TEMA 8: MOTORES TÉRMICOS - IES Almudenaies.almudena.madrid.educa.madrid.org/dpto_tecnologia/TI_2... · TECNOLOGÍA INDUSTRIAL I1. Departamento de Tecnología. IES Nuestra Señora

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    TEMA 8: MOTORES TRMICOS

    Son mquinas cuya misin es transformar la energa trmica en energa mecnica que sea directamente

    utilizable para producir trabajo.

    Las fuentes de energa trmica pueden ser: nucleares, solares, combustin de combustibles. En ste

    ltimo caso se llaman motores de combustin.

    Segn el lugar donde se quema el combustible, estos motores se clasifican en:

    Motores de combustin externa: la combustin se realiza fuera de la mquina, generalmente

    para calentar agua que, en forma de vapor, ser la que realice el trabajo. Ej: mquina de vapor.

    Los motores de combustin externa

    tambin pueden utilizar gas como fluido de

    trabajo (aire, H2 y He) como en el

    motor Stirling.

    El motor de aire caliente Stirling, utiliza una

    fuente de calor fija, para calentar aire en su

    cilindro. Su movimiento obedece a las

    diferencias de presin de aire, entre la

    porcin ms caliente y la fra. El

    mecanismo central de un motor Stirling

    consiste de dos pistones/cilindros, uno

    para disipar calor y desplazar aire caliente

    hacia la seccin fra (viceversa);

    el otro pistn entrega la fuerza para aplicar par motor al cigeal.

    Motores de combustin interna: queman el combustible en una cmara interna al propio motor.

    Los gases generados causan por expansin el movimiento de los mecanismos del motor.

    Combustin

    Expansin

    Refrigeracin

    Compresin

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    Segn la forma en qu se obtiene la energa mecnica, los motores de combustin interna se

    clasifican en:

    Motores alternativos: en estos motores los gases

    resultantes de un proceso de combustin empujan un

    mbolo o pistn, desplazndolo en el interior de un cilindro

    (movimiento alternativo) y haciendo girar un cigeal,

    obteniendo finalmente un movimiento de rotacin.

    El rbol de levas al girar y las diferentes levas

    permiten la apertura y cierre de las vlvulas

    de admisin y escape del cilindro.

    Motores rotativos: estn formados por un rotor

    triangular que gira de forma excntrica en el

    interior de una cmara, Al girar genera tres

    espacios o cmaras diferntes, donde ocurren

    lsa diferentes etapas

    1. Motor alternativo de combustin interna

    Son motores trmicos que se clasifican segn el combustible en:

    Motores de explosin o motor Otto: gasolina.

    La ignicin de la mezcla gasolina-aire tiene lugar al producirse una chispa (bujia). Se llaman

    motores de encendido provocado (MEP).

    El carburador es el dispositivo encargado de realizar la mezcla de aire-combustible.

    Motores diesel

    Son motores de encendido por compresin (MEC). La ignicin se produce espontneamente a

    medida que el combustible es inyectado en la cmara, cuando en esta se ha comprimido el aire a

    alta presin y temperatura.

    Admisin Comprensin

    Explosin Escape

    Bujas

    Vlvulas de admisin y escape

    Admisin

    Explosin Comprensin

    Escape Buja

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    Los motores alternativos estn constituidos por 1 ms cilindros en cuyo interior se desliza de forma

    alternativa el mbolo o pistn. La parte superior se llama

    culata y contiene la cmara de compresin (y en los

    motores de explosin, la bujia). En la parte inferior se

    encuentra el carter que contiene el aceite lubricante.

    El movimiento alternativo del pistn se transmite a la biela,

    y de sta al cigeal, produciendo as un movimiento

    rotatorio que ir a la caja de cambios, diferencial y ruedas.

    Las formas comunes de disposicin de los cilindros son en

    V y en lnea, con un nmero de cilindros variable en funcin

    de la potencia del motor.

    Ciclo: el motor realiza un ciclo termodinmico que puede

    ser de 4 de 2 tiempos (4 2 carreras del pistn)

    Motor de 4 tiempos: el ciclo termodinmico se completa en cuatro carreras del mbolo y dos vueltas del cigeal. En estos motores, la renovacin del combustible se controla mediante la apertura y cierre de las vlvulas de admisin y escape.

