CAPÍTULO 14Motores

INTRODUCCIÓNRecién 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.

ESQUEMA DE UN MOTOR A COMBUSTION INTERNA

INDICEIntroducciónEsquema de un Motor de Combustión Interna14.1 Ciclo Motores de Combustiòn Interna14.2 Ciclo Otto de 4 tiempos14.3 Ciclo Otto de 2 tiempos14.4 Ciclo Diesel de 4 tiempos14.5 Ciclo Diesel de 2 tiempos14.6 Ciclo Dual o Mixto14.7 Ciclo Wankel14.8 Ciclo Stirling14.9 Nomenclatura de Motores14.10 Curiosidades de esta tecnología

Sistema de RefrigeraciónEmbragueCaja de CambiosDirecciónFrenos

Problemas

14.1 CICLO MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

COMBUSTIBLE

TIPO

NUMERO DE

TIEMPOS

APLICACIONES

2T

BARCOS

PETROLEO

DIESEL 2

4T

CAMIONES

2T

MOTOS

GASOLINA

84

OCTANOS 90 SP 95 97

4T

AUTOS

OTROS: H2 (COMBUSTIBLE DEL FUTURO)

Este ciclo usa aire como portador de energía, por lo tanto solamente trabajaremos con fórmulas de gases ideales.

¿Dónde se utilizan estos ciclos ?

Primer automóvil, Karl Benz - Alemania 1886 - Velocidad 13 km/h.

Motor de Volskwagen en Lab. Energìa PUCP

Motor Ford T, 1914.

En 1924 Ford había fabricado 10 millones de autos

Motor Diesel 120 kW - Lab Energìa PUCP

Mini Minor - 1958, Tracción delantera, motor transversal

Récord 24 personas en el interior

Motocicleta Honda CB750, 1967

Ferrari , Italia - Fórmula 1

Ganó 8 veces el Campeonato del mundo entre 1961 y 1983

Motor Ultraligero, 1990

CORTE DE UN MOTOR A GASOLINA DE 4 TIEMPOS

CICLO OTTO DE CUATRO TIEMPOS:

Todos los motores a gasolina usan bujías para dar chispa en el momento de la combustión.La General Motors 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 vehículos.

COMBUSTIBLESRendimiento Medio de los combustibles

Combustible Cantidad que produce 1kW-h considerando el rendimiento medio de la máquina

Carbón

Petróleo residual 5 y 6

Petróleo Diesel 2 y 4

Gasolina

Gas Natural

Gas Licuado

Bagazo

1.02kg

0.45 l

0.29 l

0.50 l

0.32 m3 *

0.37 m3 *

2 a 5 kg **

(*) A 15°C y a 760mm de Hg (**) Dependiendo de la humedad y de la composición.

El número de octanos (OCTANAJE) indica la capacidad ANTIDETONANTE !!! del combustible en las gasolinas. En el petróleo es el número de cetanos (CETANAJE)

13.3 CompresoresLa gasolina de 95 octanos (95 SP) quiere decir que no tiene plomo en su composición, por lo que se le llama la gasolina ecológica. El plomo puede producir cáncer pues el organismo no lo absorbe.

Principales características de los combustibles:

COMBUSTIBLE

GRAVEDAD ESPECIFICA

A 15.5 °C

DENSIDAD

g/dm3

PODER

CALORÍFICO kcal/kg

Petróleo Diesel 1

Petróleo Diesel 2

Petróleo Diesel 4

Petróleo Residual 5

Petróleo Residual 6

Petróleo Crudo HCT

Petróleo Crudo LCT

Carbón del Alto

Chicama

Carbón del Santa

Gas de Talara

Gas de Aguaytia

Bagazo

0.8251

0.8498

0.8708

0.9218

0.9529

0.8398

0.8498

-

-

-

-

-

829

853

875

925

955

845

853

-

-

-

-

-

10950 *

10850 *

10800 *

10363 *

10235 *

10900 *

10850 *

6570

5300

8900 *

8450

2300 a 4600 **

(*) Fuente PETROPERU (**) El poder calorífico del bagazo depende del % de celulosa y humedad que este contenga.

Arreglo de cilindros de Combustión Interna

Motor de 6 cilindros en línea (Ford Motors Co.)

Motor Transversal V-6 de 2.8 litros, tracción delantera - Chevrolet

CICLO OTTO IDEAL de 4 tiempos

1.CICLO OTTO (MOTORES A GASOLINA)

Aplicaciones:-Transporte vehicular.-Motocompresores.-Motobombas.-Pequeños grupos electrógenos.

También se les llama motores de mezcla, pues la gasolina y el aire ya entran mezclados al motor (en el carburador)

a)Motor de 4 tiempos:

1er Tiempo: ADMISIÓN.

