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Tema : MOTORES TÉRMICOS:
1.1CARACTERÍSTICAS DE LOS MOTORES
Se llama motor a toda máquina que transforma cualquier tipo de energía en energía mecánica.
Según sea el elemento que suministra la energía tenemos motores de cuatro tipos:
• Motores eólicos. Utilizan la energía del viento. Ej: Aerogeneradores.
• Motores Hidráulicos. Utilizan la energía del agua. Ej: Turbinas.
• Motores de aire comprimido. Utilizan la energía del aire comprimido. Ej: Martillos
neumáticos.
• Motores térmicos. Utilizan el calor acumulado en un fluido. Ej: máquina de vapor
Los parámetros de los motores son:
• Velocidad de giro o velocidad nominal(C): representa el número de revoluciones por
minuto que da el motor en condiciones normales de funcionamiento. [rpm].
•
Par motor: representa el momento de rotación que actúa sobre el eje del motor [N. m]
En un par motor podemos observar 3 momentos:
1. Par de arranque: par necesario para iniciar el movimiento de giro desde el
reposo.
2. Par de aceleración: es el que actúa sobre el motor desde que arranca hasta que
alcanza la velocidad nominal.
3. Par nominal: es el que actúa sobre el motor una vez alcanzada la velocidad
nominal.
• Potencia útil o nominal. Indica el trabajo que el motor es capaz de hacer por unidad de
tiempo. [w] vatios.
P= M ω
siendo ω( velocidad angular)
n= nº rpm
ω= 2 π n/60
P = M 2 π n/60
• Rendimiento.
Nota:
El calor que desprende la combustión:
1.2 EL MOTOR TÉRMICO.
DEFINICIÓN Y PRINCIPIOS BÁSICOS:
Un motor térmico es aquel que permite obtener energía mecánica, a partir de la energía térmica
almacenada en un fluido.
El análisis de un motor térmico, supone partir de los dos principios de la termodinámica.
1.-El primer principio de la termodinámica
También conocido como principio de conservación de la energía; la termodinámica, establece
que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía
interna del sistema cambiará. Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la
energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y
energía interna
Q= ∆U+W
Q representa el calor absorbido por el sistema,
∆U representa la variación de la energía interna del sistema y,
W es el trabajo realizado por el sistema.
2.-Es imposible construir una maquina que obtenga un trabajo mayor que la energía que se
suministra .
3.-La cantidad de energía total, de un sistema aislado permanece constante, aunque se pueda
transformar de una clase en otra.
4.-La energía total del universo, permanece constante.
5.-La suma de la energía y de la masa el universo, permanecen constantes.
1.-El segundo principio de la termodinámica dice que una máquina térmica sólo puede
producir trabajo a b s o r b i e n d o c a l o r de foco caliente, y ced i en d o u n a parte a otro foco
frío. Luego siempre hay pérdidas de energía.
2.-Es imposible construir una máquina que transforme íntegramente la energía suministrada
en trabajo útil.
El principio básico del funcionamiento de un motor se basa en un proceso o ciclo cerrado, el
motor recibe una determinada cantidad de calor Q1 de un foco caliente, y posteriormente cede
otra cantidad de calor Q2 a un foco f r i o . La energía térmica que desaparece se transforma en
trabajo mecánico.
CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES TÉRMICOS:
Los motores térmicos se clasifican:
• Según el proceso de combustión:
-Combustión externa: La combustión se realiza fuera del motor (máquina de vapor)
(turbinas).
-Combustión interna: La combustión interna se produce en el interior del motor:
-Encendido por compresión (MEC) en el cual produce debido a la presión
(Diesel).
-Encendido provocado (MEP) la inflamación se produce por una chispa que
se propaga a toda la cámara de combustión (Motores de explosión).
• Según la energía mecánica:
Motores alternativos, funcionan por pistones. Máquinas de vapor, diesel, explosión.
Motores rotativos, el fluido actúa directamente sobre las turbinas wankel (rotativo).
• Según el ciclo del motor:
-Motores de 4 tiempos: 4T, necesitan 4 etapas, admisión, compresión, expansión
o explosión y escape. Se aplican en automoción, equipos de energía eléctrica y en
grandes equipos industriales.
