volumen desplazado VD VC r VC r Relación de compresión MEC r 12, 23, MEP r 8, 10 V AP X VC X=f(, L, R) VC Volumen cámara de combustión VT Z VD Z Nº de cilindros VT Cilindrada de motor Página 3

16 Parámetros Característicos. PARÁMETROS INDICADOS Son parámetros relacionados con aspectos termodinámicos del ciclo. P = + pmi + VD V VPMS VD VPMI Trabajo indicado (Wi): Es el trabajo que se obtiene en el ciclo durante las carreras de compresión y expansión: Wi P dv Presión media indicada (pmi): Wi pmi VD Potencia indicada (Ni): Wi N i in pmi V 1/ 2 en 4T D n i i = 1 / 1 en 2T Par indicado (Ti): i Ti pmi VD 2 Rendimiento indicado (i): Expresa "la calidad" con que se transforma la energía almacenada en el combustible en energía mecánica sobre el pistón. i Ni mfhc Wi mfcch C pmi V mfcch D C HC Poder calorífico del combustible: Energía que se desprende por unidad de masa de combustible quemado. Página 4

17 Parámetros Característicos. PARÁMETROS EFECTIVOS Parámetros relacionados con aspectos termodinámicos y mecánicos del ciclo. Potencia efectiva (Ne): Es la potencia que se tiene en el eje del cigüeñal. Es de menor valor que la potencia indicada porque esta disminuida por las pérdidas que tienen lugar hasta la salida de fuerza por el cigüeñal. Par efectivo (Te): T e Ne 2 n Presión media efectiva (pme): Ne 2 Te pme n VD i VD i Para un motor dado el par y la presión media efectiva están ligados por la cilindrada. Rango de pme MEP turismos pme MEP deportivos pme MEC automoción pme MEC 4T industriales pme MEC 2T lentos pme max max max max max 8,14 6,16 8.5, , 23 bar bar bar bar 10,15 bar Trabajo efectivo (We): Es el trabajo que se obtiene en el eje del cigüeñal durante un ciclo de trabajo completo. We e N n i Rendimiento efectivo (e): Expresa "la calidad" con que se transforma la energía liberada por el combustible en energía mecánica en el eje (cigüeñal). Ne We pme VD e m f HC mfcc HC mfcc HC Rangos e MEP e 0.25, MEP industriales MEC e0.30, 0.3 e , 0.45 Página 5

18 Parámetros Característicos. PARÁMETROS DE PÉRDIDAS MECÁNICAS Parámetros que relacionan la energía mecánica existente en el pistón con la que se tiene en el cigüeñal a la salida del motor. Estas pérdidas tienen tres orígenes: Pérdidas por fricción. Accionamiento de auxiliares. Pérdidas de bombeo. Potencia absorbida por pérdidas mecánicas (Npm): Npm Ni Ne Presión media de pérdidas mecánicas (pmpm): pmpm pmi pme Par de pérdidas mecánicas (Tpm): Tpm Ti Te Trabajo de pérdidas mecánicas (Wpm): Wpm Wi We Rendimiento mecánico (m): Es la relación entre la energía mecánica que se extrae a través del cigüeñal y la que se obtiene en el pistón. m pme Ne e Te W pmi Ni i Ti W e i Página 6

19 Parámetros Característicos. RESUMEN DE PARÁMETROS i, e y pm INDICADOS: Energía combustible MECÁNICOS: Energía mecánica pistón EFECTIVOS: Energía combustible i e m Energía mecánica sobre el pistón Energía mecánica cigüeñal Energía mecánica cigüeñal e i m Para un motor, conocido el régimen n, el gasto de combustible, el poder calorífico del combustible y uno de los parámetros, es posible obtener el resto. V Dn i Pm (Presión media) mfcch VD c N (Potencia) (Rendimiento) 1 2 n M (Par) 2 i W (Trabajo) 1 mfcc Hc Página 7

20 Parámetros Característicos. OTROS PARÁMETROS (I) Régimen (n): Es la velocidad angular con que gira el cigüeñal. Suelen utilizarse los tres tipos de unidades siguientes. 60 rpm (rev/min) n (rev/s) (rad/s) Velocidad lineal media (Cm): Velocidad media con que se mueve el pistón. Cm 2 S n Rango de Cm a N max MEP turismos Cm 8, 16 m / s MEP deportivos Cm 15, 23 m / s MEC automocion Cm 9, 13 m / s MEC 4T industriales Cm 6, 11 m / s MEC 2T lentos Cm 6, 7 m / s Potencia específica: (puede ser por unidad de masa o volumen) Nf (vol) = N VD N Nf (mas) = mmotor (Potencia por unidad de cilindrada) (Potencia por unidad de masa del motor) Los MEP presentan mayores Nf que los MEC no sobrealimentados. Los motores 2T presentan mayores Nf que los motores 4T. Página 8

