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Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación MÁQUINAS MOTRICES I MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Cursado 2012 Departamento de Mecánica Aplicada Facultad de Ingeniería Universidad Nacional del Comahue Neuquén, Argentina e-mail: [email protected] DMA-FI-UNCo MÁQUINAS MOTRICES I

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parametros geenrales de los motores a combustion interna autor: ezequiel lopezbasado en: Heywood

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MÁQUINAS MOTRICES IMOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA

Cursado 2012

Departamento de Mecánica AplicadaFacultad de Ingeniería

Universidad Nacional del ComahueNeuquén, Argentina

e-mail: [email protected]

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Bibliografía

Texto básico de referenciaInternal combustion engine fundamentals. Heywood, JohnB.; Ed. McGraw-Hill (1988); ISBN 0-07-028637-X.

Bibliografía de consultaMotores térmicos. Martínez de Vedia, Ed. Alsina.The intemal combustion engine in theory and practice;Volumes I and II. Taylor, Charles F.; Ed. The M.I.T. Press.Motores de automóvil. Jóvaj, M. S.; Ed. MIR (1987).Cálculo de la combustión. Obert, Rodolfo; Ed. Alsina.Procesos de los motores de combustión. Lichty, Lester;Ed. McGraw-Hill.Motores endotérmicos. Giacosa, Dante; Ed.Científico-Médica (1964).

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Tipos de motores y su operación

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Clasificación de MCI

Criterios de clasificación

1 Aplicación2 Diseño básico del motor3 Ciclo de trabajo4 Ubicación y diseño de las válvulas o puertos5 Combustible6 Método de preparación de la mezcla7 Método de encendido8 Diseño de la cámara de combustión9 Método de control de la carga

10 Método de refrigeración

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Ciclos operativos de MCI

Geometría básica del motor alternativo

V

V

θ

90º270º

180ºPMI

PMS

PMS

PMI

Vtd

c

diametro

carrera

Vc : volumen mínimo del cilindro

Vt : volumen máximo del cilindro

Vd = Vt − Vc : volumen barrido odesplazado

Relación (geométrica) de compresión

rc =Vmax

Vmin=

Vt

Vc

Valores típicos:

Motores SI: 8 ≤ rc ≤ 12

Motores CI: 12 ≤ rc ≤ 24

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Ciclos operativos de MCI

Ciclo de cuatro tiempos (4T)

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Ciclos operativos de MCI

Ciclo de dos tiempos (2T)

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Componentes de un MCI

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Componentes de un MCI

Block

Contiene los cilindrosdel motor

Tradicionalmentefabricado confundición gris, aunquese utilizan aleacionesde aluminio enmotores pequeños

Algunos poseencamisas removibles,mojadas o secas

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Componentes de un MCI

Cigüeñal

Construído con aceroforjado o fundicionesnodulares

Soportado porcojinetes (de bancada)

Estos cojinetes utilizaninsertos de acerorecubiertos con bronceo aluminio

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Componentes de un MCI

Pistones

Construídos conaluminio en motorespequeños o confundición en motoreslentos de gran tamaño

Contiene los sellos(aros) para evitar lasfugas de gas

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Componentes de un MCI

Bielas

Construídas en aceroo aleación forjados

Se conecta con elpistón a través delperno de pistón(generalmente deacero)

El perno esnormalmente huecopara reducir su peso

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Componentes de un MCI

Tapa de cilindrosSella los cilindros

Se fabrica de fundicióno aluminio

Contiene las bujías (enun motor SI) o losinyectores decombustible (en unmotor CI)

En motores conválvulas ‘a la cabeza’,contiene partes delmecanismo deválvulas

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Componentes de un MCI

Válvulas

Fabricadas conaleaciones de aceroforjadas

Habilitan el paso delgas desde o hacia elcilindro

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Componentes de un MCI

Árbol de levas

Construído confundición o aceroforjado

Las superficies de loscamones de levas sonendurecidas paraobtener una vidaadecuada

Accionados por elcigüeñal medianteengranajes, correa ocadena

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Operación de motores encendidos por chispa

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Operación de motores encendidos por chispa

