Cap. 14 Ciclo Motores INTRODUCCIÓN Recién llegamos al capítulo que a todos los ingenieros mecánicos nos gusta, los MOTORES!!...que los encontraremos por millones en todo el mundo (en EEUU circulan actualmente 145 millones de autos) y que los utilizamos diariamente; estudiaremos los motores a gasolina y a petróleo principalmente (ciclos Otto y Diesel), pero también estos motores pueden funcionar con gas, aire caliente o las mezclas de varios combustibles. Aprenderemos a diseñar los motores y a seleccionarlos según nuestras necesidades. Finalmente conoceremos un poquito sobre algunas tecnologías que tenemos en nuestros automóviles que siempre es bueno conocerlos, tales como el carburador, el embrague, la caja de cambios, la dirección, etc. Motor Caterpillar 30o6TA Mini Cooper 1,6 lt, 118 a 163 HP Ciclo Motores 14 - Pág. 1
ESQUEMA DE UN MOTOR A COMBUSTION INTERNA 14.1 CICLO MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Este ciclo usa aire como portador de energía, por lo tanto solamente trabajaremos con fórmulas de gases ideales. Motores de Combustión Interna 14 - Pág. 2 Ciclo Motores 14 - Pág. 3
Dónde se utilizan estos ciclos? CORTE DE UN MOTOR A GASOLINA DE 4 TIEMPOS CICLO OTTO DE CUATRO TIEMPOS: Primer automòvil, Karl Benz - Alemania 1886 - Velocidad 13 km/h. Motor de Volskwagen en Lab. Energìa PUCP Motor Ford T, 1914. En 1924 Ford habìa fabricado 10 millones de autos Todos los motores a gasolina usan bujìas para dar chispa en el momento de la combustiòn. La General Mootrs en Detroit, EEUU. construye unos 2 millones de coches al año. Para el 2025 se planea que hayan carreteras que alberguen 1,000 millones de vehìculos. Motor Diesel 120 kw - Lab Energìa PUCP Mini Minor - 1958, Tracciòn delantera, motor transversal Record 24 personas en el interior Motocicleta Honda CB750, 1967 Ferrari, Italia - Fórmula 1 Ganò 8 veces el Campeonato del mundo entre 1961 y 1983 Motor Ultraligero, 1990 Motores de Combustión Interna 14 - Pág. 4 Ciclo Motores 14 - Pág. 5
COMBUSTIBLES Arreglo de cilindros de Combustiòn Interna El número de octanos (OC- TANAJE) indica la capacidad ANTIDETONANTE!!! del combustible en las gasolinas. En el petròleo es el nùmero de cetanos (CET- ANAJE) La gasolina de 95 octanos (95 SP) quiere decir que no tiene plomo en su composiciòn, por lo que se le llama la gasolina ecològica. El plomo puede producir càncer pues el organismo no lo absorbe. Motor de 6 cilindros en lìnea (Ford Motors Co.) Motor Transversal V-6 de 2.8 litros, tracciòn delantera - Chevrolet Motores de Combustión Interna 14 - Pág. 6 Ciclo Motores 14 - Pág. 7
CICLO OTTO IDEAL de 4 tiempos 1. CICLO OTTO (MOTORES A GASOLINA) Aplicaciones: - Transporte vehicular. - Motocompresores. - Motobombas. - Pequeños grupos electrógenos. Tambièn se les llama motores de mezcla, pues la gasolina y el aire ya entran mezclados al motor (en el carburador) a) Motor de 4 tiempos: 1er Tiempo: ADMISIÓN. La mezcla de gasolina y aire entran al motor debido a que el pìstón crea una succiòn al bajar. En esta etapa la masa es variable y la presiòn dismuinuye un poco menos que la presiòn atmosfèrica. El cigueñal da media vuelta de giro. 3er Tiempo: EXPANSION m (constante) Salta la chispa: COMBUSTIÓN Relación de Compresión: r k En los motores a gasolina el r k varía entre 6:1 a 12:1. Gasolina (Octanaje) Octanaje: Capacidad antidetonante. Suponer mayor presión a mayor octanaje. r k = (Vm + Vc )/Vm Se alcanza mayores rendimientos cuando la relaciòn de presiones es mayor, por lo que tambièn es necesario usar combustibles que aguanten màs la compresiòn, por eso se aumenta el octanaje en las gasolinas. (ver pàg.13) 4to Tiempo: EXPULSIÓN 2do Tiempo: COMPRESIÓN Eleva la temperatura de la mezcla. PMS : Punto Muerto Superior PMI : Punto Muerto Inferior. La masa es constante y se produce la compresiòn de la mezcla, aumentàndose la presiòn y la temperatura. De este tiempo depende la eficiencia del motor. Esta etapa solamente sirve para expulsar los gases de combustiòn que estàn en el motor. La masa varía. Tambièn se le llama etapa de escape o descarga. La presiòn aumenta hasta que el pistòn llega al punto màximo superior (llamado PMS - punto muerto superior) Relaciòn de Presiones r k = P2/P1 Motores de Combustión Interna 14 - Pág. 8 Ciclo Motores 14 - Pág. 9
