MAQUINAS HIDRAULICAS Y TERMICAS Motores de Combustión Interna Alternativos Introducción. Elementos Constructivos. Clasificación

Transcripción

1 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 INTRODUCCIÓNA LOS MOTORES TÉRMCOS Dedición 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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

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