MOTORES TÉRMICOS
- INTRODUCCIÓN
Los motores térmicos son aquellos que transforman la energía térmica en mecánica. Los podemos clasificar en dos grandes grupos, los de combustión externa realizan la combustión de una manera continua fuera del propio motor, como por ejemplo la antigua máquina de vapor y las actuales centrales térmicas; los de combustión interna realizan la combustión dentro de la propia máquina, como por ejemplo el motor Otto, motor Diesel, motor rotativo y turbina de gas.
En todos los motores de este tipo se precisa un comburente, normalmente oxígeno del aire, y un combustible que puede ser líquido: gasolina, gasoil, alcohol o aceite vegetal, gaseoso: butano, propano, metano, etc. y sólido: carbón, uranio, etc.
También puede hacerse una clasificación de los motores de combustión interna en función del número de carreras necesarias o tiempos para completar un ciclo. Así tenemos los motores de dos tiempos (2T) y los de cuatro tiempos (4T).
- ELEMENTOS FUNDAMENTALES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
En este apartado nos centraremos en los motores de combustión interna con ciclo Otto y Diesel. Describimos a continuación los elementos que componen los motores.
Culata: es el elemento que protege la parte superior del motor.
Bloque: se encuentra entre la culata y el cárter. Es la parte más pesada del motor. En él se encuentran los cilindros, los orificios de refrigeración y lubricación, así como los soportes de diferentes piezas del motor.
Cárter: es el elemento que protege la parte inferior del motor a la vez que sirve para depósito de lubricante.
Cilindro: es un hueco con forma cilíndrica practicado en el bloque en él que se realiza la combustión y sobre el que se desplaza el pistón.
Émbolo o pistón: se encuentra en el cilindro y puede desplazarse sobre él, transformando la energía térmica de la combustión (que se realiza sobre su superficie) en energía mecánica de traslación. Cada desplazamiento del pistón se denomina carrera (L).
Segmentos: son unos aros de un material muy duro y resistente que rodean al pistón y cierran la cámara de combustión con el cilindro, disminuyendo el rozamiento en cada carrera.
Bulón: es el elemento de unión del pistón con la biela.
Biela: junto con el cigüeñal, transforma el movimiento rectilíneo del pistón en rotativo.
Cigüeñal: en él están conectadas todas las bielas del motor y transfiere la energía rotativa a la caja de cambios del motor.
Volante de inercia: acumula energía en forma de momento inercia cuando se realiza una combustión, para cederla al motor cuando la precise, dando la sensación de un movimiento continuo. Se encuentra en un extremo del cigüeñal.
Válvula de admisión: es la válvula que deja pasar los gases de la combustión (comburente más combustible en los motores Otto o bien, sólo comburente en los motores Diesel) al cilindro.
Válvula de escape: es la válvula que deja salir los gases de la combustión al exterior.
Carburador: sólo es necesario en los motores Otto, en él se produce la mezcla de comburente y combustible.
Bomba de inyección: en los motores Diesel, es el elemento que proporciona al combustible la presión necesaria para entrar en el cilindro.
Bujía: se usa en los motores Otto y es el elemento encargado de proporcionar la chispa de ignición en el interior del cilindro.
Delco: en los motores de combustión interna con ciclo Otto, es el elemento distribuidor de la corriente de alto voltaje, que hace llegar por turno a cada una de las bujías.
Inyector: en los motores Diesel, es el elemento encargado de introducir el combustible dentro del cilindro en la proporción y presión determinada.
Cojinetes: son elementos dispuestos entre dos piezas, una fija y otra giratoria para reducir el rozamiento entre ellas, aumentando el rendimiento de la máquina y su vida útil.
Árbol de levas: es un elemento perfectamente sincronizado con el cigüeñal que permite la apertura y cierre de las distintas válvulas del motor controlando sus fluidos.
Tubo de escape: es el elemento que permite la evacuación de los gases, una vez quemados, al exterior.
Silenciador: se encuentra en el tubo de escape, su misión es reducir la contaminación acústica que pueden producir estos motores.
Catalizador: se encuentra en el tubo de escape, su misión es reducir la emisión de monóxido de carbono y la emisión de combustible a la atmósfera.
Embrague: es el elemento que nos permite desconectar y conectar la transmisión de energía mecánica desde el motor al eje de salida.
Caja de cambios: nos permite modificar la relación de transmisión desde el motor a las ruedas en función de las necesidades.