DIAGRAMA P -v CICLO OTTO REAL 14.3 Relación de Compresión rk El diagrama P-v real del ciclo se saca del Osciloscopio donde podemos apreciar el ciclo verdadero dentro del motor. Para estudiar màs fàcilmente nosotros lo acondicionamos a un ciclo teòrico ideal, pero manteniendo el mismo trabajo tècnico (àrea dentro del ciclo P-v real). Para evitar cualquier error al hacer este cambio, es que consideramos un Factor de Diagrama fd que corrije cualquier defecto. Wi = fd x Wteòrico En la fase de Compresiòn es cuando se trata de llegar a aumentar la presión solamente con el pistòn. A mayor rk el rendimiento del motor aumenta. En esta figura la relaciòn de compresiòn r k serìa V1 entre V2. Para Disenar un motor debemos definir cual es la relacion de presiones que se debe escoger; esto es muy importante pues de esa decision se construiran miles de motores. Tenemos que decidir tambien cual sera el uso del motor, para segun ello elegir el mejor rk, a menudo se sacrifica el rendimiento en favor de un menor consumo de combustible, tal es el caso de disenar taxis o vehiculos pequenos. Puede notarse que el valor del rendimiento tèrmico del ciclo solamente depende de la relaciòn de compresiòn rk; por lo tanto tambièn dependerà del tipo de gasolina (nùmero de octanos) que se utilice. Un mejor motor (mejor rendimiento) debe usar gasolina de mayor octanaje, puesto que su capacidad antidetonante puede hacer que pueda comprimirse màs sin problemas de autoencendido. Motores de Combustión Interna 14 - Pág. 10 Ciclo Motores 14 - Pág. 11
Ciclo Otto de 2 tiempos FASES DEL CICLO DE 2 TIEMPOS PARA UN MOTOR CON VÁLVULA DE ESCAPE (Motor de Motocicleta) CARBURADOR Ciclo Otto Diferencias : Solamente tiene una vàlvula que hace las veces de vàlvula de admisiòn y escape. Se usa en los motores lentos y en los muy pequeños. En la figura podemos apreciar que el motor hace todos los tiempos que un motor de 4 tiempos, pero el cigueñal solamente hace esto en UNA SOLA VUELTA!!!. Se tiene problemas mecànicos en la fase de admisiòn, pùes - como es muy ràpido el ciclo - no se puede separar exactamente la cantidad de combustible que pueda salirse por la vàlvula. El carburador sirve para gasificar el combustible y lo hace a traves de una pequena tobera- Funciona como los rociadores de agua, o los flits, o los pulverizadores de pintura. Solo se usan en los ciclos otto porque los motores diesel inyectan directamente el combustible dentro del motor. No vayas a buscar un carburador en un Motores de Combustión Interna 14 - Pág. 12 Ciclo Motores 14 - Pág. 13
14.4 Ciclo Diesel 1. MOTOR DIESEL: (PETROLEO) Aplicaciones: - Transporte vehicular. - Propulsión fluvial - Propulsión naval. - Centrales Térmicas. En el diagrama p -v real del ciclo podemos apreciar varias curvas; estas dependen de si el motor es rapido o lento. Pero el diagrama p-v ideal o teorico sigue siendo de la misma forma!! Motor a cuatro tiempos: - 1er Tiempo: ADMISIÓN Sólo entra aire (no existe carburador) - 2do Tiempo: COMPRESIÓN Eleva la temperatura a una mayor que la de la combustión del combustible. No existe bujía. - 3er Tiempo: INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE Combustión. - 4to Tiempo: EXPULSIÓN O ESCAPE. Eliminan gases del cilindro. algunos motores tienen una pequena bujia para el arranque del motor, pero que una vez que el ciclo se inicia deja de trabajar. En la figura inferior se muestra el probador de inyectores del laboratorio de energia de la PUCP CETANO: capacidad antidetonante. El funcionamiento es similar al ciclo Otto, solamente cambia en la fase de la inyecciòn del combustible. Ahora serà un proceso isobàrico en lugar de un proceso isocòrico. dq = du + p dv = dh - v dp Como la presiòn es constante usaremos la segunda igualdad y dq = dh = m (h - h ) Motores de Combustión Interna 14 - Pág. 14 Ciclo Motores 14 - Pág. 15