21 Parámetros Característicos. OTROS PARÁMETROS (II) Consumo específico (gf): Mide (habitualmente en g/kwh) el consumo de combustible por unidad de potencia extraída. Es un parámetro relacionado con el rendimiento a través del poder calorífico del combustible. Puede ser indicado (gif) o efectivo (gef). m f 1 gf N Hc MEP gef 320, 280 g / kwh Rango de gef MEC gef 280, 180 g / kwh Rendimiento volumétrico (v): Es un indicador del llenado de aire o mezcla del motor, comparándolo con el llenado teórico a una temperatura de referencia. v m VD mcc im V T m ia Densidad del aire en las condiciones de referencia. C Relación entre el volumen ocupado por el aire y el ocupado por la mezcla admitida. ma 1 Va pa C VT p m i a mh mf 1 h F Mf Mf Para combustibles de elevado peso molecular (gasolina, gasoleo) y las humedades habituales en el aire C toma valores próximos a uno. Grado de carga: para un régimen de giro dado, el grado de carga expresa la relación entre el par máximo del motor a ese régimen y el que está suministrando el motor en las condiciones de funcionamiento. En MEP se actúa sobre la posición de la mariposa de admisión y de esta manera se modifica la m acc y el sistema de formación de la mezcla ajusta la m fcc. En MEC se actúa sobre la bomba inyectora para modificar directamente la m fcc. w e i mfcc Hc e i Me 2 2 Existe una relación siempre creciente entre el actuador del grado de carga y el par efectivo. Algunas veces se el grado de carga se define como la posición del actuador respecto a su posición máxima o de plena carga. m im n i 1 C V T m a ia n i Página 9

22 Parámetros Característicos. POTENCIA Y PAR EN FUNCIÓN DE LOS PARÁMETROS (Concepto de grado de carga) La potencia suminstrada por un motor alternativo se puede expresar como sigue: Ne m f Hc e m a F HC e n i VT C ia v Fr Fe HC i m el par se puede expresar de la misma forma dividiendo por la velocidad angular: 1 Me i VT C ia v Fr Fe HC i m 2 Podemos hacer un análisis de la dependencia de cada uno de estos parámetros y agruparlos: Parámetros dependientes del combustible y de las condiciones atmosféricas; F e Dosado estequiométrico H c Poder calorífico del combustible ia Densidad del aire. C Depende muy ligeramente del dosado, en los motores donde ese parámetros es importante (MEP a gas) el dosado relativo no varía. Parámetros de diseño del motor, algunos se eligen y otros indican el grado de éxito en el diseño: i Tipo de motor (2T o 4T). V T Cilindrada del motor. e Rendimiento efectivo, este parámetro depende de las condiciones de funcionamiento. Parámetros de diseño que se modifican en funcionamiento respecto de su valor máximo de diseño, podríamos llamarlos parámetros de funcionamiento: v Rendimiento volumétrico: en los MEP. Se modifica para variar el par que suministra el motor, el valor máximo depende ligeramente del régimen de giro. F r Dosado relativo: en MEC se modifica para variar el par, en MEP varia poco en todos los puntos de funcionamiento. n Régimen de giro: este parámetro se fija en el punto de equilibro entre el par resistente y el par motor. A la relación entre el par máximo y el par real que está dando el motor se le suele denominar grado de carga. Página 10

23 Parámetros Característicos. POTENCIA Y PAR EN FUNCIÓN DEL REGIMEN 1 Me i VT C ia v Fr Fe HC i m 2 Para un motor dado y en unas condiciones atmosféricas definidas, el par depende fundamentalmente del producto de los tres rendimientos y del dosado relativo. En condiciones de plena carga, ninguno de los cuatro varía mucho cuando se modifica el régimen. Cabe destacar la caída del rendimiento mecánico a alto régimen y algo similar le ocurre al rendimiento volumétrico en los motores de aspiración natural. Se puede decir que a plena carga el par permanece sensiblemente constante al variar el régimen. Las variaciones que puede tener son fundamentalmente debidas al rendimiento volumétrico y en menor medida al dosado relativo y el rendimiento indicado, a alto régimen la caída del rendimiento mecánico y el rendimiento volumétrico hace que el par decrezca. N 2 n e M e En consecuencia la potencia aumenta linealmente con el régimen de giro y solo a alto régimen alcanza un máximo cuando el incremento de régimen no compensa la caída del par. Me max Ne max Diferentes curvas de para para diferentes grados de cargas: Modificación de Fr MEC Modificación de v MEP n Página 11

24 Parámetros Característicos. BIBLIOGRAFÍA Muñoz, M., Payri, F.. Servicio Publicaciones E.T.S. Ingenieros Industriales, Universidad Politécnica Madrid, Cap. 1: Características Fundamentales de los MCIA (pp. 3-25). Página 12

25 Semejanza BASES DE LA SEMEJANZA SEMEJANZA DE MOTORES ALTERNATIVOS CONSECUENCIAS DE LA SEMEJANZA IMPLICACIONES DE LA SUBDIVISIÓN DE LA CILINDRADA CONSIDERACIONES FINALES EJEMPLOS: Subdivisión de la cilindrada Curvas de par Estudio comparativo de motores de automoción Página 1

26 Semejanza BASES DE LA SEMEJANZA EN MCIA FINALIDAD: Sirve para explicar las tendencias que presentan los MCIA al variar su tamaño (al variar su cilindrada). Teoría simple (utiliza aproximaciones) y no exacta pero que es una herramienta útil y rápida para el diseño y elección de motores según la aplicación que se les quiera dar. CONDICIONES A CUMPLIR POR MCIA SEMEJANTES: 1. Semejanza geométrica: La relación entre dos dimensiones geométricas cualesquiera, en uno de ellos, es igual a la relación entre las dimensiones geométricas respectivas, en el otro (motores iguales pero a escala). 2. Trabajar en iguales condiciones ambientales. 3. Trabajar con iguales reglajes Tª agua refrigerante Dosado Punto de encendido etc. 4. Poseer la misma velocidad media del pistón Cm. Página 2