-Motores de 2 tiempos: 2T, el ciclo consta de 2 etapas: la admisión - compresión, y
la segunda es la expansión – escape. Ciclomotor, motosierra, …
1.3.EL MOTOR DE EXPLOSIÓN DE 4T.
PARTES Y FUNCIONAMIENTO:
El motor es un motor térmico que funciona mediante combustión interna con ciclo provocado y
de 4 etapas que son:
Admisión,
Compresión,
Expansión o explosión
Escape
FUNCIONAMIENTO:
Para explicar el funcionamiento deberemos definir:
Punto Muerto (PM): Puntos en la carrera del pistón que se mueve por inercia, siendo el PMS,
punto muerto superior cuando el pistón está en la parte superior del cilindro, y PMI, punto muerto
inferior cuando el pistón se encuentra en la parte inferior del cilindro)
Ciclo teórico del motor:
El ciclo teórico de un motor 4T se comporta termodinámicamente como una aproximación al
ciclo de Otto. Se analiza en un diagrama presión-volumen. Teniendo en cuenta tres variables que
son la presión en el interior del cilindro, el volumen, y la temperatura de la mezcla.
Durante la carrera de admisión, el sistema evoluciona desde el punto 0 al 1, la mezcla
aspirada se encuentra a la presión P1 que es igual a la atmosférica y a la temperatura exterior
ambiente (T1) el volumen del cilindro aumenta de V0 a V1 es por lo tanto un proceso de isóbaro.
-En la carrera de compresión, el sistema evoluciona desde el punto 1 al 2 la compresión hace
disminuir el volumen de V1 a V0 y la presión aumentan de P1 a P2 el proceso se hace con la
suficiente rapidez como para considerarlo adiabático (no hay variación de calor).
Explosión:
-En el punto 2 se realiza el encendido de la mezcla, el sistema evoluciona de 2 a 3 la combustión,
hace que tanto la presión como la temperatura aumenten considerablemente, y se produce una
cesión de calor Q1 del combustible al motor, Este proceso es isócoro (el volumen no varía).
-Durante la carera de expansión, el sistema pasa del punto 3 al 4 los gases de la combustión se
expanden pasando a ocupar un volumen V1 la presión disminuye y el proceso se hace con la
suficiente rapidez como para considerarlo adiabático (no hay variación calor).
Escape:
-En el punto 4 se abre la válvula
de escape, el sistema evoluciona
de 4 a 1 la presión a y la
temperatura descienden a los
valores iníciales y el motor cede
calor al exterior Q2, el proceso es
isócoro (a volumen constante)
-Durante la carrera de escape el
sistema pasa del punto 1 al 0
cerrando el ciclo, los residuos de
la combustión son expulsados al
exterior, el volumen del cilindro
disminuye de V1 a V0 , este
proceso es isóbaro e isotérmo.
CONCLUSIONES: ANÁLISIS DEL CICLO.
1. Es un ciclo cerrado ya que de parte de unas condiciones iniciales iniciales de P,V,T se regresa
a las mismas condiciones.
2. Se produce un aporte calórico Q1, del combustible al motor y una cesión de calor Q2 del
motor al exterior.
3. La diferencia de energía aportada y la cedida, se transforma en trabajo mecánico. Que se
manifiesta en la carrera de expansión.
4. El bajo rendimiento de los motores de gasolina, se debe a 5 factores:
1. .-La combustión, no suele ser completa, y siempre se produce algo de monóxido de
carbono. No utilizamos todo el aporte calorífico, solo usamos un 99,7%.
2. .-Los gases del escape, son expulsados a una temperatura muy elevada, con lo que se
pierde aproximadamente un 25% de calor.
3. .-Existe intercambio de calor entre las paredes y el motor, lo cual obliga a refrigerar estas.
Se puede observar que los procesos no son puramente adiabáticos, ya que el motor se
calienta. Perdemos aprox. 25% del calor.