Sistemas de dosificación de combustible

Carburador

Inyección en el puerto

Inyección directa

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Operación de motores encendidos por chispa

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Operación de motores encendidos por compresión

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Operación de motores encendidos por compresión

Sistemas de inyección de combustible

Bomba inyectora ‘en línea’

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Operación de motores encendidos por compresión

Sistemas de inyección de combustible

Bomba inyectora rotativa de émbolo axial

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Operación de motores encendidos por compresión

Sistemas de inyección de combustible

Commom Rail

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Operación de motores encendidos por compresión

Motor 4T

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Operación de motores encendidos por compresión

Motor 4T

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Operación de motores encendidos por compresión

Motor 2T

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Diseño de motores y parámetros deoperación

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Características importantes de un MCI

Factores importantes para un usuario de MCI

1 La performance del motor sobre su rango de operación2 El consumo de combustible del motor dentro de su rango

de operación y el costo del combustible requerido3 El ruido provocado por el motor y las emisiones

contaminantes dentro de su rango de operación4 Costo inicial del motor y su instalación5 La confiabilidad y durabilidad del motor y el requerimiento

de mantenimiento

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Características importantes de un MCI

La performance de un MCI se define como

1 La potencia máxima (o el torque máximo) disponible a cada velocidaddentro del rango útil de operación del motor

2 El rango de velocidad y potencia sobre el cual la operación del motores satisfactoria

Definiciones de performance comúnmente utilizadas:

Potencia nominal máxima. Es la mayor potencia que puededesarrollar un motor por cortos períodosPotencia nominal normal. Es la mayor potencia que puede desarrollarun motor en operación continua

Velocidad nominal. La velocidad de rotación del cigüeñal a la cual seobtiene la potencia nominal

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Propiedades geométricas de motores reciprocantes

Relación de compresión

rc =Volumen máximo del cilindroVolumen mínimo del cilindro

=Vd + Vc

Vc= 1 +

Vd

Vc

Relación diámetro del cilindro -carrera del pistón

Rbs =BL

Relación de longitud de biela alongitud de manivela

R =la

L

PMS

PMI

B

V

s

c

dV

θ

a

l

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Propiedades geométricas de motores reciprocantes

Volumen del cilindro

V (θ) = Vc +πB2

4[l + a− s(θ)]

Área de la superficie de la cámarade combustión

A(θ) = Ach + Ap + πB[l + a− s(θ)]

Velocidad media del pistón

Sp = 2LN

donde N es la velocidad rotacionaldel cigüeñal

L

PMS

PMI

B

V

s

c

dV

θ

a

l

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Propiedades geométricas de motores reciprocantes

Velocidad instantánea del pistón

Sp(θ) =ds(θ)

dt

Sp(θ)

Sp=

π

2sin θ

»1 +

cos θ

(R2 − sin2 θ)1/2

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Potencia y torque al freno

El torque de un motor se mide con un dinamómetro

Si el torque ejercido por el motor es Tb:

Tb = Fb

donde F es la fuerza medida y b el brazo de palancaPotencia entregada por el motor

Pb = 2πNTb

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Trabajo indicado por ciclo

Motor 2 tiempos Motor 4 tiempos

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Trabajo indicado por ciclo

El trabajo indicado por ciclo Wc, i se obtiene integrandosobre la curva del ciclo indicado para obtener el áreaencerrada en el diagrama

Wc, i =

∮pdV

Para motores 4T

Trabajo indicado bruto por ciclo Wc, ig . Es el trabajoentregado al pistón sólo en las carreras de compresión yescape.Trabajo indicado neto por ciclo Wc, in. Es el trabajoentregado al pistón sobre el ciclo completo.