27 Semejanza IGUALDAD DE LAS PRESIONES MEDIAS EN MCIA SEMEJANTES(I) IGUALDAD DE PMI EN MOTORES SEMEJANTES: Wi i Hc mfcc i Hc F macc pmi VD VD VD H F i c v ia El rendimiento volumétrico (v) se verá que se puede hacer depender únicamente de relaciones entre magnitudes geométricas (1), condiciones ambientales (2) y Cm (4). Así para motores semejantes v se mantiene. F es el mismo (3). ia es la misma (2). Hc es el mismo pues se utiliza el mismo combustible. i a pesar de variar las pérdidas de calor se supone que se mantiene. Posiblemente esta hipótesis es la más alejada de la realidad. La pmi se puede considerar igual para motores semejantes. Página 3

28 Semejanza IGUALDAD DE LAS PRESIONES MEDIAS EN MCIA SEMEJANTES(II) IGUALDAD DE PMPM EN MOTORES SEMEJANTES: Las pérdidas de rozamiento (pmpmr) se pueden considerar iguales ya que dependen de manera fundamental de Cm (4) y pmi (se mantiene). Las pérdidas por bombeo (pmpmb) son las mismas pues dependen fundamentalmente del v (se mantiene), Cm (4) y relaciones entre dimensiones geométricas (1). Las pérdidas por accionamiento de auxiliares (pmpma) se suponen que son iguales porque la variación de la energía necesaria para el accionamiento de auxiliares será proporcional a la variación del tamaño. pmpm pmpmr pmpmb pmpma La pmpm se puede considerar igual para motores semejantes IGUALDAD DE PME EN MOTORES SEMEJANTES: pme pmi pmpm La pme es igual para motores semejantes. Página 4

29 Semejanza CONSECUENCIAS DEDUCIDAS DE LA SEMEJANZA DE MOTORES (I) Nos referiremos a motores monocilíndricos aunque los resultados se pueden extender a motores policilíndricos con igual o distinto número de cilindros, siempre y cuando se guarde la semejanza cilindro a cilindro. Para dos motores semejantes 2 y 1, siendo 2 más grande que 1, se define la relación de semejanza geométrica como la relación entre dos magnitudes lineales geométricas cualesquiera de ambos motores. L L Relación entre potencias N = A pme S n i A e p 2 pme C m i p Así la relación entre potencias: Ne2 N = e1 Ap2 2 pme C m i 2 Ap1 2 pme C m i La potencia crece con el cuadrado de, no con el cubo como la cilindrada. Página 5

30 Semejanza CONSECUENCIAS DEDUCIDAS DE LA SEMEJANZA DE MOTORES (II) 2.- Relación entre pares T = pme i V e 2 T pme i VT2 Te2 2 Te1 pme i VT1 2 3 El par crece como la cilindrada, con el cubo de 3.- Relación entre el número de revoluciones Cm Cm n2 n 2S2 2S n1 Cm 2S1 1 Los motores son tanto más lentos cuanto más grandes son. 4.- Relación entre potencias por unidad de superficie de pistón: La potencia por unidad de área de pistón no varía en motores semejantes: N A e p Ne2 pme Cm i Ap2 1 2 Ne1 Ap1 La potencia dividida por el área del pistón da una idea del éxito en el diseño. Página 6

31 Semejanza CONSECUENCIAS DEDUCIDAS DE LA SEMEJANZA DE MOTORES (III) 5.- Relación entre potencias específicas: Tanto la masa del motor como la cilindrada varían con 3. N m N m e2 motor2 e1 motor1 Ne2 VD2 Ne2 VD Ne1 Ne1 VD2 3 VD1 En motores semejantes conforme aumenta el tamaño disminuye la potencia específica. Si se quiere mejorar la potencia específica en un motor grande hay que acudir a la sobrealimentación o a los motores de 2T. 6.- Relación entre el cociente calor cedido al refrigerante - calor aportado: Calor aportado por el combustible cilindrada. Q ap, comb mfcc Hc mfcchc Varía como la Calor cedido al refrigerante Qref A h T n i Depende fundamentalmente del área (A) y del régimen (n). Q Q, Q Q, ref 2 ap comb2 ref1 ap comb1 A2 Qap, comb1 n A Qap, comb2 n Si el coeficiente de película (h) se mantuviese en motores semejantes, el cociente entre el calor cedido al refrigerante y el calor aportado se mantendría constante. Ocurre que el coeficiente de película disminuye al aumentar el tamaño del motor por lo que los motores más grandes son más adiabáticos. 1 Realmente el cociente varía con 0.25 Página 7

32 Semejanza IMPLICACIONES DERIVADAS DE SUBDIVIDIR LA CILINDRADA(I) Se parte de dos motores semejantes con igual cilindrada y distinto número de cilindros. Como los cilindros del motor 2 son más grandes, el número de cilindros del motor 1 será mayor que el número de cilindros del motor 2: L2 1 L 1 Z V =V T2 T1 Z 1 2 Como las cilindradas son iguales: V V T2 T1 Ap2 SZ Z2 1 Ap1 SZ 1 1 Z1 Z2 Z = Así la relación entre potencias totales queda: N N e2 e1 Ap2 Z2 m Z2 2 2 C pme i Ap1 Z1 Z1 m 2 C pme i 3 Para igual cilindrada, al aumentar el número de cilindros aumenta la potencia. Página 8