CICLO DIESEL DE DOS TIEMPOS: (BARCOS) 14.7 Ciclo Dual o Mixto 1. CICLO DUAL: (Mixto: Gasolina y gas) Si las presiones superiores, por razones de orden constructivo o de técnica de combustión (detonación) resultan muy altas, entonces se hace que el encendido tenga lugar más tarde, por lo que la combustión no sólo transcurre isócora, sino también, isóbaramente, debido a la rapidez creciente del pistón. Este caso es similar al ciclo Otto, pero tambien se tiene el factor de la relacion de admision como parametro. TURBO COMPRESOR Se utiliza para aumentar la eficiencia en los motores, especialmente los de petroleo. Sirven para introducir mayor cantidad de aire en el motor y por lo tanto podemos introducir mas combustible, entonces el calor suministrado aumentara, por lo tanto tambien el trabajo tecnico. En realidad este ciclo se asemeja mas a los ciclos reales. Si juntaramos el punto 2 con el 3 tendriamos un ciclo Diesel y, si juntamos el punto 3 con el 4 tendremos un ciclo Otto. Ya existen en el Peru los autos que utilizan gasolina y gas alternativamente, depende del conductor pues solamente tiene que accionar un switch para decidir en que momento usa cualquier tipo de combustible. Cuando llegue el gas de Camisea a Lima esta puede ser uansoluciòn al problema del transporte. Motores de Combustión Interna 14 - Pág. 16 Ciclo Motores 14 - Pág. 17
14.10 Ciclo Wankel Este motor fue creado por el inventor alemàn Fèlix Wankel, en 1954. Recièn actualmente se tienen unos 500,000 automòviles en todo el mundo. Es mejor que los motores a pistòn, por ejemplo un motor de pistòn V-8 de 195 HP tiene 1029 piezas, pesa 600 lb y ocupa 15 ft 3 ; mientras que un motor Wankel de la misma potencia tiene 633 piezas, pesa 237 libras y ocupa 5 ft 3. Ademàs, no tiene vàlvulas!. Opera como el ciclo Otto de 4 tiempos. El nombre matemático de la forma de la camara es epitrozoide. No tuvo mucho éxito debido a los problemas en el diseño del sello del àpice que se usaba para sellar los compartimientos, ahora con los nuevos materiales cerámicos se soluciona este problema. El Mazda RX-7 es el único auto comercial que usa este motor giratorio. 14.11 Ciclo Stirling Los Motores Stirling pueden ser la solucion del futuro. En estos motores no se mezcla el combustible con el aire, estan completamente separados, es decir son motores de aire caliente propiamente dichos, Entonces, tiene la ventaja que el calor puede ser suministrado por cualquier cosa que se queme, puede ser cualquier combustible, lena, carbon, etc y se puede usar hasta basura, energia solar y cualquier La combustion es externa por lo que podemos quemar todo lo que queramos!!. Están investigando en corazones artificiales usando este tipo de motor, solamente con el calor del cuerpo...y la otra temperatura serìa el ambiente... Motores de Combustión Interna 14 - Pág. 18 Ciclo Motores 14 - Pág. 19
14.5 Nomenclatura de Motores DEFINICIONES EN EL ANÁLISIS DE LOS M.C.I Diagrama Indicado: Se denomina así, al diagrama P-v del ciclo real en un MCI. Este diagrama se obtiene a través de aparatos denominados indicadores de diagramas. Trabajo Indicado:(W i ) Es el trabajo realmente efectuado por los gases dentro del cilindro, sobre el pistón. Se determina mediante la integración mecánica con un integrador del área del diagrama indicado. Los dinamometros tratan de frenar el eje y como eso te levanta puedes conocer la fuerza (peso) y por distancia (tu brazo) tendremos el torque. Las revoluciones por minuto RPN se miden con los tacometros o con los estroboscopios (como las luces de las discotecas) sin tener que haber contacto con el eje. Motor de Combustión interna en el Lab, de Energìa, se puede observar el torquímetro que mide directamente el Torque del eje de los motores. Esta es la FORMULA que da la potencia de TODO EL MOTOR!! Motores de Combustión Interna 14 - Pág. 20 Ciclo Motores 14 - Pág. 21
