UNIDAD I.- Clasificación y funcionamiento de los motores de fluidos compresibles. 1.1. Definición, clasificación y principio de funcionamiento. Es una máquina de fluido que transforma parte de la energía almacenada en un fluido compresible, en energía mecánica útil asociada al movimiento de un cuerpo rígido. La palabra térmico asociada a este tipo de máquinas, proviene del hecho de que la forma en la cual se eleva comúnmente la energía almacenada en el fluido compresible, se realiza a través de una adición de calor. En la mayoría de máquinas térmicas la adición de calor con la cual se eleva la energía almacenada en un fluido compresible, se realiza a través de un proceso químico de combustión, razón por la cual son comunes las designaciones "Máquinas de combustión" o "Motores de combustión
FORMAS DE CLASIFICAR A LOS MOTORES DE FLUIDOS COMPRESIBLES Como se mencionó anteriormente al hablar de motores de fluidos compresibles se hace referencia normalmente a motores de combustión, y es precisamente en base a esta característica que se clasifican este tipo de máquinas. Los motores térmicos o de combustión se clasifican de acuerdo a que ocurra o no el proceso de la combustión en el fluido de trabajo (fluido del cual toma la energía el motor), encontrándose la siguiente subdivisión: Motor de combustión interna. Motor de combustión externa.
LOS MOTORES DE FLUIDOS COMPRESIBLES TAMBIEN SE PUEDEN CLASIFICAR DE LA SIGUIENTE FORMA TIPO DE COMBUSTIÓN CICLO TERMODINAMICO TIPO DE COMBUSTIBLE DISEÑO DEL MOTOR APLICACIÓN TIPO DE ENFRIAMIENTO
TIPO DE COMBUSTIÓN. Motor Otto o de encendido provocado, en los que la combustión se inicia mediante una chispa. Los primeros motores incorporaban una llama externa para el encendido, sin embargo este sistema quedó pronto obsoleto siendo sustituido por un tubo caliente que se empleó hasta la Primera Guerra Mundial. Desde entonces, la ignición es eléctrica (bujía) ya que permite controlar la ignición (el momento en el que se ha de producir) y subsana los problemas de reducida vida útil y riesgo de explosión de los sistemas anteriores. Para evitar la explosión espontánea de la mezcla, estos motores no pueden alcanzar grandes presiones, limitándose en la práctica hasta relaciones de compresión de 11 a 1, mientras que los motores diésel pueden alcanzar valores de hasta 21 a 1, ya que el combustible diesel es introducido en la cámara de combustión en el momento preciso de la ignición, y no antes de la compresión. Motor diésel o de encendido por compresión, en los que la compresión de la mezcla es suficiente para provocar su autoinflamación. En este motor se utilizan valores elevados de compresión para lograr lo que se denomina "temperatura de ignición" cuando el pistón se encuentra en el PMS, y es en ese momento cuando se inyecta el combustible dentro de la cámara por medio de una bomba de alta presión y un inyector, variando la cantidad de combustible para controlar la potencia entregada por el mismo. Cabe destacar que en este tipo de motores se obtienen rendimientos superiores al de ciclo Otto, mientras gran parte por la compresión a la que pueden trabajar, aprovechando mejor el combustible ya que son del tipo "mezcla pobre".
CICLO TERMODINAMICO Ciclo de cuatro tiempos, en los que el ciclo termodinámico se completa en cuatro carreras del émbolo y dos vueltas del cigüeñal. En estos motores, la renovación de la carga se controla mediante la apertura y cierre de las válvulas de admisión y escape. Ciclo de dos tiempos, el ciclo termodinámico se completa en dos carreras del émbolo y una vuelta del cigüeñal. La renovación de la carga se logra por barrido, al desplazar la nueva mezcla los gases de la combustión previa, sin la necesidad de válvulas, ya que es ahora el propio émbolo el que con su movimiento descubre las lumbreras de admisión y escape regulando el proceso.