33 Semejanza IMPLICACIONES DERIVADAS DE SUBDIVIDIR LA CILINDRADA(II) Otras implicaciones de subdividir la cilindrada son: Al subir el número de cilindros el par motor es más regular. Al subir el número de cilindros el número de piezas aumenta, si bien son más pequeñas. Al aumentar el número de cilindros el régimen del motor aumenta (los cilindros son más pequeños). Al subir el número de cilindros la vida de las piezas disminuye al aumentar su desgaste relativo (mayores regímenes). Al subir el número de cilindros las disposiciones constructivas son más complicadas (disposición de cilindros en V,..etc). En MEP al subir el número de cilindros aumenta la trasmisión de calor a través de las paredes existiendo menos posibilidades de detonación. En MEC al subir el número de cilindros aumenta la transmisión de calor provocando: dificultad en el arranque, marcha dura, más humos, etc. Página 9

34 Semejanza CONSIDERACIONES FINALES SOBRE LA SEMEJANZA En la práctica Cm y pme no se mantienen al variar la cilindrada. Al aumentar la cilindrada Cm y pme bajan por existir criterios más conservadores en el diseño. Sin embargo Cm y pme sí que se mantienen bastante constantes cuando se trata de motores para una misma aplicación. Así, la semejanza puede ser muy útil en la elección de un motor para una determinada aplicación entre varios existentes en el mercado. En la tabla adjunta se relacionan los parámetros más característicos de los motores, tomando los valores típicos en función del tipo de aplicación. TIPO DE MOTOR S/D C m (m/s) pme (bar) N e /V T (kw/l) N e /A p (kw/cm 2 ) g ef (g/kwh) Régimen (rpm) MEP automoción 4T (1000 cc, 4 cilindros) MEP automoción 4T (2000 cc) MEP competición (400 kw) MEC automoción 4T inyecc. indirecta (45 kw) MEC automoción 4T (100 kw) aspiración natural MEC automoción 4T (200 kw) sobrealimentado MEC Tractor 4T (45 kw) aspiración natural MEC Tractor 4T (75 kw) aspiración natural MEC Tracción ferroviaria 4T (1400 kw) sobrealimentado MEC Industrial 4T (10000 kw) sobrealimentado MEC Barco 2T (35000 kw) sobrealimentado Página 10

35 Semejanza EJEMPLO DE LA SUBDIVISIÓN DE LA CILINDRADA (I) Se tiene un MEP tricilíndrico, de 4T, con una cilindrada de 600 cm 3 y con una relación carrera-diámetro igual a la unidad, que suministra una potencia de 35 kw a 7500 rpm. (Motor nº1). Se pretende diseñar un motor semejante al anterior, bicilíndrico y que suministre la misma potencia. (Motor nº2). Relación de semejanza. Como ambos motores suministran la misma potencia: p2 z A 2 cm pme Ne2 460 z2 D2 1 2 N z A e p z D 1 cm pme z z z1 3 z Determinación de las cotas geométricas, cilindrada y régimen de máxima potencia del nuevo motor. V D s z D z 4 4 T D 1 VT m s z 1 1 D D m s V V T2 T1 z2 D2 2 s z D s V T2 V T1 732 cm n2 n rpm Página 11

36 Semejanza EJEMPLO DE LA SUBDIVISIÓN DE LA CILINDRADA (II) Velocidad lineal media del pistón y presión media efectiva. Por ser semejantes los dos motores, la cm y la pme serán iguales en ambos. cm 2 s n 16 m cm s pme 1 Ne1 93. bar pme n VT Ventajas e inconvenientes entre los dos motores, donde el motor nº2 es más grande y tiene menos cilindros: z1 z2 D1 D2 Inconvenientes del motor nº2: - Como V T2 V T1 Ne2 Ne1 por lo que la potencia especifica del Ne2 Ne1 VT2 VT1 motor 2 es menor que la del 1 - Como z 2 < z 1, el Me 2 será más irregular que el Me 1. -Como es un MEP, y el motor nº2 es más grande (más adiabático), la tendencia a la detonación aumentará en este motor. Ventajas del motor nº2: - Como VT2>VT1 2 > 1 ya que tiene menos pérdidas de calor. - Como z 2 < z 1, el número de piezas del motor nº2 será menor y por tanto su disposición constructiva será menos complicada. - Como D 2 > D 1, las piezas del motor nº2 serán más grandes y robustas y entonces la vida de éstas será más larga (para un igual desgaste mecánico). Página 12

37 Semejanza ESTUDIO DE SEMEJANZA DE MOTORES A PARTIR DE SUS CURVAS DE PAR (I) Te 101,25 Nm 30 Nm rpm Las curvas corresponden a dos motores de aspiración natural, de 4 Tiempos y 4 cilindros cuadrados es decir, D/S=1. Para ser semejantes deben tener la misma presión media efectiva, pme, y la misma velocidad lineal media del piston, c m. Suponiendo que la velocidad lineal media es la misma, se puede decir: 2Sn 2Sn Página 13

38 Semejanza ESTUDIO DE SEMEJANZA DE MOTORES A PARTIR DE SUS CURVAS DE PAR (II) Aplicando la ecuación anterior en los puntos de par máximo se tiene: 2S S de donde: S S ,5 También podemos decir: T V pme 1 3 e1 T1 Lpme T V pme 2 3 e2 T2 L2 pme 4 2 de donde se obtiene la relación ya conocida: T T e1 e2 L L Tomando el punto de par máximo: 101, ,375 1,5 3 3 Por lo tanto, se cumple la relación y los motores son semejantes. Página 14

