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Termodinámica para ingenieros PUCP
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
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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
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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
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 Ford T, 1914.
En 1924 Ford habìa fabricado 10 millones de autos
Motor Diesel 120 kW - Lab Energìa
PUCP
Mini Minor - 1958, Tracciòn delantera,
motor transversal
Record 24 personas en el interior
Ferrari , Italia - Fórmula 1
Ganò 8 veces el Campeonato del mundo entre
1961 y 1983
Motocicleta Honda CB750, 1967
Motor Ultraligero, 1990
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COMBUSTIBLES
Arreglo de cilindros de Combustiòn Interna
El número de octanos (OCTANAJE) indica la capacidad ANTIDETONANTE
!!! del combustible en las
gasolinas. En el petròleo es
el nùmero de cetanos (CETANAJE)
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.)
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Motor Transversal V-6
de 2.8 litros, tracciòn
delantera - Chevrolet
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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)
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
a) Motor de 4 tiempos:
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)
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.
4to Tiempo: EXPULSIÓN
2do Tiempo: COMPRESIÓN
Eleva la temperatura de la mezcla.
PMS : Punto Muerto Superior
PMI
: Punto Muerto Inferior.
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 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.
La presiòn aumenta hasta que el
pistòn llega al punto màximo superior (llamado PMS - punto muerto
superior)
Relaciòn de Presiones r k = P2/P1
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DIAGRAMA P -v CICLO OTTO REAL
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
14.3 Relación de Compresión rk
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.
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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.
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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
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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 )
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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.
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14.11 Ciclo Stirling
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 ft3; mientras que un motor Wankel de la
misma potencia tiene 633 piezas, pesa 237 libras y ocupa 5 ft3. 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.
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...
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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”.
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.
Trabajo Indicado:(Wi)
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.
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 !!
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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.
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Caja de Cambios
Embrague
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.
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Problemas
1.- En un motor ideal a gasolina se obtuvieron los siguientes datos: rk = 9, T1 = 27° C, P1 = 1bar, z = 4
cilindros, 103 RPM, 2 tiempos, L = 12cm, D = 10cm, relación de aire-combustible: ma / mc = 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 (%)
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Ciclo Motores 14 - Pág. 27
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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 400cm3 y el motor es monocilíndrico, determinar
el diámetro y la carrera del pistón en cm, si D/L = 0.8
Motores de Combustión Interna 14 - Pág. 28
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.
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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.
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5. En un motor ideal de explosión se obtuvieron los siguientes datos:
Relación de compresión: 9
T1 = 27° C
P1 = 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 %.
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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.
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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%
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