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Tema 3. Motores alternativos de

combustin interna

Asignatura: Ingeniera trmica y de fluidosProfesor: Fernando Corts Martnez

Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 2

En este tema se tratan aspectos relativos a los motores decombustin interna desde dos puntos de vista.

(i) En primer lugar se estudian los modelos tradicionalespara los ciclos de motores MEP y MEC.

(ii) A continuacin se presentan algunos de loscomponentes principales de estos tipos de motores,enunciando su funcin, materiales

Al comienzo del tema se hace una pequea introduccin alos combustibles y a la combustin

Resumen


ndice

2.1. Introduccin a los MACI

2.2. Combustibles y combustin

2.3. Potencias, rendimientos y modelos

2.4. Elementos constructivos de los MACI


Tipos de motores de combustin interna


Alternativos Rotativos


2.1. Introduccin a los MACIMotor alternativo de 4 tiempos

MEP

MEC

- admisin de aire + combustible- encendido provocado por buja

- admisin de aire- inyeccin del combustible- encendido por autoinflamacin

- admisin- compresin- combustin-expansin- escape


- pequeas cilindradasLimitaciones

Aplicaciones- motocicletas (MEP)- motores marinos (MEC)

- alto rendimiento- alta potencia especfica- sencillez tecnolgica

2.1. Introduccin a los MACIMotor alternativo de 2 tiempos


Motor rotativo Wankel

-alta potencia especfica- menor inercia- extensa gama de revoluciones- menor nivel de vibraciones

Ventajas

Inconvenientes-alto consumo- estanqueidad- duracin de los segmentos



Campo de aplicacin de los MACI

Automocin-Transporte por carretera (automviles, camiones, motocicletas, ...)

- Maquinaria de obras pblicas (excavadoras, bulldozer, ...)

- Maquinaria agrcola (tractores, cosechadoras, ...)

- Propulsin ferroviaria (MEC)

- Propulsin marina (MEC)

- Propulsin area (en la actualidad, pequeos motores)



Campo de aplicacin de los MACI


Estacionarios- Grupos generadores de energa (centrales elctricas y de emergencia) (MEC)

- Accionamiento industrial (bombas, compresores, ...) (MEC)

- Accionamiento rural (motobombas, cortacspedes, sierras mecnicas, ...)



Different kinds of fuels:

1. Hydrocarbons (methane, gasoline, diesel)

2. Alcohols (methanol, ethanol)

3. Nitroparaffins (nitromethane, nitropropane)

4. Hydrogen

2 2fuel + air CO H O ... + +


Derivados del petrleo: torre de fraccionamiento




Aplicaciones de los productos de una destilera


Some properties of petroleum-derived compounds



Calidad de la gasolina: ndice Octano

Calidad del gasoil: ndice Cetano

Volatilidad



n-heptane C7H16: NO = 0

Iso-octane C8H18: NO = 100

Fuel quality for SIEThe octane number (ON) indicates the auto-ignition resistance




Auto-ignition temperature for some fuels


Methil-napthalene C10H7CH3: NC = 0

Cetane C16H34: NC = 100

Fuel quality for CIEThe cetane number (CN) indicates the auto-ignition capacity


napthalene: C10H8


Heating values of fuels:

0 0r f , f ,

,products ,reactants= i i i i

i iq n h n h

rif >0 endothermic reactionq rif


Lower heating value:

Heat introduced into the engine:

,fuel ,fuel ,fuelin

ss mixture

J1 1 kg1

h h hq AA A

= = = + + +

A A A

,fuel rfuel

Jkg

h q = A2 2 (g)fuel + air CO H O ... + +

s

air/fuel equivalence ratioAA

= =fuel/air equivalence ratio = s

1 FF

= =



GasolinasCarbono, C 85,6 %Hidrgeno, H 14,4 %Poder calorfico inferior, Hc 10.400 kcal/kg combustibleAire mnimo para la combustin 14,756 kg/kg combustible

GasleosCarbono, C 86 %Hidrgeno, H 12,2 %Azufre, Oxgeno y Nitrgeno 2 %Poder calorfico inferior, Hc 10.000 kcal/kg combustibleAire mnimo para la combustin 13,981 kg/kg combustible



Heating values (heat of combustion) for some fuels



s 2 2 1 2 2 2 3 2C H O N (O 3.76N ) CO H O Na n n n + + + +

s = + 4 2a

1=n 2 = 2

n

3 s= +3.762n a

ss

28.85(4.76 )(12.01 1.008 16.00 14.01 )

aA = + + +


Modelo de combustin estequiomtrica


Stoichiometric data for some fuels



The equivalence ratio relates the actual fuel mass with thestoichiometric mass of the mixture. If < 1 the mixture iscalled lean, if > 1 the mixture is said to be rich.