39 Semejanza ESTUDIO DE SEMEJANZA DE MOTORES A PARTIR DE SUS CURVAS DE PAR (III) Para ver si los valores de par son coherentes con el régimen de giro y las características indicadas, suponemos un valor razonable de presión media efectiva, por ejemplo 10 bares. De la relación entre el par y la presión media efectiva obtenemos: V T2 4 Te ,25 (Nm) m 1272 cm 5 pme (Pa) 2 3 La cilindrada de un motor cuadrado (S = D) responde a la fórmula: V T 2 S 3 SZ S 4 S2 0,074 m 4 V T Z La velocidad lineal media del pistón en el punto de régimen máximo es: cm2 2 S2 n m/ s 60 La velocidad media del pistón toma valores entre 10 y 20 m/s, por lo tanto, los valores de par de los motores no son coherentes con el régimen de giro y las características indicadas. Página 15

40 Semejanza ESTUDIO DE SEMEJANZA DE MOTORES A PARTIR DE SUS CURVAS DE PAR (IV) El planteamiento podía haber sido inverso; si se supone un valor razonable de C m de 13 m/s para el régimen máximo: C m La cilindrada de un motor será: 13 m / s S S2 2 n m 60 V T 3 3 S Z VT m 4181 cm La presión media efectiva máxima (en el punto de máximo par) es: pme 2 4 Te ,25 (Nm) Pa 3.04 bar 3 V (m ) T2 Los valores habituales de pme oscilan entre 9 y 11, en consecuencia la presión media efectiva a quedado muy pequeña lo que redunda en que los valores de par de los motores no son coherentes con el régimen de giro y las características indicadas. Las curvas de par de los motores corresponden, o bien a motores de pequeña cilindrada con una pme aceptable pero que sin embargo no pueden subir de revoluciones hasta los valores habituales, o a motores grandes acordes con el régimen de giro que no tienen una buena pme. Página 16

41 Semejanza ESTUDIO COMPARATIVO DE MOTORES DE AUTOMOCIÓN Algunas conclusiones que se pueden extraer del análisis de las tablas son: Los MEC tienen una menor velocidad lineal media que los MEP. Los MEC tienen una menor pme que los MEP y los motores sobrealimentados tienen mayor pme que los de aspiración natural. En los MEP la velocidad lineal media máxima crece con la cilindrada. BIBLIOGRAFÍA Muñoz, M., Payri, F.. Servicio Publicaciones E.T.S. Ingenieros Industriales, Universidad Politécnica Madrid, Cap. 9: Semejanza de Motores (pp ). OTROS: Revistas de Motociclismo del 1996 Autocatálogo 1995 y 1996 Página 17

42 Semejanza Página 18

43 Ciclos Termodinámicos CICLOS TERMODINÁMICOS EN LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS INTRODUCCIÓN CICLO IDEAL DE AIRE CICLO TEORICO AIRE COMBUSTIBLE CICLO REAL EN MEC Y EN MEP MEDIDA DE PARÁMETROS INDICADOS Página 1

44 Ciclos Termodinámicos INTRODUCCIÓN (I) EVOLUCIÓN DEL FLUIDO EN EL MOTOR ALTERNATIVO P + V VPMS VD VPMI RENOVACIÓN DE LA CARGA Admisión Escape CICLO TERMODINÁMICO BÁSICO Compresión Combustión Expansión Página 2

45 Ciclos Termodinámicos INTRODUCCIÓN (II) CICLO TEÓRICO Ciclo termodinámico básico en el que se hacen ciertas hipótesis simplificadoras las cuales permiten la realización de cálculos más fácilmente y sirven de modelos de referencia o comparación. Pérdidas de calor Proceso de combustión Propiedades del fluido Proceso de renovación de la carga 1. CICLO IDEAL DE AIRE Base teórica muy simple, el rendimiento se puede calcular a partir de fórmulas 2. CICLO TEÓRICO AIRE COMBUSTIBLE Se consideran las propiedades del fluido más próximas a la realidad, el rendimiento hay que calcularlo con métodos numéricos. 3. CICLO REAL Se analiza a partir del diagrama indicador (medidas de presión en el cilindro). Índice de calidad de un ciclo Indica la aproximación entre un ciclo real y uno teórico, se define como: K WR W teorico R teorico Página 3

46 Ciclos Termodinámicos CICLO IDEAL DE AIRE (I) HIPÓTESIS 1. Calor especifico del fluido constante. 2. Sucesión de procesos similar a las del motor real. 3. La misma relación de compresión volumétrica que en el motor. 4. La misma aportación de energía por unidad de masa que en el proceso real. 5. La misma presión y temperatura al inicio de la compresión que en el proceso real. CICLO AIRE A VOLUMEN CONSTANTE La aportación de calor al fluido se hace instantáneamente en el punto muerto superior al final de la carrera de compresión. Conclusiones principales: 1 r El rendimiento aumenta con la relación de compresión. 2. El rendimiento sólo depende de la relación de compresión. 3. El rendimiento aumenta con la cual disminuye con el dosado. Este ciclo suele ser representativo de los motores de encendido provocado. Página 4

47 Ciclos Termodinámicos CICLO IDEAL DE AIRE (II) CICLO DE AIRE A PRESIÓN LIMITADA La aportación de calor se realiza a volumen constante hasta que se alcanza una determinada presión (Pmax) a partir de aquí el resto de calor se libera mientras baja el pistón de manera que la presión se mantiene constante e igual a la presión máxima. La presión máxima suele ser la presión máxima que se da en el motor real r 1 1 Definiciones 1. Grado de combustión a volumen constante P 3 P2 =1 P=cte. 2. Grado de combustión a presión constante V 3A V3 =1 V=cte. Este tipo de ciclo es característico de los motores diesel rápidos. Página 5

