MOTORES TÉRMICOS. Tecnología Industrial, 2º bach Tema 4: Motores termodinámicos Inmaculada Pérez Pérez, noviembre 2015

Transcripción

1 MOTORES TÉRMICOS Tecnología Industrial, 2º bach Tema 4: Motores termodinámicos Inmaculada Pérez Pérez, noviembre 2015

2 Introducción Una máquina es un objeto empleado para facilitar o realizar un trabajo. Se distingue entre máquinas operadoras y máquinas motrices. Estas últimas, también conocidas como motores, se encargan de transformar la energía y según el elemento que se la proporcione se clasifican en tres grandes grupos: Utilizan energía de un fluido (propiedad concreta). Utilizan energía de un sólido (energía potencial). Motores térmicos: objeto de estudio de este tema. Utilizan formas especiales de energía.

3 Características generales de los motores RENDIMIENTO Relación entre la energía aportada y el trabajo realizado, pues se producen pérdidas en su transformación. POTENCIA (CV, W) Trabajo que el motor es capaz de realizar en una unidad de tiempo y a una determinada velocidad de giro. VELOCIDAD DE GIRO (rpm) Número de revoluciones por minuto del motor en condiciones normales de funcionamiento, se representa por la letra n y se le llama velocidad nominal. PAR MOTOR (kgm, N m) Momento de rotación que actúa sobre el eje del motor y que determina su giro.

4 El motor térmico

5 Un motor térmico es aquel capaz de obtener energía mecánica a partir de la energía térmica de un fluido.

6 Principio básico de funcionamiento El proceso de funcionamiento es un ciclo cerrado: al finalizar vuelve a sus condiciones iniciales. El motor recibe una cantidad de calor concreta (Q1), luego cede o se le quita otra cantidad de calor (Q2) menor a la anterior. Esta diferencia de energía térmica se transforma en trabajo mecánico (W).

7 Principio básico de funcionamiento

8 Partes de un motor térmico

9 Clasificación de los motores térmicos

10 Motores de combustión interna ALTERNATIVOS: movimiento del pistón rectilíneo, se transforma en giratorio en el cigüeñal con un mecanismo biela-manivela. Motores de encendido por compresión (MEC): el combustible se comprime, por lo que alcanza unas temperaturas tan elevadas que dan lugar a una autoinflamación. Ej: motores diésel. Motores de encendido provocado (MEP): una causa externa inicia la combustión del combustible, que se propaga por la cámara de combustión del motor. Motores de cuatro tiempos: el ciclo termodinámico se desarrolla en cuatro etapas o carreras de pistón (admisión, compresión, expansión y escape). Motores de dos tiempos: el ciclo termodinámico se desarrolla en dos etapas o carreras de pistón (admisión-compresión y expansión-escape). ROTATIVOS: movimiento del pistón giratorio, el giro se le comunica al cigüeñal con un sistema de engranajes. Ej: Wankel, turbinas de gas. AERORREACTORES: emplean aire para su combustión, ya sea por propulsión o por reacción

11 El motor de explosión de cuatro tiempos Motor de combustión interna con encendido provocado (MEP) cuyo proceso de funcionamiento se desarrolla en cuatro carreras de pistón.

12 Funcionamiento 1- ADMISIÓN 2- COMPRESIÓN El pistón baja desde su posición más alta (PMS, Punto Muerto Superior) arrastrado por el cigüeñal, por lo que se produce una depresión en el cilindro que se aprovecha para llenarlo de combustible y aire por la válvula de admisión, que permanece abierta. Cuando el pistón llega a su posición más baja (PMI, Punto Muerto Inferior) finaliza esta fase. El cigüeñal ha girado 180º y la válvula de admisión se cierra. El pistón va del PMI al PMS arrastrado por el movimiento del cigüeñal. Tanto la válvula de admisión como la de escape están cerradas, luego la mezcla de combustible se comprime. Cuando el pistón llega al PMS se acaba la segunda etapa. El cigüeñal ha girado otros 180º y el contenido del cilindro está comprimido al máximo.

13 Funcionamiento 3- EXPANSIÓN 4- ESCAPE De la bujía salta una chispa que inflama la mezcla. Las dos válvulas continúan cerradas, luego toda la presión de la combustión se aplica sobre el pistón, que desciende bruscamente hasta el PMI y arrastra así al cigüeñal. Este realiza el trabajo útil. Cuando el pistón llega al PMI finaliza la tercera carrera. El cigüeñal gira nuevamente 180º (vuelve a la posición inicial) y la válvula de escape se abre. Los gases de la combustión salen por la válvula de escape y el pistón asciende al PMS arrastrado por el movimiento del cigüeñal, que dará un nuevo giro de 180º. En ese momento se habrá acabado la cuarta fase; la válvula de escape se cerrará y la de admisión se abrirá otra vez para repetir el proceso de funcionamiento, que es cíclico.