TIPO DE COMBUSTIBLE El uso de combustibles líquidos, de gran poder calorífico, lo que proporciona elevadas potencias y amplia autonomía. Estos combustibles son principalmente la gasolina en los motores Otto y el gasóleo o diésel en los motores diésel aunque también se usan combustibles gaseosos como el hidrógeno molecular, el metano o el propano. Rendimientos aceptables, aunque raramente sobrepasan el 50% (téngase en cuenta que rendimientos del 100% son imposibles). Amplio campo de potencias, desde 0,1 kw hasta más de 30 MW lo que permite su empleo en la alimentación de máquinas manuales pequeñas así como grandes motores marinos.
Combustible empleado. Estos motores están alimentados en su mayoría (aunque existen desarrollos alternativos) por gasolina o diésel, dos derivados del petróleo que como sabemos es un recurso no renovable, además de sufrir su precio fluctuaciones de consideración. Contaminación. Los gases de la combustión de estos motores son los principales responsables de la contaminación en las ciudades (junto con las calefacciones de combustibles fósiles), lo que da lugar a episodios agudos de contaminación local como el smog fotoquímico y contribuye de forma importante en fenómenos globales como el efecto invernadero y consecuente cambio climático. En algunas aplicaciones, el motor alternativo se ha sustituido con éxito por una turbina, y se han comercializado ya automóviles eléctricos, si bien, con autonomía limitada debido al peso de las baterías y solares. El principal handicap de estos dos últimos sistemas es que las prestaciones del vehículo son notablemente inferiores a las proporcionadas por un motor de combustión interna alternativo, por lo que su demanda es muy reducida.
COMPONENTES DE LAS MAQUINAS DE COMBUSTION INTERNA CICLO OTTO Disposición constructiva Las formas comunes de disposición de los cilindros son en v y en línea, con un número de cilindros variable en función de la potencia del motor. También existe la disposición en Boxer ó disposición opuesta. Caras activas del pistón Los motores comunes tienen una única cara activa (motores de simple efecto) ya que sólo la cara superior del pistón está en contacto con el fluido motor (mezcla carburada y gases de combustión), de modo que el efecto útil se produce siempre en el mismo sentido, durante la carrera descendente del pistón. En cambio, en los motores de doble efecto, ambas caras del pistón son activas, produciéndose efecto útil en ambas carreras del pistón
CICLO OTTO Presión de admisión Los motores atmosféricos son aquellos en los que la presión en la admisión es la atmosférica (o algo menor), a diferencia de los sobrealimentados, en los que la presión de admisión es superior a la atmosférica, para lo que se emplea un compresor (generalmente turbocompresor). Los motores sobrealimentados se emplean cada vez más, ya que manteniendo el tamaño del motor (peso) proporcionan mayor potencia. Adicionalmente, al independizarse el motor de la presión atmosférica exterior, se logra paliar la pérdida de rendimiento al trabajar a gran altura.
APLICACION Son los motores comúnmente utilizados en aplicaciones autónomas (independientes de la red eléctrica) empleándose en los automóviles, motos y ciclomotores, camiones y demás vehículos terrestres, incluyendo maquinaria de obras públicas, maquinaria agrícola y ferrocarril; también son de este tipo los motores marinos, incluidos los pequeños motores fuera borda. Igualmente fueron empleados en los albores de la aviación, si bien con posterioridad han sido sustituidos por turbinas, con mejor relación potencia/peso, manteniéndose sólo en pequeños motores. En aplicaciones estacionarias, se emplean en grupos generadores de energía eléctrica, normalmente de emergencia, entrando en funcionamiento cuando falla el suministro eléctrico, y para el accionamiento de máquinas diversas en los ámbitos industrial (bombas, compresores, etc.) y rural (cortacésped, sierras mecánicas, etc.) generalmente cuando no se dispone de alimentación eléctrica.