    Motor de 2 tiempos: el ciclo termodinmico se completa en dos carreras del mbolo y una vuelta del cigeal. Este motor carece de vlvulas y la entrada y salida de gases se realiza a travs de las lumbreras (orificios situados en el cilindro) El pistn dependiendo de la posicin que ocupa en el cilindro en cada momento abre o cierra el paso de gases a travs de las lumbreras. La lubricacin, que en el motor de cuatro tiempos se efecta mediante el crter, en el motor de dos tiempos se consigue mezclando aceite con el combustible. Al ser un motor ligero y econmico es muy usado en aplicaciones en que no es necesaria mucha potencia tales como motocicletas, motores fuera borda, motosierras, cortadoras de csped, etc

    http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_termodin%C3%A1mico

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    Esquema de transmisin desde el cigeal a las ruedas:

    2. Motor de explosin de cuatro tiempos:

    Se trata de un motor de encendido provocado (MEP), de gasolina que sigue

    un ciclo termodinmico Otto:

    El ciclo Otto es un ciclo cerrado, que utiliza una mezcla de aire y gasolina y para su ignicin tiene la ayuda de una chispa elctrica producida por el sistema de encendido (buja).

    Este ciclo consta de 4 etapas o tiempos. Admisin, compresin, explosin-expansin y escape. Es un ciclo formado por dos adiabticas y dos iscoras.

    1. Admisin (01): el pistn desciende arrastrado por el movimiento del cigeal y entra en el cilindro una mezcla aire-combustible a travs de la vlvula de admisin.

    2. Compresin (12): el pistn asciende arrastrado tambin por el movimiento del cigeal y comprime el aire y combustible, de forma que aumenta la presin y la temperatura de la mezcla.

    3. Explosin-expansin (234): al alcanzar la mezcla la mxima compresin, salta la chispa en la buja, explosiona la mezcla y baja el pistn. El movimiento del pistn arrastra el cigeal, que realiza el trabajo til.

    4. Escape (410): se abre la vlvula de escape y el pistn sube y expulsa los gases. La vlvula de escape se cierra y la vlvula de admisin se abre, con lo que se est en disposicin de iniciar un nuevo ciclo.

    1

    2

    3

    4

    Q1

    Q2

    Tc

    Admisin

    W

    Q=0

    P

    V

    0

    Compresin

    Explosin Expansin

    Escape

    CICLO OTTO TERICO

    Q=0

    Cigeal

    Bielas

    Pistones (cmara de combustin)

    Embrague

    1 2 3 4 5 MT

    Eje 1

    Eje 2

    Diferencial

    Pin-Corona

    (hipoide)

    Caja de cambios

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    La diferencia entre la energa aportada Q1 y la cedida Q2, se transforma en energa mecnica. Esta se manifiesta durante la carrera de expansin, que es la nica en la que se produce trabajo til y donde el pistn arrastra al cigeal. En el resto de las carreras es el cigeal el que arrastra al pistn gracias a la accin del volante de inercia, o bien, como se hace por norma, disponer, como mnimo, cuatro cilindros en un motor, combinando su funcionamiento de tal modo que en todo momento por lo menos uno de ellos trabaje.

    3. Motor disel de cuatro tiempos:

    Se trata de un motor de encendido por compresin (MEC), de gasoil que sigue un ciclo termodinmico

    cerrado. Utiliza aire a presin y la inyeccin de un combustible lquido el cual se inflama por la alta

    temperatura del aire lograda despus de la compresin del aire.

    Este ciclo consta de 4 etapas o tiempos: admisin, compresin, explosin-expansin y escape. Es un ciclo formado por dos adiabticas, una isbara y una isocora:

    1. Admisin (01): el pistn desciende arrastrado por el movimiento del cigeal y entra en el cilindro aire a travs de la vlvula de admisin.

    2. Compresin (12): el pistn asciende arrastrado tambin por el movimiento del cigeal y comprime el aire a una elevada presin (40-50 atm y 600C).

    3. Explosin-expansin (234): al alcanzar el aire la mxima compresin, se introduce el combustible finamente pulverizado mediante bomba inyectora. Al contacto con el aire caliente, el combustible se autoinflama y se produce la combustin. Baja el pistn y el movimiento del pistn arrastra el cigeal, que realiza el trabajo til.

    4. Escape (410): se abre la vlvula de escape y el pistn sube y expulsa los gases. La vlvula de escape se cierra y la vlvula de admisin se abre, con lo que se est en disposicin de iniciar un nuevo ciclo.

    Ventajas e inconvenientes de los motores diesel:

    Mayor rendimiento trmico. En el motor de gasolina el rendimiento est aproximadamente en un 24% y en el motor diesel en el 34%. Hay menos prdidas en los gases de escape y por tanto menor contaminacin.

    Menor consumo (por el mejor aprovechamiento del combustible) y menor coste del combustible.

    Mayor duracin de la vida del motor, ya que tienen una mecnica ms resistente al desgaste.

    Precio ms elevado, por tener mayor coste de construccin.