14 Funcionamiento

15 Ciclo teórico del motor Admisión (A-B): proceso isobárico, la mezcla está a p y T ctes, el volumen del cilindro aumenta de V1 a V2. Compresión (B-C): proceso adiabático, la presión y la temperatura aumentan de la mezcla, su volumen desciende. Combustión (C-D): calentamiento isocórico del motor porque el combustible le cede calor Q1. La presión y temperatura de la mezcla crecen. Expansión (D-E): proceso adiabático, los gases vuelven a V2 (crece), descienden su presión y temperatura. Apertura de la válvula de escape (E-B): enfriamiento isocórico del motor al perder calor Q2. Se vuelve a los valores P1 y T1. Escape (B-A): el volumen del cilindro pasa de V2 a V1.

16 Parámetros del motor NÚMERO DE CILINDROS (Z) DIÁMETRO (D): Diámetro interior del cilindro (mm). CARRERA (S): Distancia entre el PMS al PMI (mm). VOLUMEN DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN (Vc): Volumen que ocupa la mezcla cuando el pistón está en el PMS durante la fase de compresión (, mm^3). RÉGIMEN DE GIRO (n): Número de revoluciones por minuto a las que gira el motor (n, rpm) RELACIÓN CARRERA-DIÁMETRO: S/D CILINDRADA UNITARIA (VD): CILINDRADA TOTAL (VT): RELACIÓN VOLUMÉTRICA DE COMPRESIÓN (r):

17 Par motor y potencia P: potencia, W M: par motor, N m ω: velocidad de giro, rad/s A: par máximo. B: potencia máxima.

18 El motor de explosión de dos tiempos Motor de combustión interna con encendido provocado (MEP) cuyo proceso de funcionamiento se desarrolla en dos carreras de pistón.

19 Dos tiempos vs cuatro tiempos Las lumbreras quedan cerradas o abiertas por el movimiento del pistón. La mezcla no entra directamente al cilindro, pasa primero por el cárter. Abertura entre el cárter y el cilindro (lumbrera de transferencia). VENTAJAS Sustitución de las válvulas de admisión y escape por lumbreras; es ventajoso porque las primeras se desgastan demasiado y los segundos funcionan mejor. Mayor potencia. INCONVENIENTES Menor rendimiento mecánico. Mayor temperatura de funcionamiento y mayor desgaste de sus órganos por una mayor frecuencia de combustión. Se añaden aditivos a la mezcla, contamina más.

20 Funcionamiento ADMISIÓN-COMPRESIÓN EXPANSIÓN-ESCAPE El cigüeñal gira 180º y arrastra al pistón desde el PMI al PMS, que comprime la mezcla de combustible y aire que hay en el cilindro. Simultáneamente se abre la lumbrera de admisión para que entre nuevo combustible en el cárter, la lumbrera de escape permanece cerrada. Cuando el pistón llega al PMS salta la chispa de la bujía y se inicia el proceso de combustión. Con la combustión de la mezcla los gases resultantes ejercen una presión sobre el pistón, bajando hasta el PMI mientras arrastra el cigüeñal. Este da media vuelta. La lumbrera de escape se abre y los gases son liberados, a su vez se descubre la lumbrera de transferencia y la mezcla introducida antes en el cárter entra en el cilindro para expulsar los gases restantes.

21 Parámetros del motor NÚMERO DE CILINDROS (Z) DIÁMETRO (D): Diámetro interior del cilindro (mm). CARRERA (S): Distancia entre el PMS al PMI (mm). VOLUMEN DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN (Vc): Volumen que ocupa la mezcla cuando el pistón está en el PMS durante la fase de compresión (, mm^3). RÉGIMEN DE GIRO (n): Número de revoluciones por minuto a las que gira el motor (n, rpm) RELACIÓN CARRERA-DIÁMETRO: S/D CILINDRADA UNITARIA (VD): CILINDRADA TOTAL (VT): RELACIÓN VOLUMÉTRICA DE COMPRESIÓN (r):

22 El motor Diesel Motor térmico de combustión interna con encendido por compresión (MEC) cuyo funcionamiento puede desarrollarse en dos o en cuatro carreras de pistón.

23 Funcionamiento: ID de cuatro tiempos

24 Funcionamiento: ID de cuatro tiempos 1- ADMISIÓN 2- COMPRESIÓN El pistón baja desde el PMS arrastrado por el cigüeñal, por lo que se produce una depresión en el cilindro que se aprovecha para llenarlo de combustible y aire por la válvula de admisión, que permanece abierta. Cuando el pistón llega al PMI finaliza esta fase. El cigüeñal ha girado 180º y la válvula de admisión se cierra. El pistón va del PMI al PMS arrastrado por el movimiento del cigüeñal. Las dos válvulas están cerradas; el aire se comprime y su temperatura asciende. Cuando llega al PMS se inyecta pulverizado el combustible, que se inflama en contacto con el aire caliente. El cigüeñal ha girado otros 180º, finaliza la segunda etapa.