TIPO DE ENFRIAMIENTO Por líquido, generalmente agua, en los que el calor es evacuado en un radiador. Por aire, mediante un ventilador, en aplicaciones militares para incursiones al desierto donde no hay agua para refrigerara el motor y motores de vehículos convencionales Ej.: el Volksvawen Escarabajo o algunos Porshe. Comúnmente los automóviles, refrigerados por agua, incorporan un ventilador que se pone en marcha de forma automática cuando la temperatura del agua aumenta de un valor determinado. En aplicaciones militares es común el uso de motores refrigerados por aire que añaden a su mayor simplicidad mecánica el evitar el riesgo de que el vehículo quede inutilizado por la perforación del radiador; sin embargo, para que la refrigeración sea efectiva, la geometría del motor no puede ser compacta, ya que el aire debe circular alrededor de los cilindros para evacuar el calor, por eso, estos motores son más grandes y vibran más.
PRINCIPIO Y FUNCIONAMIENTO DE LOS MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Un motor de combustión interna es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química producida por un combustible que arde dentro de una cámara de combustión, la parte principal de un motor. Se utilizan motores de combustión interna de tres tipos: Motores de encendido por chispa Motores de encendido por compresión turbinas
MOTORES DE ENCENDIDO POR CHISPA El ciclo Otto es el ciclo termodinámico ideal que se aplica en los motores de combustión interna de encendido por chispa. Se caracteriza porque todo el calor se aporta a volumen constante. El ciclo consta de cuatro procesos: 1-2: Compresión adiabática 2-3: Ignición, aporte de calor a volumen constante. La presión se eleva rápidamente antes de comenzar el tiempo útil 3-4: Expansión adiabática o parte del ciclo que entrega trabajo 4-1: Escape, cesión del calor residual al medio ambiente a volumen constante
Ciclo Otto Ciclo Otto en función de la presión y el volumen. Hay dos tipos de motores que se rigen por el ciclo de Otto, los motores de dos tiempos y los motores de cuatro tiempos. Este, junto con el motor diésel, es el más utilizado en los automóviles ya que tiene un buen rendimiento y contamina mucho menos que el motor de dos tiempos.
MOTOR DE DOS TIEMPOS 1. - (Admisión - Compresión). Cuando el pistón alcanza el PMI (Punto Muerto Inferior) empieza a desplazarse hasta el PMS (Punto Muerto Superior), creando una diferencia de presión que aspira la mezcla de aire y gasolina por la lumbrera de admisión. Cuando el pistón tapa la lumbrera, deja de entrar mezcla, y durante el resto del recorrido el pistón la comprime. 2.- (Expansión - Escape de Gases). Una vez que el pistón ha alcanzado el PMS y la mezcla está comprimida, se la enciende por una chispa entre los dos electrodos de la bujía, liberando energía y alcanzando altas presiones y temperaturas en el cilindro. El pistón se desplaza hacia abajo, realizando trabajo hasta que se descubre la lumbrera de escape. Al estar a altas presiones, los gases quemados salen por ese orificio.
El rendimiento de este motor es inferior respecto al motor de 4 tiempos, ya que tiene un rendimiento volumétrico menor y el escape de gases es menos eficaz. También son más contaminantes. Por otro lado, suelen dar más potencia para la misma cilindrada, ya que este hace una explosión en cada revolución, mientras el motor de 4 tiempos hace una explosión por cada 2 revoluciones, y cuenta con más partes móviles. Éste tipo de motores se utilizan mayoritariamente en motores de poca cilindrada (motocicletas, cortacésped, motosierras, etc), ya que es más barato y sencillo de construir.
MOTOR DE CUATRO TIEMPOS 1. - Durante la primera fase el pistón se desplaza hasta el PMI y la válvula de admisión permanece abierta, permitiendo que se aspire la mezcla de combustible y aire hacia dentro del cilindro. 2.- Durante la segunda fase las válvulas permanecen cerradas y el pistón se mueve hacia el PMS, comprimiendo la mezcla de aire y combustible. Cuando el pistón llega al final de esta fase, la bujía se activa y enciende la mezcla. 3.- Durante la tercera fase se produce la combustión de la mezcla, liberando energía que provoca la expansión de los gases y el movimiento del pistón hacia el PMI. Se produce la transformación de la energía química contenida en el combustible en energía mecánica trasmitida al pistón. El pistón la trasmite a la biela, y la biela la trasmite al cigüeñal, de donde se toma para su utilización. 4.-En la cuarta fase se abre la válvula de escape y el pistón se mueve hacia el PMS, expulsando los gases producidos durante la combustión y quedando preparado para empezar un nuevo ciclo.