48 Ciclos Termodinámicos CICLO IDEAL DE AIRE (III) CICLO DE AIRE A PRESIÓN CONSTANTE Es una particularización del anterior en el que ALFA es 1 y todo el combustible se quema a presión constante. 1 r Este tipo de ciclo es característico de los motores diesel lentos. EXPRESIONES RELACIONADAS CON LOS CICLOS Q CT 1 Calor aportado a volumen constante r 1 v 1 Q 1 Calor aportado a presión constante r 1 C T Trabajo obtenido en el ciclo r 1 1 Temperatura máxima del ciclo Presión máxima del ciclo C T v 1 W 1 v 1 T T 3A 1 P3 P 1 1 r 1 r 1 Página 6

49 Ciclos Termodinámicos CICLO IDEAL DE AIRE (IV) COMPARACIÓN DE LOS DIFERENTES CICLOS a)mismo calor aportado y misma relación de compresión. El ciclo con mejor rendimiento es el de volumen constante después el de presión limitada y el de peor rendimiento el de presión constante. Sin embargo el de presión constante es el que tiene una menor presión máxima. Página 7

50 Ciclos Termodinámicos CICLO IDEAL DE AIRE (V) b) Misma presión máxima y mismo calor aportado Para un mismo calor aportado y con limitación de presión máxima el ciclo con mejor rendimiento es el de presión constante y es el que puede tener mayor relación de compresión. c) Misma presión máxima y misma temperatura máxima El ciclo con mejor rendimiento es el de presión constante, también es el de mayor trabajo ya que tiene más área. Página 8

51 Ciclos Termodinámicos CICLO IDEAL DE AIRE (VI) CONSIDERACIONES FINALES SOBRE EL CICLO IDEAL DE AIRE Los motores de encendido provocado tienen menor relación de compresión que los motores de encendido por compresión y dentro de estos últimos los lentos tienen menor relación de compresión que los rápidos. La comparación de ciclos sólo tiene sentido para situaciones similares. En motores de encendido provocado el calor aportado por unidad de masa es mayor (mayor dosado). El grado de explosión a volumen constante está muy relacionado con la primera fase de la combustión en MEC. En MEC la relación de compresión mínima viene fijada por razones de arranque en frío y en MEP la relación de compresión máxima viene fijada por razones de detonación (picado de biela). Las presiones máximas son mayores en los MEC rápidos que en los lentos y son menores aún en los MEP. Página 9

52 Ciclos Termodinámicos CICLO TEÓRICO AIRE COMBUSTIBLE En este tipo de ciclo el calor específico aumenta con la temperatura con lo cual empeora el rendimiento. Si Cv crece aportando el mismo calor obtenemos una menor temperatura final con lo cual el rendimiento disminuye. Q = Cv (Tf - Ti) Cv cte < Cv aire < Cv aire-combustible Cv=cte Cv=f(T) Cv=f(T,F) P 1 =1 bar T 1 =320 K Página 10

53 Ciclos Termodinámicos CICLO REAL EN MEP(I) Perdidas de tiempo Ciclo real con adelanto en apertura de valvula de escape Ciclo ideal sin transmisión de calor Ciclo ideal con transmisión de calor Perdidas de calor Perdidas de calor Ciclo real con adelanto en apertura de valvula de escape Perdidas de escape Causas de las diferencias: Fugas En motores nuevos y puestos a punto son muy bajas. Combustión incompleta Retención de HC en huecos, depósitos y lubricante. Apagado de llama. Pared Tª Combustión Tª Mínima de combustión Tª Pared Distancia de apagado (inquemados) Página 11

54 Ciclos Termodinámicos Pérdidas de tiempo CICLO REAL EN MEP(II) En el proceso de combustión existe un frente de llama que tiene que recorrer toda la cámara de combustión para que la combustión se complete. El tiempo que tarda en recorrerse toda la cámara depende fundamentalmente de: Naturaleza del combustible y dosado. Forma y tamaño de la cámara de combustión. Número y posición de las bujías. Condiciones operativas del motor. La potencia y el rendimiento máximo se obtienen cuando la combustión está centrada respecto del punto muerto superior. Combustión progresiva Debido a que las condiciones de presión y temperatura a lo largo del periodo de combustión varían, el rendimiento del proceso también varía, dando lugar a una pérdida. Pérdidas de calor Es necesario refrigerar la cámara de combustión y esto provoca las pérdidas de calor. La mayor transmisión de calor se produce durante el proceso de expansión y escape, siendo muy poco lo que se produce durante la compresión. Durante el proceso de admisión el calor se transmite de las paredes al fluido (ganancia de calor). Pérdidas de escape La válvula de escape se abre antes del PMI intencionadamente para mejorar el proceso de renovación de la carga. Lo que se pierde en el proceso de expansión se recupera en el proceso de renovación de la carga, por lo que en cierto modo no se pueden considerar como pérdidas. Página 12

55 Ciclos Termodinámicos Punto de encendido CICLO REAL EN MEP(III) EFECTO DE LA VARIABLES OPERATIVAS Tiene una gran influencia sobre la potencia y el rendimiento, para que la combustión se mantenga centrada al aumentar el régimen de giro es necesario aumentar el avance. Régimen de giro 0 A regímenes bajos las pérdidas de calor y por fugas aumentan. Para la misma velocidad de combustión, al aumentar el régimen de giro, la combustión dura más angularmente por lo que hay que avanzar el inicio de la combustión para que esta permanezca centrada. ejemplo: Si la combustión dura 3ms, a 2000 rpm angularmente esto es: t esto 60 supone un avance de 18 para que la combustión esté centrada en el PMS. Si el régimen de giro es 4000 rpm t lo cual supone un avance de 36 para 60 conseguir el mismo centrado de la combustión. Página 13