Low temperature non-stoichiometric model

s

FF

=s

AA

=1 =



Influence of the equivalence ratio having on emissionsLow temperature non-stoichiometric model



Emissions composition




s2 2 1 2 2 2

3 2 4 2 5 6 2

C H O N (O 3.76N ) CO H O

N O CO H

a n n

n n n n

+ + ++ + + +

A combustion model for T < 1000 K




For rich mixtures, an additional equation is needed:

2 2 2CO H CO H O+ +U

2 5

1 6( ) n nK T

n n=

Equilibrium constant as a function of temperature

Fitting to JANAF tables, yields

2 31.761 1.611 0.2803ln ( ) 2.743K T

t t t= +

( /1000)t T=




Finally, n5 becomes2

1 1 1 15

1

4=

2b b a c

na

+

1 1a K= where

1 1 12b K d a = +

1 1c d K= 1 s

12 1d a =




s2 2 1 2 2 2

3 2 4 2 5 6 2 7

8 9 10

C H O N (O 3.76N ) CO H O

N O CO H HO OH NO

a n n

n n n n nn n n

+ + ++ + + + ++ + +

To solve these ten unknowns, it can be used four equations ofatomic balance and six equations of chemical equilibrium.


A general combustion model


1 5C : ( )y y N = +Four atomic balance equations

2 6 7 9H : (2 2 )y y y y N = + + +s

1 2 4 5 8 9 10O : 2 (2 2 )a y y y y y y y N + = + + + + + +

s3 10

3.76N : 2 (2 )a y y N + = +10

11 0i

iy

= =




72 1

6

1 H H2

y pK

y=U

Six chemical equilibrium equations

82 2

4

1 O O2

y pK

y=U

92 2 3

4 6

1 1H O OH2 2

yKy y

+ =U

1:

2:

3:




102 2 4

4 3

1 1O N NO2 2

yKy y

+ =U

22 2 2 5

4 6

1H O H O2

yKy y p

+ =U

12 2 6

5 4

1CO+ O CO2

yKy y p

=U

4:

5:

6:

Six chemical equilibrium equations




Fitting the equilibrium constants to JANAF tables

2log ( ) ln( /1000) ii i i i iBK T A T C D T E TT

= + + + +




,fuelc ,

s(1 )

1 i ii

hx h

A =+ A A

The term of the right-hand side of the equation indicates the product of the mass fraction multiplied by the lower heating value of the products resulting from the non-stoichiometric combustion (i.e., CO, H2, HC and particles).

in,actual c in,stoichiometricq q=


Combustion efficiency


Cmaras de combustin

cilindro 2V cilindro 4V



Motores MEP



Cmara hemisfrica

Buen flujo de los gases rbol de levas complejo Para cilindradas pequeas



Cmara en baera

Vlvulas en lnea Recorrido corto de la chispa



Cmara en cua

Minimiza la turbulencia Vlvulas en lnea



Vlvula lateral

Poco espacio entre culata y pistn Minimiza la detonacin Para relaciones de compresin pequeas



Cmara de pistn

Buen flujo de los gases Para relaciones de compresin grandes



Motores MEC

Cmara abierta oinyeccin directa

Cmara dividida o inyeccin indirecta




link a la animacin


El ciclo indicado


link a la animacin


PMS PMI

pmi

Wi = pmi VD

PMI punto muerto inferior

PMS punto muerto superior

VD cilindrada ( Vmax- Vmin)pmi presin media indicada

Wi trabajo indicadoNiD potencia indicada cilindro

Potencia del ciclo indicado



Ni potencia indicada del motor

Ni = pmi VT n i = pmi VD z n i = pmi AP cm z i

Clculo de la potencia indicada

z nmero de cilindrosVT cilindrada total

n vueltas por unidad de tiempoi ciclos por vuelta (1/2 1)AP rea del cilindrocm velocidad media del pistn



Clculo de la velocidad media del pistn

cm = 2 S n

PMS PMI

S

MEP turismos 8-16 m/sMEP deportivos 15-23 m/sMEC automocin 9-13 m/sMEC 4T estacionarios marinos y ferroviarios 6-11 m/sMEC 2T lentos 6-7 m/s



Ne potencia efectiva del motorNe = pme VT n i = pme VD z n i = pme AP cm i

Clculo de la potencia efectiva

pme presin media efectiva

MEP turismos 8,0-14 barMEP deportivos 8,5-25 barMEC automocin 6,0-16 barMEC 4T industriales 5,5-23 barMEC 2T lentos 10,0-15 bar



Clculo de las prdidas mecnicas

Npm = Ni Ne = (pmi pme) VT n i

pm pm = pmi pme

Npm = pm pm VT n i

En las prdidas mecnicas se incluye en trabajo de bombeo o de renovacin de la carga.