    1

    2 3

    4

    Q1

    Q2

    Tc

    Admisin

    W

    Q=0

    P

    V

    0

    Compresin

    Explosin

    Expansin

    Escape

    CICLO DIESEL TERICO

    Q=0

    Admisin Compresin Explosin Escape

    Vlvula de

    admisin abierta

    Vlvula de

    escape cerrada

    Vlvulas

    cerradas

    Vlvulas

    cerradas Vlvula de

    admisin cerrada

    Vlvula de

    escape abierta

    Gases de

    escape

    Entrada

    gasolina-aire

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    Ms ruidosos por las fuertes explosiones de la combustin.

    Mayor contaminacin por emisin de micro-partculas PM2,5, que al ser tan finas entran fcilmente en los pulmones.

    4. Motor de explosin de dos tiempos:

    Los conductos de admisin y escape se llaman lumbreras de admisin y escape. Adems, hay otra

    lumbrera que comunica el crter con el cilindro y que recibe el nombre de lumbrera de transferencia.

    Estas lumbreras quedan abiertas o cerradas por el movimiento del pistn en el interior del cilindro.

    El combustible entra en el crter que acta como una bomba que aspira el combustible a travs de la

    lumbrera de admisin y lo transfiere al cilindro mediante la lumbrera de transferencia.

    El ciclo de funcionamiento de un motor de dos tiempos consta de las mismas cuatro fases que el de cuatro

    tiempos, slo que realizadas en dos carreras del pistn y una sla vuelta del cigeal. Las dos etapas son:

    1. Admisin compresin (012): el pistn asciende arrastrado

    por el cigeal y en este movimiento comprime la mezcla

    (MEP) o el combustible (MEC) que se encuentra en el cilindro.

    A la vez, descubre la lumbrera de admisin, para que una

    cantidad nueva de combustible entre en el crter.

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    2.

    3. Explosin - expansin escape (2340): al llegar el pistn

    arriba se produce la combustin y el pistn desciende. Se

    abre la lumbrera de escape y los gases salen l exterior.

    Tambin se abre la lumbrera de transferencia y el

    combustible procedente del crter entra en el cilindro y

    desaloja al resto de gases.

    Ventajas e inconvenientes de los motores de dos tiempos:

    Sencillez de construccin, pues carece de rbol de levas y de la correspondiente correa de distribucin.

    No tiene vlvulas (sujetas a gran desgaste).

    Mayor potencia, ya que el motor realiza trabajo til en cada vuelta del cigeal (el de cuatro tiempos lo realiza cada dos vueltas.

    Menor rendimiento mecnico.

    Mayor temperatura de funcionamiento, ya que la combustin de la mezcla se produce con una frecuencia superior. Esto tambin produce un mayor desgaste.

    Mayores niveles de contaminacin generados por la combustin de los aditivos de la mezcla.

    5. Potencia y rendimiento de un motor

    La relacin de compresin nos dice cuntas veces comprimes la mezcla aire-combustible en las cmaras de combustin. En un motor de gasolina la rc es de 10:1 y en un motor diesel es de 25:1 aproximadamente.

    RC = V1 / V2 V1= volumen del cilindro cuando el pistn se encuentra

    en el punto inferior de su recorrido (PMI)

    V2= volumen del cilindro cuando el pistn se encuentra en el punto superior de su recorrido (PMS), es el volumen de la cmara de combustin

    La carrera del pistn es su desplazamiento en el interior del cilindro (c)

    La cilindrada es el volumen barrido por el pistn en el interior del cilindro. Y se calcula como la superficie del cilindro por la carrera. Suele medirse en cm3 o cc.

    Cilindrada (un cilindro) = r2. c = V1 - V2 N = n de cilindros Cilindrada motor = N . r2. c r = radio del cilindro

    c = carrera

    De la cilindrada depende la fuerza de cada explosin en el interior del cilindro. Y la fuerza lineal que ejerce cada pistn se transforma en el cigeal en fuerza de rotacin o par motor (C = F. r, la medida del codo del cigeal es fundamental)

    PMS

    PMI

    carr

    era

    V2

    V1

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    La potencia de un motor se obtiene multiplicando su par motor por las revoluciones a las que se

    desarrolla. P = .

    = .

    Un motor, al estar acoplado a un cambio de marchas, vara su par, pero la potencia se mantiene constante desde la entrada a la salida. Dicho de otra forma, los engranajes transmiten la potencia, pero varan el par y la velocidad de giro, manteniendo su potencia constante

    6. Sobrealimentacin. Motor turbo:

    La necesidad de aumentar la potencia de un coche, sin tener que aumentar la cilindrada, hace necesario

    una sobrealimentacin de combustible.

    Aumentar la potencia depende de la cantidad de combustible quemado (energa) y del nmero de

    revoluciones. Pero tanto en motores Diesel como en los de gasolina, por mucho que aumentemos el

    combustible que hacemos llegar al interior de la cmara de combustin, no conseguimos aumentar su

    potencia si este combustible no encuentra aire suficiente para quemarse.

    As pues, solo conseguiremos aumentar la potencia, sin variar la cilindrada ni el rgimen del motor, si

    conseguimos colocar en el interior del cilindro un volumen de aire (motores Diesel) o de mezcla (aire y

    gasolina para los motores de gasolina) mayor que la que hacemos entrar en una "aspiracin normal".

    El aire se introduce comprimido a alta presin. Para ello se intercala en el circuito de entrada un compresor,

    accionado por una turbina movida por los gases de escape. Este dispositivo recibe el nombre de

    turbocompresor.

    A la salida del compresor los gases salen a elevada presin y temperatura. Por esto, a la salida del

    compresor se instala un intercambiador de calor que enfra los gases antes de que penetren en el motor,

    a este dispositivo se le llama intercooler.

    El intercooler es un radiador que es enfriado por el aire que incide sobre el coche en su marcha normal

    7. Coches hbridos

    Son los que combinan un motor de combustin con uno o ms motores elctricos y una batera adicional

    que se encarga de almacenar la electricidad. Hay varios tipos de hbridos en el mercado:

    Coches hbridos que combinan un motor de combustin asociado a un motor elctrico

    (EV). La misin del motor elctrico es apoyar al de combustin para reducir los consumos y

    emisiones. Estos modelos son capaces de almacenar en la batera adicional la electricidad

    generada en el frenado y deceleraciones. Este tipo de hbridos pueden funcionar en modo 100%

    elctrico en momentos especficos, como por ejemplo en la salida de un garaje, o en algunos

    tramos de ciudad siempre que no se supere cierta velocidad, que suele rondar los 40-60 km/h.

    Apenas tienen autonoma en modo elctrico (EV) y son los denominados hbridos convencionales.

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    Coches hbridos enchufables o hbridos plug-in (PHEV): se caracterizan porque puede cargar

    su batera a travs de una fuente de energa externa (la red elctrica). Pueden recorrer entre 40

    - 60 Km en modo elctrico.

    Coches hbridos gas - elctricos: utilizan en lugar de gasolina o gasleo, gas natural (GLP =

    gas licuado del petrleo, generalmente propano y butano) o gas natural comprimido (GNC). El

    gas reduce la intensidad de las explosiones, reduce la vibracin, la sonoridad y la contaminacin

    adems es ms barato que la gasolina o gasleo. Los inconvenientes de usar GNC en un coche

    hbrido es que hay que sacrificar espacio para el depsito de gas, y que la infraestructura de

    repostaje es menor.

    8. Ejercicios:

    Ejercicio 1 Segn los datos del fabricante, el motor del Citroen Xsara RFY tiene las siguientes

    caractersticas:

    N de cilindros : 4 Calibre 86 mm

    Carrera 86 mm Relacin de compresin 10,4/1

    Calcular:

    a) La cilindrada del motor

    b) Volumen de la cmara de combustin

    c) Volumen total del cilindro

    d) Sabiendo que la potencia mxima la suministra a 6500 rpm con un par de 164 Nm,

    calcula la potencia

    Ejercicio PAU Septiembre 2013/2014 El motor de un vehculo consta de 4 cilindros con un dimetro de 82,5 mm y una carrera de 93 mm para cada uno de ellos. El consumo de dicho vehculo es de 12,5 litros en 100 km, los cuales recorre en una hora. Si el combustible tiene un poder calorfico de 45.000 kJ/kg y una densidad de 0,75 g/cm3, calcule:

    a) La cilindrada del motor. b) La potencia producida en la combustin. c) La potencia til del motor si el rendimiento es del 45 %. d) El par motor cuando gira a 4.000 rpm.

    Ejercicio PAU Septiembre 2012/2013 a) Indique los procesos termodinmicos del ciclo ideal de Otto. b) Indique los procesos termodinmicos del ciclo ideal de Diesel

    Ejercicio PAU Septiembre 2011/2012 El motor de un automvil consta de 4 cilindros y desarrolla una potencia efectiva de 30 CV a 6.200 rpm. Conociendo que el dimetro de cada pistn es de 80,5 mm, la carrera de 97,6 mm y la relacin de compresin de 10:1, calcule:

    a) La cilindrada total b) El rendimiento efectivo del motor, si consume 7,2 L/h de un combustible cuyo poder

    calorfico es 43.700 kJ/kg y su densidad es de 0,7 g/cm3. c) El par motor que est suministrando.

    Ejercicio PAU Septiembre 2010/2011 a) Explique cmo transcurre el ciclo de funcionamiento de un motor de explosin de dos tiempos. b) Indique al menos dos ventajas de este tipo de motores