56 Ciclos Termodinámicos Presión de admisión CICLO REAL EN MEP(IV) Al aumentar la presión de admisión aumenta la presión media indicada y por tanto la potencia. 4/4 3/4 2/4 1/4 La modificación de la presión de admisión se da en los casos de sobrealimentación y de regulación de la carga, esto último sólo en MEP. Presión de escape Influye en el proceso de renovación de la carga de manera que al aumentar la presión de escape se aumentan los residuales y esto hace que la combustión se desarrolle más lentamente. Relación combustible aire (dosado) Mejora la potencia hasta valores del dosado relativo del orden de 1.15 y el rendimiento es mejor para valores del orden de 0.9 Página 14

57 Ciclos Termodinámicos CICLO REAL EN MEC (I) Características del proceso de combustión en MEC En los MEC existe un retraso desde que se inicia la inyección de combustible hasta que se inicia la combustión. El tiempo de retraso va seguido de un aumento brusco de la presión debido a que se quema gran parte del combustible inyectado durante el tiempo de retraso. Posteriormente el resto del combustible se quema en un proceso de combustión más lento durante el proceso de expansión. La duración angular de cada una de estas tres fases varían con el diseño y las condiciones operativas. MEP MEC MEC MEP Página 15

58 Ciclos Termodinámicos Pérdidas de tiempo en MEC CICLO REAL EN MEC (II) Las pérdidas de tiempo en MEC son más variables que en los MEP pues el proceso de combustión se ve muy modificado en función de las variables operativas: régimen y grado de carga fundamentalmente. MEP MEC MEP MEC No hay que olvidar que en estos diagramas los dos ciclos tienen la misma relación de compresión pero realmente en MEC la relación de compresión es aproximadamente el doble que en MEP. Página 16

59 Ciclos Termodinámicos MEDIDA DE PARÁMETROS INDICADOS En la actualidad se utilizan captadores piezoeléctricos para medir la presión, la adquisición de datos está sincronizada con un codificador angular que genera la señal de disparo de la adquisición (1xVuelta) y la señal de reloj (NxVuelta). La señal de disparo indica el inicio de la adquisición y es necesario saber en que posición angular está respecto de alguna referencia generalmente el PMS. La señal de reloj dispara cada una de las adquisiciones individuales de datos, con lo que sabiendo el incremento angular de la señal de reloj se sabe la distancia angular entre cada dato. De esta manera sólo se registra una señal, la de presión pero se sabe a que posición angular corresponde cada dato y consecuentemente se conoce el volumen en el interior del cilindro. Captador presión (piezoeléctrico) N Vuelta Captadores de posición (magnéticos u ópticos) Señal 1 Vuelta Referencia Angular 1 Vuelta Página 17

60 Ciclos Termodinámicos BIBLIOGRAFÍA Taylor, C. F., The Internal Combustion Engine in Theory and Practice. The MIT Press, Cap. 2: Air Cycles (pp.22-39). Cap. 4: Fuel-Air Cycles (pp ). Cap. 5: The Actual Cycle (pp ). Página 18

61 Refrigeración y Lubricación REFRIGERACIÓN Y LUBRICACIÓN OBJETIVOS DE LA REFRIGERACIÓN REFRIGERACIÓN POR LÍQUIDO REFRIGERACIÓN POR AIRE COMPARACIÓN ENTRE TIPOS DE REFRIGERACIÓN PERDIDAS MECÁNICAS TIPOS DE LUBRICACIÓN LUBRICACIÓN A PRESIÓN PROCEDIMIENTOS PARA LA DETERMINACIÓN DE LAS PÉRDIDAS MECÁNICAS Página 1

62 Refrigeración y Lubricación OBJETIVOS DE LA REFRIGERACIÓN La refrigeración en los motores de combustión interna alternativos viene impuesta por exigencias mecánicas. Desde el punto de vista del ciclo es una pérdida y por lo tanto tiene una influencia negativa en el rendimiento Disminución de las pérdidas de calor: - Aumento del rendimiento - Motores adiabáticos OBJETIVOS Acotar la temperatura, lubricación, dilataciones. Cilindro: 200 C Pistón: 200 a 350 C Culata: 300 C Válvula de escape: 700 C Segmentos: 225 C Estos valores dependen del tamaño del motor y de las condiciones operativas, por ejemplo la temperatura de las distintas zonas del pistón varía con el régimen de giro o con la presión media efectiva: Página 2

63 Refrigeración y Lubricación REFRIGERACIÓN POR LÍQUIDO Bomba 10 2 Bloque 3 Culata 2 4 Termómetro 5 Termostato 6 Radiador 7 Refrigerador aceite 8 Electroventilador 9 Termointerruptor 10 Vaso de expansión 9 7 Fluido refrigerante: agua. Anticongelante. Circuito presurizado para subir las temperaturas de ebullición. Bomba de impulsión centrífuga: Tamaño reducido. Grandes caudales con alturas reducidas. Caudal de refrigerante: punto de corte de las curvas. aprox. 2 lmin en máxima potencia. kw Presión: 0.5 a 1.5 bar. Sistema de regulación para cargas parciales. Termostato: distribuye el agua entre el circuito básico y el bypass. Puesta en marcha: circuito básico cerrado. Apertura del termostato: C Apertura completa: 90 C Página 3