Estas prdidas disminuyen el rendimiento de los MEP en los ciclos urbanos.



Clculo de las prdidas mecnicas

NR = potencia absorbida por la friccin mecnica (rozamiento)

Nb = potencia absorbida por el efecto de bombeo

Na = potencia para el accionamiento de auxiliares

Nc = potencia necesaria para accionar las bombas de barrido o el compresor de sobrealimentacin cuando el accionamiento es mecnico

Npm = NR + Nb + Na + Nc



Clculo de rendimientos

hA,f = poder calorfico inferior del combustible a presin constante

ii

f ,f

Nm h

=A

ee

f ,f

Nm h

=A

fm = gasto msico de combustible (kg/s)

MEP e 0,25 0,30MEC e 0,30 0,50

em

i0,8 =



Clculo de consumo especfico

ff

mgN

= efe ,f

1gh= A

MEP gef 320 280 g/kWhMEC gef 280 180 g/kWh

ifi ,f

1gh= A

hA,f = poder calorfico inferior del combustible a presin constante

fm = gasto msico de combustible (kg/s)



Valores usuales de potencias especficas

Motocicletas 50 80 kW/l

Turismos 35 - 45 kW/l

Deportivos atmosfricos 120 175 kW/l

Deportivos sobrealimentados 150 350 kW/l

MEP

MEC

Turismos 20 35 kW/lCamiones atmosfricos 12 - 17 kW/lCamiones sobrealimentados 15 24 kW/lFerroviarios, marinos y estacionarios 4T 20 kW/lMarinos y estacionarios 2T 2 4 kW/l



Valores usuales de revoluciones a la que se consigue la potencia mxima

MEP automocin 5.500 6.000 rpmMEP competicin 12.000 rpmMEC automocin 1.800 5.000 rpmMEC 4T ferroviarios, marinos y estacionarios 500 1.500 rpm

MEC 2T Marinos 70 200 rpm



Relacin de compresin

MEP: 8 - 10

MEC: 12,5 - 23



111

r =

Modelo de ciclo Otto (para MEP)



Modelo de ciclo Diesel (para MEC)

( )C1 C1111

rrr

= 3

2C

vrv

=



Modelo de ciclo Diesel (para MEC)



Modelo de ciclo mixto

( )C1 C111

1 1P

P P

r rr r rr

= + 3

CX

vrv

=2

XP

PrP

=



Ciclo Otto vs. ciclo indicado MEP



Ciclo Diesel vs. ciclo indicado MEC (motor lento)



Ciclo Mixto vs. ciclo indicado (motor rpido)



Diferencias entre el modelo Otto y el ciclo indicado

Trabajo de bombeo

Prdidas por tiempo

Prdidas por calor



Clculo de las prdidas por calor

Qt = calor equivalente introducido en el motor debido al combustible suministrado =

QN = calor equivalente a la potencia efectiva obtenida en el motor = NeQr = calor transmitido al refrigerante

Qg = calor equivalente a la energa perdida en los gases de escape

Qres = calor equivalente que corresponde a la combustin incompleta

Qa = calor transmitido al aceite

Qra = calor transmitido por radiacin

t r res a raN gQ Q Q Q Q Q Q= + + + + +

f ,fm hA



El cilindro

- El cilindro con camisa, ms caro de fabricar, pero mejor mantenimiento

- Temperatura: 200 C- Buen acabado superficial

- Materiales de la camisa: fundicin gris perltica

- Si el cilindro es de aleacin ligera no encamisado: cromado

- Dimetro mximo en MEP: 150 mm



MEP automocin 0,6 1,1MEC automocin 0,9 1,2MEC 4T lentos 1,2 1,4MEC 2T lentos 1,8 - 3

Relacin carrera / dimetro



El bloque motor

- Aloja los cilindros

- Alta rigidez- Permite la refrigeracin- Materiales: fundicin, aleaciones ligeras, chapa soldado



5 en lnea 10 en V


El bloque motor


Cilindros en lnea

Cilindros horizontales opuestos

Cilindros en V



MEP motocicletas 1 4MEP automviles 2 6 en lnea

6 8 en VMEC camiones 4 6 en lnea

6 10 en VMEC marinos, ferroviarios, estacionarios 1 10 en lnea

8 20 en V

Nmero de cilindros actuales



El crter

- Colector de aceite

- Atado mediante tornillos

- Aleacin ligera o chapa de acero



La culata

- Contiene las cmaras de combustin y los conductos de los gases.