- Principio de funcionamiento
El calor desprendido por la combustión en el interior de un cilindro provoca la expansión de los gases en su interior y el desplazamiento alternativo de un pistón, convirtiendo así la energía térmica del combustible en energía mecánica. Pueden ser de 2 o 4 tiempos y según la forma en la que se inicia la combustión pueden ser de encendido provocado o de explosión (motor Otto) o de encendido por compresión o de combustión (motor Diesel).
Principales diferencias
Motores de 4 tiempos: realizan un ciclo de trabajo útil en cuatro carreras del pistón o dos vueltas completas del cigüeñal.
- Motor Otto: se produce la admisión de combustible y aire, se comprime la mezcla y una chispa provoca el encendido o inicio del proceso de combustión. En estos motores la Rc es menor que en los motores de combustión, ya que si la mezcla se comprime en exceso se produciría la detonación o explosión antes de que salte la chispa, disminuyendo el rendimiento del motor.
- Motor Diesel: en el primer tiempo sólo se produce la admisión de aire, este se comprime y por tanto se eleva su temperatura y en ese momento se inyecta el combustible, produciéndose la ignición e inicio de la combustión, sin necesidad de provocarla mediante una chispa. En estos motores la Rc puede ser mayor al no existir peligro de detonación, por lo que pueden conseguir mayor potencia con menor consumo, pero obliga en su construcción a que sean más robustos, lo que a su vez hace que tengan una respuesta más lenta.
Motores de 2 tiempos: realizan un ciclo de trabajo útil en dos carreras del pistón o una vuelta completa del cigüeñal. Más sencillos en su construcción y mucho más ligeros que los anteriores, se emplean por tanto en motocicletas, motosierras,.... La lumbrera de admisión está comunicada con el carter por lo que el lubricante se mezcla con el combustible y el aire en cada admisión.
Sobrealimentación-TURBO: consiste en aumentar la potencia del motor al incrementar la cantidad de aire y combustible que se introduce en el cilindro en cada ciclo. Para ello hay que comprimir más el aire o la mezcla que se introduzca en el primer tiempo, empleando un compresor que a su vez es accionado por una turbina que se mueve por los gases de escape (turbocompresor).
Tiempos motores de explosión y combustión
- CICLO IDEAL OTTO
Nicolaus Otto fue un ingeniero alemán que, a mediados del siglo XIX, diseñó el motor que lleva su nombre y, aunque en nuestro país es más conocido como el motor de gasolina de cuatro tiempos, pueden utilizarse otros combustibles como alcohol, butano, propano, etc.
Tiempos del motor Otto
Tiempo 1º Admisión. (Transformación isobara 0 - 1): en este momento, el pistón se encuentra en el PMS, se abre la válvula de admisión, se inicia el descenso del pistón hacia el PMI, entrando en el cilindro comburente más combustible mezclados.
Tiempo 2º Compresión. (Transformación adiabática 1 - 2): cuando el pistón llega al PMI se cierra la válvula de admisión y el pistón inicia su ascenso hasta el PMS comprimiendo la mezcla, a expensas de un trabajo negativo W1. Al ser la transformación adiabática no hay transferencia de calor.
Tiempo 3º Combustión – expansión. (Transformación isócora 2 - 3 y adiabática 3 - 4): cuando el pistón se encuentra próximo al PMS, se produce una chispa en la bujía, inflamando la mezcla y aumentando considerablemente la presión dentro del cilindro (Q1 es el calor generado en la combustión). En este momento se inicia la única carrera útil del ciclo haciendo que el pistón pase desde el PMS al PMI.
En la expansión se genera el trabajo positivo W2.
Tiempo 4º Expulsión o escape. (Transformación isócora 4 - 1 e isobara 1-0): cuando llegue de nuevo al PMI se abre la válvula de escape provocando la evacuación de los gases quemados a la atmósfera, el resto de los gases son expulsados por el pistón en su ascenso al PMS. Cuando llega al PMS se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión iniciándose un nuevo ciclo con el descenso del pistón.
NOTAS:
PMS (Punto Muerto Superior). Indica la máxima altura que puede alcanzar el pistón.
PMI (Punto Muerto Inferior). Indica la mínima altura que puede alcanzar el pistón.
CARRERA ( L ): distancia que puede recorrer el pistón, es decir, distancia que hay entre el PMS y el PMI.