14.6 Curiosidades de esta tecnologìa A mayor diferencia de temperatiuras en un ciclo su rendimiento es mayor (recordemos a Carnot); por eso tratamos de bajarle lo mas posible el calor evacuado, por eso usamos el radiador. Los volskwagen tipo escarabajo no tienen radiadores, solamente refrigeran por aire. Motores de Combustión Interna 14 - Pág. 22 Ciclo Motores 14 - Pág. 23
Embrague Caja de Cambios Sirve para cambiar la velocidad del carro, en realidad intercambia el torque con la velocidad para tener una misma potencia. Sirve para desconectar el motor - que siempre esta funcionando - del carro mismo. Motores de Combustión Interna 14 - Pág. 24 Ciclo Motores 14 - Pág. 25
Problemas 1.- En un motor ideal a gasolina se obtuvieron los siguientes datos: r k = 9, T 1 = 27 C, P 1 = 1bar, z = 4 cilindros, 10 3 RPM, 2 tiempos, L = 12cm, D = 10cm, relación de aire-combustible: m a / m c = 16, Poder Calorífico, PC = 40000kJ/kg. Se pide: a) La potencia desarrollada por el motor (kw) b) Consumo específico de combustible (kg/kw-h) c) Calor del combustible (kw) d) Eficiencia (%) Motores de Combustión Interna 14 - Pág. 26 Ciclo Motores 14 - Pág. 27
2. Un motor Diesel tiene una relación de compresión de 18 y el cierre de la inyección de combustible ocurre al 10% de la carrera; si la presión y la temperatura del aire al inicio de la compresión son 1 bar y 27 C, determinar: a) El calor suministrado al ciclo, en kj/kg. b) La temperatura del aire al final de la expansión. c) La eficiencia térmica del ciclo, en %. d) Si el volumen de desplazamiento es de 400cm 3 y el motor es monocilíndrico, determinar el diámetro y la carrera del pistón en cm, si D/L = 0.8 3. Se tiene un motor de combustión interna de las siguientes características: Motor de 2 tiempos y de 10 cilindros. L = 50cm D = 40cm Presión Media Indicada (pmi) = 10 bar. n = 500 rpm. Eficiencia Mecánica = 80% Eficiencia Térmica = 40% Poder Calorífico = 40 MJ/kg. Se pide calcular el consumo específico de combustible en kg/kw-hr. Motores de Combustión Interna 14 - Pág. 28 Ciclo Motores 14 - Pág. 29
4. Se tiene dos ciclos: OTTO y DIESEL. Grafique en un mismo diagrama P-v y en un mismo diagrama T-s, los ciclos mencionados y determine cual de ellos es más eficiente para las condiciones dadas a continuación: a) Igual estado inicial, igual temperatura y presión máxima. b) Igual estado inicial. Igual presión máxima e igual trabajo neto. 5. En un motor ideal de explosión se obtuvieron los siguientes datos: Relación de compresión: 9 T 1 = 27 C P 1 = 1 bar 4 cilindros n = 1000 rpm 2 tiempos L = 12 cm D = 18 cm Relación aire /combustible = 40 MJ /kg. Se pide determinar: a) La potencia desarrollada por el motor en kw. b) El consumo específico de combustible, en kg /kw-hr. c) El calor suministrado al ciclo, en kw. d) La eficiencia térmica del ciclo, en %. Motores de Combustión Interna 14 - Pág. 30 Ciclo Motores 14 - Pág. 31
6. El consumo específico de combustible al freno de un motor Diesel es de 0.3348kg /kw-hr, con un combustible cuyo poder calorífico es de 44MJ/kg. y una eficiencia mecánica de 80%. Determinar: a) La eficiencia térmica indicada, en %. b) La presión media indicada, si la relación aire combustible es de 18, la eficiencia volumétrica es de 82% y al inicio de la compresión las condiciones del aire son; 1 bar y 18 C. 7. Se tiene un motor Diesel que desarrolla una potencia de 10MW, se pide determinar el diámetro y la carrera del pistón, en cm. Si se conocen los siguientes datos: n = 500rpm relación aire /combustible = 18 eficiencia mecánica = 90% condiciones ambientales : 1bar y 20 C. Motor de 4 tiempos. Poder Calorífico = 45.6MJ /kg. Densidad del combustible = 0.85 kg /litro Eficiencia Térmica del ciclo = 40% Eficiencia Volumétrica = 80% Motores de Combustión Interna 14 - Pág. 32 Ciclo Motores 14 - Pág. 33