- Aloja las vlvulas, bujas e inyectores.

- Sometida a elevadas tensiones mecnicas y trmicas (300C).

- Materiales: fundicin y aleacin ligera.

- Junta culata: evita fuga de los gases. Metales blandos, o laminas de metal y amianto.



El pistn

- Temperatura en el centro: 360 C

- Asegura la estanqueidad: aloja los segmentos.

- Trasmite los esfuerzos

- Ligero, silencioso y resistente

- Fabricacin por colado o forjado

- Fundicin, acero, aleacin ligera o de magnesio

- Pieza mvil



Los segmentos

- MEP: dos de estanqueidad y uno rascador

- Temperatura: 225 C

- MEC: tres de estanqueidad y uno rascador

- Fundiciones especiales

- Posibles cromados o revestidos con molibdeno



La biela

- Trasmite esfuerzos y movimiento

- Ligereza

- Resistencia y rigidez

- Buenas tolerancias

- Pie, cuerpo y cabeza

- Aceros al carbono, aceros especiales, aleaciones ligeras, fundicin de grafito esferoidal



El cigeal- Trasforma el movimiento a rotativo

- Solicitaciones de torsin y flexin- Sucesin de muequillas y apoyos

- Fundicin de grafito esferoidal, acero fundido o acero forjado

- Importantes tolerancias de mecanizado- Circuito interno para la lubricacin

- Contrapesos para el equilibrado



Las vlvulas

- Deben permitir el correcto flujo de los gases

- Temperatura: 700 C

- Deben permitir el correcto flujo de los gases

- Las vlvulas mltiples mejoran la refrigeracin

- Las vlvulas de escape se construyen con aceros Cr Ni austenticos



rbol de levas



El motor de arranque

al volante de inercia


Nmero de diapositiva 1Nmero de diapositiva 2Nmero de diapositiva 3Nmero de diapositiva 4Nmero de diapositiva 5Nmero de diapositiva 6Nmero de diapositiva 7Nmero de diapositiva 8Nmero de diapositiva 9Nmero de diapositiva 10Nmero de diapositiva 11Nmero de diapositiva 12Nmero de diapositiva 13Nmero de diapositiva 14Nmero de diapositiva 15Nmero de diapositiva 16Nmero de diapositiva 17Nmero de diapositiva 18Nmero de diapositiva 19Nmero de diapositiva 20Nmero de diapositiva 21Nmero de diapositiva 22Nmero de diapositiva 23Nmero de diapositiva 24Nmero de diapositiva 25Nmero de diapositiva 26Nmero de diapositiva 27Nmero de diapositiva 28Nmero de diapositiva 29Nmero de diapositiva 30Nmero de diapositiva 31Nmero de diapositiva 32Nmero de diapositiva 33Nmero de diapositiva 34Nmero de diapositiva 35Nmero de diapositiva 36Nmero de diapositiva 37Nmero de diapositiva 38Nmero de diapositiva 39Nmero de diapositiva 40Nmero de diapositiva 41Nmero de diapositiva 42Nmero de diapositiva 43Nmero de diapositiva 44Nmero de diapositiva 45Nmero de diapositiva 46Nmero de diapositiva 47Nmero de diapositiva 48Nmero de diapositiva 49Nmero de diapositiva 50Nmero de diapositiva 51Nmero de diapositiva 52Nmero de diapositiva 53Nmero de diapositiva 54Nmero de diapositiva 55Nmero de diapositiva 56Nmero de diapositiva 57Nmero de diapositiva 58Nmero de diapositiva 59Nmero de diapositiva 60Nmero de diapositiva 61Nmero de diapositiva 62Nmero de diapositiva 63Nmero de diapositiva 64Nmero de diapositiva 65Nmero de diapositiva 66Nmero de diapositiva 67Nmero de diapositiva 68Nmero de diapositiva 69Nmero de diapositiva 70Nmero de diapositiva 71Nmero de diapositiva 72Nmero de diapositiva 73Nmero de diapositiva 74Nmero de diapositiva 75Nmero de diapositiva 76Nmero de diapositiva 77Nmero de diapositiva 78Nmero de diapositiva 79Nmero de diapositiva 80Nmero de diapositiva 81Nmero de diapositiva 82Nmero de diapositiva 83Nmero de diapositiva 84

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