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Trabajo indicado por ciclo

Trabajo de bombeo Wp: es la transferencia de trabajo entre elpistón y los gases dentro del cilindro durante las carreas deadmisión y escape

La potencia por cilindro se relaciona con el trabajo indicado porciclo

Pi =Wc, iN

nR

donde nR es el número de revoluciones del cigüeñal por cadacarrera de potencia por cilindro.Pi es la potencia indicada, es decir, la tasa de transferencia detrabajo del gas dentro del cilindro al pistón

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Rendimiento mecánico

Potencia de fricción Pf : es la potencia consumida para salvarla fricción de todos los componentes mecánicos del motor másla potencia consumida en el bombeo

Pig = Pb + Pf

Se define entonces el rendimiento mecánico

ηm =Pb

Pig= 1− Pf

Pig

Valores típicos:

90 % por debajo de 1800 rpm a 2400 rpm

75 % a la máxima velocidad nominal

0 % en vacío

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Presión media efectiva

El torque depende del tamaño del motor. En busca de unamedida relativa, puede dividirse el trabajo por ciclo por elvolumen desplazado. Esta cantidad tiene unidades defuerza/área.

La presión media efectiva (pme) se define como

pme =WVd

pme =PnR

VdN=

2πTnR

Vd

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Presión media efectiva

Tipo de motor Condición pmeSI, nat. asp. Máx. torque 850 a 1050 kPaSI, nat. asp. Vel. nominal máx. 10 a 15 % menorSI, turbo – 1250 a 1700 kPa (val. máx.)SI, turbo A máx. pot. nominal 900 a 1400 kPaCI 4T, nat. asp. – 700 a 900 kPa (val. máx.)CI 4T, nat. asp. A máx. pot. nominal 700 kPaCI 4T, turbo – 1000 a 1200 kPa (val. máx.)CI 4T, turbo+cooler – hasta 1400 kPaCI 4T, turbo A máx. pot. nominal 850 a 950 kPa2T lento – hasta 1600 kPa

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Consumo específico de combustible y rendimiento

El consumo específico de combustible (sfc) mide qué taneficientemente se utiliza el combustible entregado al motorpara producir trabajo y se define como

sfc =mf

P

Valores típicos: 270 g/kW h para motores SI y 200 g/kW h paramotores CI (ambos al freno)

Rendimiento de conversión del combustible

ηf =Wc

mf QHV=

(PnR/N)

(mf nR/N)QHV=

Pmf QHV

=1

sfcQHV

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Relaciones aire/combustible y combustible/aire

La razón entre el flujo másico de aire ma y de combustible mfes útil para definir las condiciones de operación de los motores:

Relación aire/combustible (A/F ) =ma

mf

Relación combustible/aire (F/A) =mf

ma

Motores SI (nafta): 12 ≤ A/F ≤ 18 (0.056 ≤ F/A ≤ 0.083)Motores CI (gas-oil): 18 ≤ A/F ≤ 70(0.014 ≤ F/A ≤ 0.056)

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Rendimiento volumétrico

Se emplea sólo en motores 4T y se define como el flujovolumétrico de aire en el sistema de admisión dividido por latasa a la cual el volumen es desplazado por el pistón

ηv =2ma

ρa,iVdN

Una definición alternativa (equivalente)

ηv =ma

ρa,iVd

Valores típicos máximos: 80 % a 90 % para motores SInaturalmente aspirados; % mayores para motores CI

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Relación entre los parámetros de performance

PotenciaP = ηf mf QHV

= ηf ma(F/A)QHV

=ηf maNQHV (F/A)

nR

Para motores 4T, introduciendo el rendimiento volumétrico:

P =ηfηv NVdQHVρa,i(F/A)

2

Torque

T =ηfηv VdQHVρa,i(F/A)

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Relación entre los parámetros de performance

Presión media efectiva

pme = ηfηv QHVρa,i(F/A)

Potencia específica: es la potencia por unidad de áreadel pistón

PAp

=ηfηv NLQHVρa,i(F/A)

2

Introduciendo la velocidad media del pistón

PAp

=ηfηv SpQHVρa,i(F/A)

4

=pmeSp

4

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Relación entre los parámetros de performance

Estas relaciones ilustran la importancia directa de lossiguientes parámetros sobre la performance del motor:

1 Alto rendimiento de conversión del combustible2 Alto rendimiento volumétrico3 Incremento de la densidad del aire a la entrada4 Máxima relación F/A que pueda ser quemada por el motor5 Alta velocidad media del pistón

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