64 Refrigeración y Lubricación Radiador: Intercambiador agua-aire ambiente. A bajas velocidades: electroventilador. REFRIGERACIÓN POR AIRE El calor transmitido a las paredes se refrigera con el aire por medio de un aleteado en la superficie externa del motor. En motores estacionarios y de automoción se necesita: Soplante Carcasa envolvente Elemento de regulación del caudal de aire. Página 4

65 Refrigeración y Lubricación COMPARACIÓN ENTRE LA REFRIGERACIÓN POR AIRE FRENTE A LA DE POR LÍQUIDO VENTAJAS Menor número de averías. Más autónomo. Menor inercia térmica. Menos sensible a variaciones de la temperatura exterior. INCONVENIENTES Temperaturas de funcionamiento más elevadas: v, NOx, problemas de autoencendido. Problemas térmicos: juegos en frío. Tamaño del motor mayor. Potencia de accionamiento de la soplante elevada. Más ruidos por: Mayores juegos para compensar dilataciones. Construcción menos rígida (cilindros independientes). Soplante. Aletas. Suciedad en aletas: menor refrigeración y peligro de incendio. Página 5

66 Refrigeración y Lubricación BALANCE TÉRMICO DE UN MOTOR: Q Q Q Q Q Q Q t N r g res a ra Q t : Calor equivalente introducido en el motor debido al combustible suministrado por unidad de tiempo ( m f H c ). Q n : Calor equivalente a la potencia efectiva obtenida del motor. Q r : Calor transmitido al refrigerante. Q g : Calor equivalente al estado térmico perdido en los gases de escape. Q res : Calor equivalente que corresponde a la combustión incompleta (residuales). Q a : Calor transmitido al aceite. Q ra : Calor transmitido por radiación al ambiente. Q pm :Calor equivalente a las pérdidas mecánicas. Q res Q g Q r Q N Q a Q ra Q t =100% Q r 30% Q a Q n =40% Q pm Q ra Q g 30% Q res Página 6

67 Refrigeración y Lubricación LUBRICACIÓN Y PERDIDAS MECÁNICAS IMPORTANCIA DE LAS PÉRDIDAS MECÁNICAS Las necesidades derivadas de disminuir las emisiones de CO2 (efecto invernadero) y el precio de los combustibles fósiles han traído consigo el desarrollo de una importante línea de investigación: e gef. e i m e La disminución del consumo se puede llevar a cabo: i i mejorando aspectos termodinámicos del ciclo. m disminuyendo las pérdidas mecánicas. TIPOS DE PÉRDIDAS MECÁNICAS Por fricción o rozamiento: Debidas al rozamiento entre partes móviles (denotadas por R). pmpmr f (CP L CG pmi + CI Cm 2 ) Por bombeo: Ocasionadas por el proceso de renovación de la carga en motores de 4T (denotadas por B). De accionamiento de auxiliares: Son las pérdidas asociadas al movimiento de aquellos dispositivos arrastrados por el motor: Alternador, bombas, dirección asistida, etc. (denotadas por A). LA LUBRICACIÓN EN LOS MCIA (requerimientos) CONJUNTO DESPLAZAMIENTO TEMPERATURA PRESIÓN VELOCIDAD RELATIVA Pistón-camisa alternativo alta moderada alta Pistón-biela oscilante moderada muy alta baja Biela-cigüeñal rotativo baja alta alta Cigüeñal-bloque rotativo baja alta alta Levas-empujadores rotativo baja muy alta baja Válvula de escape alternativo muy alta baja moderada El sistema de lubricación, debe de engrasar las distintas partes del motor y hacer frente a las distintas exigencias que se presentan en cada una de las partes e incluso refrigerar cuando sea necesario. m Página 7

68 Refrigeración y Lubricación TIPOS DE LUBRICACIÓN: Por barboteo: Mediante cucharillas y anillos se proyecta aceite del carter hacia aquellas superficies que se quieren lubricar. A aceite perdido: Utilizada en motores pequeños de 2T, la mezcla arrastra en suspensión aceite. Presenta problemas por contaminación. A presión: Es el sistema más utilizado, ya que cubre las exigentes necesidades de lubricación en los motores actuales. LUBRICACIÓN A PRESIÓN En el circuito de engrase se pueden distinguir 4 partes fundamentales: Bomba: Suministra la presión al aceite. Conductos de engrase: Por ellos circula el aceite. Filtro: Elimina las impurezas del aceite. Refrigerador: Mantiene la Tª del aceite dentro de unos límites. Árbol de balancines Árbol de levas Filtro en serie Filtro en paralelo M Manómetro Válvula de descarga del filtro B Bomba Cigüeñal Válvula de retención Taladros en el cigüeñal Válvula de descarga del circuito Página 8

69 Refrigeración y Lubricación BOMBA: Son bombas volumétricas habitualmente de engranajes, a la salida de la bomba se coloca una válvula de descarga para evitar sobrepresiones con el aceite frio o a regímenes elevados. La bomba de engranajes posee un gasto másico ( m bomba ) proporcional a las revoluciones con que gira (nb): m K n bomba FILTRO: Puede estar dispuesto en el circuito de las siguientes formas: En serie con el circuito: En paralelo con el circuito: - El filtro es atravesado por todo el aceite. - Introduce pérdidas de carga muy grandes al colmatarse. - El filtro no es atravesado por todo el aceite. - Introduce pocas pérdidas de carga. En serie con el circuito y en paralelo con una válvula de descarga: recoge las ventajas de las dos disposiciones anteriores. b REFRIGERADOR: Se suele colocar en paralelo entrando en funcionamiento mediante una válvula termostática cuando la Tª del aceite es alta. Página 9