4. .-La combustión no se de forma instantánea y tiene lugar con un pequeño aumento del
volumen. Esto nos informa que el proceso isócoro no es realmente isócoro. Un 0.8% de
pérdidas. Para corregirlo lo que se hace es un avance de encendido que consiste en provocar
la explosión, un poco antes de que el pistón complete su segunda carrera.
5. .- El motor irradia energía debido a su temperatura. Perdemos un 25%.realiza
La siguiente gráfica muestra el ciclo real de un motor de explosión en comparación con el
ciclo Otto teórico
.
1.4.-MOTOR DE EXPLOSIÓN DE DOS TIEMPOS (2T)
Se trata de un motor térmico de combustión interna con encendido provocado y con un proceso
de dos tiempos también llamado dos carreras.
Un motor de 2T no lleva válvulas de admisión ni de escape, sino dos conductos llamados
lumbreras de admisión (La) y de escape (Le).
La mezcla de combustible y de aire no entra directamente al cilindro, pasa primero por el carter
donde es aspirada por la lumbrera de admisión y de aquí pasa al cilindro mediante la lumbrera
de carga (Lc).
FUNCIONAMIENTO:
Este motor consta de las mismas fases que el de 4T, pero lo realiza en dos carreras del pistón.
Lc
Le
La
1. Comienza con el pistón en la parte inferior. La
forma de la cabeza del pistón obliga a la mezcla a ir
hacia arriba, para evitar que se salga por la lumbrera
de escape.
2. Al subir un poco el pistón, se cierran las lumbreras
y empieza la compresión de la mezcla. En el cárter
empieza a producirse un vacío.
3. Al subir un poco más el pistón, se sigue
comprimiendo la mezcla y se abre la lumbrera de
admisión, empezando a entrar mezcla en el cárter.
4. Cuando llega el pistón arriba, se produce la máxima
compresión de la mezcla y salta la chispa en la bujía.
4. Comienza con el pistón en la parte superior, la mezcla está al
máximo de compresión y salta la chispa en la bujía.
5. La combustión de la mezcla produce un aumento brusco de
presión que empuja con fuerza el pistón hacia abajo. Se cierra
la lumbrera de admisión y empieza la compresión de la mezcla
que ha estado entrando en el cárter.
6. Sigue bajando el pistón y empiezan a abrirse las lumbreras
de carga y de escape. Por la de carga empieza a entrar la
mezcla comprimida en el cilindro y por la de escape salen los
gases de combustión.
7. Al llegar el pistón a su punto más bajo, sigue entrando
mezcla por la lumbrera de carga y saliendo gases de
combustión por la de escape.
Ventajas, inconvenientes y aplicaciones:
Ventajas:
1.-Sencillez de construcción, no llega árbol de levas, ni correa de distribución.
2.-Se suprimen las válvulas que siempre están sometidas a un desgaste.
3.-Mayor potencia, el motor 2T efectúa trabajo útil cada vuelta del cigüeñal.
4.-Mayor funcionamiento de la transmisión.
5.-Refrigerada con aire. Auto lubricadas
Inconvenientes:
1.-Menor rendimiento mecánico.
2.-Mayor temperatura de funcionamiento ya que la frecuencia de combustión de la mezcla
es mayor.
3.-Mayor desgaste de sus órganos.
4.-Mayores niveles de contaminación.
Aplicaciones:
1.-En pequeños motores, lanchas fuera borda, motocicletas, compresores de aire, etc.
Porque son motores sencillos de bajo coste, van refrigerados al aire, y además están
autolubricadas mediante aditivos en la mezcla.
2.-Para grandes motores de embarcaciones de gran potencia. Si lo que nos interesa es
mucha potencia y no nos importa el consumo, se utilizan estos motores.
1.5 EL MOTOR DIESEL.
FUNCIONAMIENTO, CICLO TEÓRICO, VENTAJAS E INCONVENIENTES.
Este motor fue diseñado por el Ingeniero Alemán Rudolf Diesel en 1893. Se trata de un motor
térmico de combustión interna con encendido por compresión (MEC) y que puede funcionar con
2T y con 4T. La diferencia fundamental con el de explosión, es que carece de bujías y en su lugar
lleva unos inyectores de combustible.