25 Funcionamiento: ID de cuatro tiempos 3- EXPANSIÓN 4- ESCAPE Las dos válvulas continúan cerradas, luego toda la presión de la combustión se aplica sobre el pistón, que desciende bruscamente hasta el PMI y arrastra así al cigüeñal. Este realiza el trabajo útil. Cuando el pistón llega al PMI finaliza la tercera carrera. El cigüeñal gira nuevamente 180º (vuelve a la posición inicial) y la válvula de escape se abre. El movimiento del cigüeñal arrastra al pistón desde el PMI al PMS, la válvula de escape se abre y salen los gases quemados; finaliza la cuarta carrera. Se cierra y se abre la de admisión para iniciar un nuevo ciclo. Parte del combustible se ha quemado ya en la precámara.

26 Parámetros del motor NÚMERO DE CILINDROS (Z) DIÁMETRO (D): Diámetro interior del cilindro (mm). CARRERA (S): Distancia entre el PMS al PMI (mm). VOLUMEN DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN (Vc): Volumen que ocupa la mezcla cuando el pistón está en el PMS durante la fase de compresión (, mm^3). RÉGIMEN DE GIRO (n): Número de revoluciones por minuto a las que gira el motor (n, rpm) RELACIÓN CARRERA-DIÁMETRO: S/D CILINDRADA UNITARIA (VD): CILINDRADA TOTAL (VT): RELACIÓN VOLUMÉTRICA DE COMPRESIÓN (r):

27 Diesel vs MEP cuatro tiempos VENTAJAS: Mayor rendimiento térmico. Menor consumo y coste del combustible. Mayor vida útil. Menor contaminación. DESVENTAJAS: Motor más pesado. Mayor coste de construcción. Mayor ruido.

28 El motor rotativo Wankel Motor térmico de combustión interna con encendido provocado (MEP) y movimiento de pistón rotatorio, cuyo funcionamiento se desarrolla en cuatro carreras de pistón.

29 Partes ESTÁTOR: cuerpo fijo de interior elíptico. ROTOR: pieza en forma de triángulo equilátero de lados curvilíneos que se mueve dentro del estátor. Sus vértices (a, b, c) están en contacto permanente con sus paredes, delimitando tres cámaras por las que pasa el combustible. PIÑÓN: rueda dentada solidaria con el eje motor que engrana con la corona dentada del rotor. BUJÍA: hace saltar la chispa sobre el combustible. LUMBRERA DE ADMISIÓN Y LUMBRERA DE ESCAPE: aperturas al interior del motor, situadas a cada lado del rotor.

30 Funcionamiento

31 Funcionamiento ADMISIÓN COMPRESIÓN Por la lumbrera de escape salen los gases del ciclo anterior. La cámara va aumentando de volumen conforme gira el rotor y por la lumbrera de admisión se introduce nueva mezcla. Se cierra la lumbrera de admisión y la cámara reduce su volumen, comprimiendo la mezcla. Cuando se alcanzan los valores máximos la bujía echa una chispa y se produce la combustión. EXPANSIÓN ESCAPE Por la presión de los gases resultantes el rotor es empujado bruscamente. Esto se le transmite al eje motor. Se produce el trabajo útil. Se descubre la lumbrera de escape y los gases van saliendo al exterior, empujados por el movimiento del rotor.

32 Wankel vs pistón alternativo de cuatro tiempos. VENTAJAS Suavidad de funcionamiento. Menor peso y volumen. Sencillez mecánica. Reducido coste de fabricación. DESVENTAJAS Pueden darse problemas de estanqueidad entre las cámaras. Problemas de contaminación por los gases de escape.

33 COMBUSTIBLES Sustancia, comúnmente hidrocarburo, que reacciona con el oxígeno del aire produciendo una gran cantidad de calor.

34 Propiedades PODER CALORÍFICO (Hc): cantidad de calor desprendido por unidad de combustible en una combustión completa. VOLATILIDAD: tendencia a evaporarse. INFLAMABILIDAD: tendencia a reaccionar por algún agente externo (p ot elevadas). TEMPERATURA DE AUTOINFLAMACIÓN: temperatura mínima a la cual el combustible reacciona sin la intervención de un agente externo. DOSIFICACIÓN ESTEQUIOMÉTRICA: relación de masas de los reactivos para que no haya reactivo sobrante. NÚMERO DE OCTANO (NO): tendencia a detonar. NÚMERO DE CETANO (NC): tendencia a la autoinflamación.

35 Contaminación La emisión de gases y productos tóxicos procedentes de la combustión produce una gran contaminación. Para paliar este problema se puede alterar la composición de los combustibles y el diseño del motor o sustituirlos por biocombustibles y motores híbridos ; también se suelen utilizar catalizadores para neutralizar sustancias como CO, los óxidos de nitrógeno y los HC no quemados.

36 MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN, ESPERO QUE HAYAN COMPRENDIDO EL TEMA.

37 FUENTE: Monserrate Jesu s Escorihuela. Tecnologi a Industrial II, Bachillerato. Barcelona: Edebe, Presentación ya disponible en: