1 – MAQUINA ALTERNATIVA TERMICA MOTORA

Produce trabajo mecánico a partir de una fuente de calor, tiene como componentes:

a) una fuente de calor: combustible, energía solar;b) un fluido intermediario: agua, gases;c) un mecanismo adecuado: pistón alternativo.

Puede ser de combustión externa o interna dependiendo de la relación entre la fuente y el fluido intermediario (D. Giacosa – Motores endotérmicos, pág. 2).

Figura 1.0: Esquema de un motor alternativo.

1.1 – MOTOR ALTERNATIVO DE COMBUSTIÓN INTERNA

En un motor alternativo de combustión interna existe un pistón que se desplaza alternativamente en un cilindro, siguiendo la ley de movimiento que le impone el sistema biela manivela. Dentro del volumen variable se realiza el proceso de quemado de combustible y evoluciona el fluido intermediario.Se define la velocidad media del pistón como: Vm = 2 C n, siendo:

C la carrera del pistón o distancia entre el PMS y el PMI.v0 el volumen de la cámara de combustiónvc la cilindrada o volumen desplazado por el pistón al ir desde el PMS al PMI.

la relación de compresión

Ciclo teórico y ciclo operativo: El ciclo teórico es el formado por el conjunto de procesos que sufre el fluido para obtener trabajo mecánico a partir de una fuente de calor. Se deben cumplir las siguientes hipótesis:

1) el fluido intermediario se comporta como un gas ideal,

2

2) los procesos de compresión y expansión son reversibles, 3) los intercambios de calor entre el fluido y medio ambiente tienen una duración bien

determinada.El ciclo operativo es la suma del ciclo básico (teórico) más la renovación de carga. El ciclo básico establece cómo ingresa el calor al ciclo y cuánto se transforma en trabajo mecánico. El proceso de renovación de carga está formado por los procesos de aspiración y evacuación. El ciclo operativo es la sucesión de operaciones que el fluido ejecuta en el cilindro y repite con ley periódica para obtener trabajo en forma continua. Estas operaciones son:

Proceso de admisión de la carga al cilindro. Proceso de compresión de dicha carga. Proceso de aporte de calor y expansión. Proceso de escape de los productos de la combustión.

La duración del ciclo operativo es medida por el número de carreras efectuadas por el pistón para realizarlo; así tendremos motores de 4 tiempos (4 carreras, 2 giros del cigüeñal) y de 2 tiempos (2 carreras, 1 giro del cigüeñal).

Motor 4T: El motor de 4T presenta una carrera por cada operación, como se ve en la figura siguiente:

Figura 1.1: Funcionamiento del motor de 4T.

Figura 1.2: Ciclos operativos teóricos de los motores 4T.

Motor 2T: En los motores 2T el ciclo se completa en dos carreras, por lo que la introducción del fluido tiene lugar durante una fracción de la carrera de trabajo. Para que esto se produzca es necesario que el fluido se comprima previamente, de modo que pueda entrar en el cilindro mientras la descarga de los gases quemados se efectúa por su propia presión. En la figura, la compresión previa del fluido que entra por la abertura B se produce en la cámara del cigüeñal

3

(cárter) por obra del pistón que funciona como bomba por el lado inferior. Así, la admisión puede hacerse sin válvulas mediante el pistón que abre y cierra unas lumbreras de admisión y escape durante sus carreras.a) El primer tiempo corresponde a la carrera de trabajo, que comienza con el encendido y la combustión y prosigue con la expansión hasta cuando el pistón abre la lumbrera de escape. Los gases quemados comienzan en este punto a salir por A a causa de su aún elevada presión, creando en la masa fluida una corriente dirigida hacia la salida; inmediatamente después se abre también la lumbrera de admisión C y el fluido de trabajo, empujado por la presión que adquirió en la cámara del cigüeñal, y además aspirado por la corriente de gases quemados que sale por A, entra al cilindro. Se inicia así la fase de barrido y admisión, que ocupa el resto de la carrera.b) El segundo tiempo corresponde a la carrera de retorno del pistón al PMS; durante el primer tramo de la carrera (hasta que se cierra el paso C) se completa la fase de barrido y admisión; durante el segundo se realiza la fase de compresión. Antes de completar la carrera, el borde inferior del pistón deja libre la lumbrera B de entrada del fluido en la cámara cárter; el fluido entra en dicha cámara a causa de la depresión que se crea por el desplazamiento del pistón y después, es comprimido durante la carrera siguiente.

Figura 1.3: Funcionamiento del motor de 2T.

Figura 1.4: Ciclos operativos teóricos de los motores 2T.

El ciclo 2T ha sido concebido para simplificar el sistema de distribución, puesto que se eliminan las válvulas o se reduce el número, y para obtener una mayor potencia a igualdad de dimensiones del motor. En efecto, se tiene una carrera útil por cada giro del cigüeñal, por la tanto la frecuencia de las carreras útiles es el doble y en consecuencia, la potencia producida resulta teóricamente el doble de la de un motor 4T de igual cilindrada. Esto presenta sin embargo problemas térmicos derivado de la mayor temperatura media en las piezas del motor. La velocidad del motor 2T tiene que ser por esto, en general, inferior a la que sería necesaria para obtener una potencia dos veces mayor que la de un motor 4T de igual cilindrada teórica.

4

Combustión en el ciclo Otto (Motor de encendido por chispa, ECh): Según el ciclo Otto, la combustión se realiza a volumen constante. Para quemar un combustible se necesita convertir el combustible a estado gaseoso y ponerlo en contacto íntimo con el oxígeno del aire; así ambos formarán una mezcla inflamable para que alcance la temperatura de auto-inflamación.Una vez formada la mezcla inflamable se lleva una parte de ella a la temperatura de auto inflamación mediante la chispa. Esta parte inicia el quemado y, si el calor liberado alcanza para inflamar nueva mezcla, se forma el frente de llama que avanza con una determinada velocidad hasta quemar toda la mezcla. Si esta velocidad es alta en relación con las dimensiones de la cámara, la reacción es llamada explosión.

Combustión en el ciclo Diesel (Motor de encendido por compresión, EC): En el ciclo Diesel, en teoría, el aporte de calor se hace a presión constante. Si disponemos de aire comprimido a alta temperatura y se inyecta una gota de combustible, esta se mezcla, calienta, evapora y auto enciende. Todas las demás gotas siguen el mismo proceso. Si esta inyección de combustible es continua se produce una combustión progresiva. Los motores rápidos tienden a realizar el ciclo Sabathé. Los motores Diesel 2T no presentan consumos de combustible excesivo porque el barrido en los cilindros se hace con aire puro y no con mezcla combustible.

Diferencias ente los motores de explosión y Diesel: No existen diferencias sustanciales desde el punto de vista mecánico; se diferencian a partir de los ciclos teóricos.

1) Formación de la mezcla: En el motor de explosión se realiza antes de la combustión, mediante un sistema de carburación o de inyección. En el motor Diesel, la mezcla se forma durante la combustión mediante un sistema de inyección.2) Encendido: En el de explosión se requiere un sistema de encendido de chispa y en el Diesel se produce mediante autoinflamación debido a la alta temperatura del aire.3) Relación de compresión: Varía entre 6 y 10 para motores de explosión y entre 15 y 22 para los motores Diesel. Depende de las características del combustible, de la forma de la cámara de combustión y del sistema de inyección.4) Regulación de la potencia: En motores Diesel se hace por cantidad de combustible.

Comparación entre los tres ciclos teóricos: En la siguiente figura se indican las curvas de variación del rendimiento térmico ideal en función de la compresión para los tres ciclos.

Figura 1.5: Comparación entre los ciclos teóricos Otto, Diesel y Sabathé.

Los rendimientos aumentan al hacerlo la relación de compresión. Para un determinado valor de r, el ciclo Otto tiene mayor rendimiento. Pero debe tenerse en cuenta que para los motores Diesel y Sabathé las relaciones van de 15 a 22 y que el Otto no supera el valor r = 10 para no generar detonación. Así, respetando los campos de aplicación, el motor Diesel tiene un rendimiento superior al Otto.

5