1.4.1 El funcionamiento de un motor diesel 4T de inyección directa (ID),
Los cuatro tiempos del motor diesel son los siguientes: Admisión: el pistón desciende desde el PMS arrastrado por el cigüeñal, el cilindro se llenara
sólo de aire a través de la válvula de admisión. Cuando el pistón llega la PMI termina la 1º
carrera, el cigüeñal ha girado 180º y la válvula de admisión se cierra.
-.Compresión: el pistón asciende desde el PMI al PMS arrastrado por el movimiento de cigüeñal,
el aire se comprime en el interior del cilindro y alcanza una gran presión y elevada temperatura.
Cuando el pistón llega al PMS se inyecta el combustible este al entrar en contacto con el aire
caliente se autoinflama y se produce la combustión, el cigüeñal gira 180º y se termina la 2º
carrera.
-.Expansión: el pistón es bruscamente empujado hacia el PMI por el efecto de la presión, el
pistón arrastra al cigüeñal, realizandose trabajo útil. El cigüeñal gira 180º y concluye la 3º carrera.
-Escape: el pistón se desplaza desde el PMI hasta el PMS arrastrado por el movimiento de
cigüeñal, la válvula de escape se abre y salen los gases quemados, al llegar la PMS concluye la 4º
carrera, y el cigüeñal gira otros 180º, y comienza un nueva ciclo.
Ciclo teórico Diesel.
Durante la carrera de admisión, el sistema
evoluciona desde el punto 0 al 1, la mezcla aspirada
se encuentra a la presión P1 que es igual a la
atmosférica y a la temperatura exterior ambiente
(T1) el volumen del cilindro aumenta de V0 a V1 es
por lo tanto un proceso de isóbaro
Compresión adiabática: Se realiza en la carrera de
compresión de 1 a 2, el aire se comprime
obteniéndose mayores presiones que en el de
explosión. Pues no hay peligro de que la mezcla
detone, el proceso es adiabático (sin variación de
calor).
Encendido por compresión; En el punto 2, al
inyectar el combustible, éste se inflama
aumentando considerablemente la temperatura,
pasando al punto 3, es un proceso isóbaro.
Carrera de expansión; En el punto 3 el pistón
desciende bruscamente aumentando el volumen
(punto 3) disminuyendo la presión y cediendo
trabajo al exterior, este proceso es adiabático.
Escape, En el punto 4, al abrirse la válvula de
escape, se produce un descenso de la presión y un intercambio de calor con el exterior (el calor se
pierde con los gases de la combustión, el proceso es isócoro.
Durante la carrera de escape el sistema pasa del punto 1 al 0 cerrando el ciclo, los residuos de la
combustión son expulsados al exterior, el volumen del cilindro disminuye de V1 a V0 , este
proceso es isóbaro e isotermo
Ventajas frente al motor de explosión 4T:
1.-Mayor rendimiento térmico. Mayor cantidad de calor transformado en trabajo mecánico.
2.-Menor consumo y menos coste del combustible.
3.-Mayor duración de la vida del motor.
Inconvenientes:
1.-Es un motor más pesado, no solo porque la cámara es mayor, sino porque tiene que
soportar mayores presiones, etc y las paredes son mayores.
2.-Mayor coste de producción.
3.-Mayor ruido por fuertes explosiones.
1.5.2 SOBREALIMENTACIÓN. EL MOTOR TURBO.
El motor turbo permite obtener una mayor potencia de un motor de explosión o diesel sobrealimentando
los cilindros con combustible. Para conseguirlo es necesario introducir más aire, para poder quemar, el
exceso de combustible y para hacerlo, hay que comprimirlo mediante un compresor.
Este compresor funciona a expensas de una energía que si la sacamos del motor disminuirá su
rendimiento, para ello, se emplea la energía que poseen los escapes de la combustión mediante una
turbina, el termino turbo, significa turbina-compresor.
No obstante hay un problema que es la excesiva temperatura a la que salen los gases, esto es perjudicial.
Por lo tanto se introduce un intercambiador de calor “ intercooler” a la salida del compresor para enfriar
los gases antes de que entren en el motor