El trabajo neto W, producido en el ciclo: W = W2 – W1
Ciclo termodinámico de Otto
Análisis termodinámico
Rendimiento teórico (ƞT )
Considerando al motor como un sistema cerrado, en un cilindro y un ciclo se cumplirá:
Por otra parte, si consideramos a la mezcla de aire más combustible como un gas ideal y estudiamos el trabajo producido en las diferentes transformaciones termo- dinámicas, obtendríamos la siguiente ecuación:
- CICLO IDEAL DIESEL
Rudolff Diesel fue un ingeniero alemán que, a finales del siglo XIX, diseñó el motor que lleva su nombre y, aunque en nuestro país es más conocido como motor de gasoil de cuatro tiempos, pueden utilizarse otros combustibles como aceites ligeros de origen aceite mineral o vegetal como el aceite de girasol.
Tiempos del motor Diesel
TIEMPO 1º Admisión. (Transformación isobara 0 - 1): en este momento, el pistón se encuentra en el PMS, se abre la válvula de admisión, se inicia el descenso del pistón hacia el PMI, entrando en el cilindro sólo comburente (aire).
TIEMPO 2º Compresión. (Transformación adiabática 1 - 2): cuando el pistón llega al PMI se cierra la válvula de admisión y el pistón inicia su ascenso hasta el PMS comprimiendo considerablemente al aire. Esta compresión eleva la tempera- tura del aire.
TIEMPO 3º Combustión – expansión. (Transformación isobárica 2 - 3 y adiabática 3 - 4): cuando el pistón se encuentra próximo al PMS, por el inyector, se introduce el combustible a gran presión, produciéndose una explosión como con- secuencia del calor desprendido en el roce del aire con el combustible, aumentan- do considerablemente la presión dentro del cilindro. En este momento se inicia la única carrera útil del ciclo haciendo que el pistón pase desde el PMS al PMI.
TIEMPO 4º Expulsión o escape. (Transformación isócora 4 - 1 e isobara 1 - 0): cuando el pistón llegue de nuevo al PMI se abre la válvula de escape provocando la evacuación de los gases quemados a la atmósfera. El resto de los gases son expulsados por el pistón en su ascenso al PMS. Cuando llega al PMS se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión iniciándose un nuevo ciclo con el descenso del pistón.
Ciclo termodinámico de Diesel
Análisis termodinámico
Rendimiento teórico ( ƞT )
Considerando al motor como un sistema cerrado, en un cilindro y un ciclo se cumplirá:
Por otra parte, si consideramos al aire como un gas ideal y estudiamos el trabajo producido en las diferentes transformaciones termodinámicas, obtendríamos la siguiente ecuación:
- PARÁMETROS DE INTERÉS PARA TODOS LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
Potencias
Potencia indicada ( Pi )
Es la potencia desarrollada en el interior del cilindro.
Potencia efectiva ( Pe )
Potencia desarrollada en el eje de salida del motor.
Pe: Potencia (J).
M: Par motor en el eje del motor (N·m)
ω : Velocidad angular (rad/s)
Potencia perdida o potencia pasiva ( Pp )
Es función de los rozamientos entre las piezas del motor.
Pp = Pi - Pe
Cilindradas
Cilindrada unitaria ( Vu ):Representa el volumen barrido por el pistón al pasar desde el PMS al PMI en un cilindro, es decir, es el volumen barrido en una carrera.
Magnitudes y unidad
Vu = Volumen del cilindro en centímetro cúbicos (cm3)
D = Diámetro del cilindro en centímetros (cm)
L = Carrera del pistón en centímetros (cm)
Cilindrada total ( Vt ): Representa el volumen útil total de los cilindros del motor.
Magnitudes y unidades
Vt = Cilindrada del motor en centímetros cúbicos ( cm3 )
N = Número de cilindros del motor.
Vu = Cilindrada unitaria en centímetros cúbicos ( cm3 )
Calor aportado al ciclo y calor útil transformado en trabajo
En general se define como calor aportado al ciclo a Qap = G · Qe , donde G es el gasto o consumo de combustible y Qe el poder calorífico o calor de combustión.
Se define el calor útil transformado en trabajo como Qu = G·Qe·ƞu, donde ƞu es el rendimiento efectivo o útil.
Combustibles
Dosado ( D)
Representa la proporción de aire necesaria para quemar un combustible determinado.
Consumo específico de combustible
Para obtener una unidad de trabajo se necesita una masa de combustible denominada consumo específico de combustible Gpe que viene dado por la expresión
Rendimientos
Rendimiento indicado ( ƞi )
Representa la relación entre el trabajo realizado en el interior del cilindro y el calor aportado.
Rendimiento efectivo (ƞe )
Representa la relación entre el trabajo realizado motor en su eje y el calor aportado.
Rendimiento mecánico ( ƞm )
Representa la relación entre el rendimiento efectivo y el indicado. Da una idea de las pérdidas por rozamientos que posee la máquina.+