Para mejorar el llenado del cilindro, también se utilizan sistemas de sobrealimentación. una de las formas llegar a una sobre alimentación bien "equilibrada" (ya que la mezcla de gasolina y aire tiene que ser justa para una buena combustión) es poniendo un filtro de aire de admisión directa que hace que no haya excedentes de gasolina en la cámara de compresión ya que los filtros convencionales frenan mucho el aire.
EFICIENCIA La eficiencia de los motores Otto modernos se ve limitada por varios factores, entre otros, la pérdida de energía por la fricción y la refrigeración. En general, la eficiencia de un motor de este tipo depende de la relación de compresión, proporción entre los volúmenes máximo y mínimo de la cámara de combustión. Esta proporción suele ser de 8 a 1 o 10 a 1 en la mayoría de los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores, como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de octano. Una relación de compresión baja requiere un octanaje bajo para evitar los efectos de detonación del combustible, es decir, que se produzca una autoignición del combustible antes de producirse la chispa en la bujía. De la misma manera, una compresión alta requiere un combustible de octanaje alto para evitar el mismo problema. La eficiencia media de un buen motor Otto es de un 20 a un 25%: sólo la cuarta parte de la energía calorífica se transforma en energía mecánica.
IGNICIÓN Tapa del distribuidor. Todos los motores tienen que disponer de una forma de iniciar la ignición del combustible dentro del cilindro. Por ejemplo, el sistema de ignición de los motores Otto, existe un componente llamado bobina de encendido, el cual es un auto-transformador de alto voltaje al cual se le conecta un conmutador que interrumpe la corriente del primario para que se induzca la chispa de alto voltaje en el secundario. Dichas chispas están sincronizadas con la etapa de compresión de cada uno de los cilindros; la chispa es dirigida al cilindro específico de la secuencia utilizando un distribuidor rotativo y unos cables de grafito que dirigen la descarga de alto voltaje a la bujía. El dispositivo que produce la ignición es la bujía, un conductor fijado a la pared superior de cada cilindro. Si la bobina está en mal estado se sobrecalienta; esto produce pérdida de energía, aminora la chispa de las bujías y causa fallos en el sistema de encendido del automóvil. La bujía contiene en uno de sus extremos dos electrodos separados entre los que la corriente de alto voltaje produce un arco eléctrico que enciende el combustible dentro del cilindro.1sistema de encendido..mp4
SISTEMA DE ARRANQUE Al contrario que los motores y las turbinas de vapor, los motores de combustión interna no producen un par de fuerzas cuando arrancan (véase Momento de fuerza), lo que implica que debe provocarse el movimiento del cigüeñal para que se pueda iniciar el ciclo. Los motores de automoción utilizan un motor eléctrico (el motor de arranque) conectado al cigüeñal por un embrague automático que se desacopla en cuanto arranca el motor. Por otro lado, algunos motores pequeños se arrancan a mano girando el cigüeñal con una cadena o tirando de una cuerda que se enrolla alrededor del volante del cigüeñal. Otros sistemas de encendido de motores son los iniciadores de inercia, que aceleran el volante manualmente o con un motor eléctrico hasta que tiene la velocidad suficiente como para mover el cigüeñal; los iniciadores explosivos, que utilizan la explosión de un cartucho para mover una turbina acoplada al motor; oxígeno para alimentar las cámaras de combustión en los primeros movimientos (grandes motores). Los iniciadores de inercia y los explosivos se utilizan sobre todo para arrancar motores de aviones.
ESCAPE Y ANTICONTAMINACIÓN ELEMENTOS BÁSICOS Múltiple de Escape Convertidor catalítico Sujetadores de Tubería de Escape Silenciador (Muffler) / Resonador Colas de escape
Sistema de Escape El escape desempeña un papel decisivo en TRES ÁMBITOS: 1- PROTECCIÓN DEL MEDIO AMBIENTE 2- CONFORT ACÚSTICO 3- PRESTACIONES DEL MOTOR (potencia, par, consumo)
Sistema de Escape CÓMO SE PRESENTA EL ESCAPE? La línea de escape va desde el motor hasta la parte trasera del vehículo, que es su única parte visible. El conjunto de los elementos que constituyen la línea de escape mide aproximadamente 3 metros y va enganchado bajo la caja del vehículo. Su forma varía en función de la motorización y del tipo de vehículo.
Sistema de Escape PARA QUÉ SIRVE EL ESCAPE? 1- Canalizar y evacuar los gases resultantes de la combustión del combustible. En un motor de explosión, los gases quemados son recogidos por el colector de escape y, después, encaminados hacia el silencioso delantero, el silencioso trasero y la salida. 2- Asegurar la descontaminación y la reducción de los humos La combustión desprende cuatro tipos de contaminantes nocivos: - el monóxido de carbono, - los hidrocarburos, resultantes de una combustión incompleta, - los óxidos de nitrógeno, - los humos específicos a los motores Diesel El catalizador se encarga de reducir estos contaminantes mediante reacción química.
Sistemas de Escape PARA QUÉ SIRVE EL ESCAPE?(2) 3-Reducir las emisiones térmicas A la entrada del colector, los gases de combustión tienen una temperatura de orden de 900ºC. Este calor presentaría un peligro si fuera evacuado directamente. El contacto con el aire, en toda la superficie de la línea de escape, contribuye a reducir la temperatura. 4-Disminuir el nivel sonoro Las explosiones provocadas por el ciclo del motor producen ruido. El papel del silencioso o silenciador es atenuar estos perjuicios acústicos.
Sistema de Escape Emisiones del escape Carbonilla: no es nociva, pero actúa como condensador de sustancias más perjudiciales. Los motores que producen humos con gran cantidad de carbonilla son molestos y polucionantes y dificultan la visibilidad. Hidrocarburos: (HC) combustible incompletamente quemado. La mayor parte no son nocivos, pero algunos de ellos huelen mal e irritan los ojos y mucosas. Una elevada temperatura reduce el contenido de HC. Las emisiones de hidrocarburos contribuyen a la formación de la niebla fotoquímica. Óxidos de nitrógeno: (NO) aparecen en los gases de escape de motores diesel. Son principalmente el NO, incoloro e inodoro, y el NO2, de color rojizo y de olor picante e irritante. El NO2 ocasiona daños en los pulmones y se combina fácilmente con la hemoglobina de la sangre e impide que ésta transporte el oxígeno. Existen posibilidades de eliminarlos, pero debe ser a base de construcciones de motor más caras y consumos de combustible mayores. Monóxido de carbono: (CO) es incoloro e inodoro. Es nocivo debido a que se combina muy fácilmente con la hemoglobina de la sangre e impide que transporte el oxígeno. La consecuencia última es la asfixia.
Sistema de Escape Motor Diesel y contaminación La regulación o el reglaje electrónico de las bombas inyectoras de gasoil, o el comando de los conjuntos inyectores-bombas se torna cada día más importante sobre los vehículos Diesel en general Estos dispositivos presentan las siguientes particularidades: 1) Los mismos disponen de una extensa gama de "programas", que permiten una adaptación del sistema de inyección a las normas vigentes en cada país, y a los distintos tipos de vehículos y aplicaciones. 2) Estos realizan el reglaje o la regulación de la inyección en función de criterios ya determinados. La optimización casi instantánea de las cantidades de gasoil inyectado, en función del estado de carga del motor, contribuye a la disminución de las emisiones contaminantes tales como; los óxidos de nitrógeno; las partículas y los hidrocarburos no quemados. 3) La unidad de control electrónico o calculador, corazón del sistema, recibe las señales o pulsos eléctricos enviadas por las distintos "sensores" o sondas; de temperatura de aire de admisión y del circuito de enfriamiento del motor; de la presión de sobrealimentación; de la velocidad del motor; de la posición o relación de caja de velocidades colocada; de la posición de la mariposa de aceleración; etc. Estos comandos electrónicos de inyección, evitan las variaciones demasiado importantes de los niveles de contaminación en función del funcionamiento
Sistema de Escape Motor Otto y Contaminación Gases de escape menos contaminantes. La concentración de los elementos contaminantes en los gases de escape depende directamente de la proporción aire/gasolina. Para reducir la emisión de contaminantes es necesario preparar una mezcla de una determinada proporción. Los sistemas de inyección permiten ajustar en todo momento la cantidad necesaria de combustible respecto a la cantidad de aire que entra en el motor.
1.3. Principio de funcionamiento de los motores reciprocantes de combustión externa. Motor Stirling.
El Motor Stirling fue inventado en 1816 por Robert Stirling, reverendo escocés. El objetivo era tener un motor menos peligroso que la máquina de vapor. El principio de funcionamiento es el trabajo hecho por la expansión y contracción de un gas (normalmente helio, hidrógeno, nitrógeno o simplemente aire) al ser obligado a seguir un ciclo de enfriamiento en un foco frío, con lo cual se contrae, y de calentamiento en un foco caliente, con lo cual se expande. Es decir, es necesaria la presencia de una diferencia de temperaturas entre dos focos y se trata de un motor térmico. Este motor, de gran antigüedad, continúa en investigación gracias a la versatilidad de fuentes de energía utilizables para su funcionamiento, ya que al necesitar solamente una fuente de calor externa al cilindro, es posible usar una gran variedad de fuentes energéticas (energía solar térmica, todo tipo de combustibles, uso de la biomasa, energía geotérmica, etcétera). Hoy existe una variedad de artefactos que utilizan este principio, incluso algunos con base acústica.
MOTOR STIRLING Existe un elemento del motor, llamado regenerador, que, aunque no es indispensable, permite alcanzar mayores rendimientos. Éste, tiene la función de absorber y ceder calor en las evoluciones a volumen constante del ciclo. El regenerador es un medio poroso, con conductividad térmica despreciable. Divide al motor en dos zonas: zona caliente y zona fría. El fluido se desplaza de la zona caliente a la fría a lo largo de los diversos ciclos de trabajo, atravesando el regenerador. Es de esperarse que los fabricantes de motores Stirling construyan en gran escala unidades pequeñas de ese mismo tipo, (con disco solar) como por ejemplo con capacidad de producir unos 200 a 400 kwh al mes (equipos de 1 a 2 kw de potencia aproximadamente); especialmente para los países situados entre los trópicos, pues en estas zonas la cantidad de radiación solar es grande a lo largo de todo el año y a su vez es la región donde hay mas población dispersa. El motor Stirling es el único capaz de aproximarse (teóricamente lo alcanza) al rendimiento máximo teórico conocido como rendimiento de Carnot, por lo que, en lo que a rendimiento de motores térmicos se refiere, es la mejor opción. Conviene advertir que no serviría como motor de coche, porque aunque su rendimiento es superior, su potencia es inferior (a igualdad de peso) y el rendimiento óptimo sólo se alcanza a velocidades bajas.
CICLO STIRLING El ciclo Stirling es un ciclo termodinámico del motor Stirling que busca obtener el máximo rendimiento. Por ello, es semejante al ciclo de Sadi Carnot. A diferencia de la máquina de Carnot, (la cual logra la mayor eficiencia) esta máquina está constituida por dos adiabáticas reversibles y dos isocoras. Existe también una máquina similar según el ciclo Ericsson, la cual consta de dos adiabáticas reversibles y dos isobaras. El ciclo Stirling Ideal Gráfico que muestra el ciclo Stirling Ideal con sus cuatro procesos El Ciclo Stirling Ideal consiste de cuatro procesos termodinámicos que actúan sobre el fluido de trabajo: 1-2. Compresión Isotérmica 2-3. Adición de calor a volumen constante (isócorico o isócoro). Qr 3-4. Expansión Isotérmica 4-1. Extracción de calor a volumen constante. Qr