La mezcla de gasolina y aire entran al motor debido a que el pistón crea una succión al bajar. En esta etapa la masa es variable y la presión disminuye un poco menos que la presión atmosférica.El cigüeñal da media vuelta de giro.

2do Tiempo: COMPRESIÓNEleva la temperatura de la mezcla.PMS : Punto Muerto SuperiorPMI : Punto Muerto Inferior.

La masa es constante y se produce la compresión de la mezcla, aumentándose la presión y la temperatura.De este tiempo depende la eficiencia del motor.

La presión aumenta hasta que el pistón llega al punto máximo superior (llamado PMS - punto muerto superior)Relación de Presiones r k = P2/P1

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

Se alcanza mayores rendimientos cuando la relación de presiones es mayor, por lo que también es necesario usar combustibles que “aguanten” más la compresión, por eso se aumenta el octanaje en las gasolinas.(ver pág.13)

4to Tiempo: EXPULSIÓN

Esta etapa solamente sirve para expulsar los gases de combustión que están en el motor.La masa varía.También se le llama etapa de escape o descarga.

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 más fácilmente nosotros lo acondicionamos a un ciclo teórico ideal, pero manteniendo el mismo trabajo técnico (área dentro del ciclo P-v real).Para evitar cualquier error al hacer este cambio, es que consideramos un Factor de Diagrama fD que corrige cualquier defecto.Wi = fD x W teórico

RENDIMIENTO TERMICO: (ηth)

1k

k4

3

1

2

1k

k

1k

1

21k

4

3

3

4

1k

k

1k

2

1

1

2

4

3

3

4

4

23

4

2

2

14

th

23

14

)32(

)14(

)32(

)14()32(

)32(

tth

14va)14(

23vac)32(c

rT

T

T

T

r

1

V

V

V

V

T

T

rV

V

T

T

:Además

T

T1

1

T

T

T

T1T

T

T

T

T1T

1

TT

TT1

Q

Q1

Q

QQ

Q

Wt

)TT(cmQ

)TT(cmPCmQQ

−

−

−−

−−

−

−

−

−−

−

−

−

==

=

=

=

=

=

−=

×−

×−

−=

−−

−=−=−

==

−=

−===

∑

η

η

1k

k

th

r

11

−−=η

14.3 Relación de Compresión rk

En la fase de Compresión es cuando se trata de llegar a aumentar la presión solamente con el pistón.

A mayor rk el rendimiento del motor aumenta.

En esta figura la relación de compresión r k sería 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.Para los carros de carrera debemos elegir el de mayor rendimiento.

Ciclo Otto de 2 tiempos

FASES DEL CICLO DE 2 TIEMPOS PARA UN MOTOR CON VÁLVULA DE ESCAPE(Motor de Motocicleta)

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 mecánicos en la fase de admisión, pues - como es muy rápido el ciclo - no se puede separar exactamente la cantidad de combustible que pueda salirse por la válvula.

CARBURADOR

Ciclo Otto

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 motor petrolero !!

1. MOTOR DIESEL: (PETROLEO)Aplicaciones:- Transporte vehicular.- Propulsión fluvial- Propulsión naval.- Centrales Térmicas.

Motor a cuatro tiempos:

- 1er Tiempo: ADMISIÓNSólo entra aire (no existe carburador)

- 2do Tiempo: COMPRESIÓNEleva la temperatura a una mayor que la de la combustión del combustible. No existe bujía.

- 3er Tiempo: INYECCIÓN DE COMBUSTIBLECombustión.

- 4to Tiempo: EXPULSIÓN O ESCAPE.Eliminan gases del cilindro.

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 )

CETANO: capacidad antidetonante.

El funcionamiento es similar al ciclo Otto, solamente cambia en la fase de la inyección del combustible. Ahora será un proceso (no hay sugerencias0.) en lugar de un proceso isocórico.

dq = du + p dv = dh - v dp

Como la presión es constante usaremos la segunda igualdad y dq = dh = m (h - h)

)TT(cmQ

)TT(cmQ

Q

QQ

Q

W

14va)14(

23pa)32(

)32(

)14()32(

)32(

th

−=

−=

−==

−

−

−

−−

−

∑

η

−−

−=− )1r(k

1r

r

11

a

k

a1k

k

thη

admisión) de (Relación V

Vr

)compresión de (Relación V

Vr

:donde

2

3a

2

1k

=

=

En el diagrama p -v real del ciclo podemos apreciar varias curvas; estas dependen de si el motor es rápido o lento. Pero el diagrama p-v ideal o teórico sigue siendo de la misma forma !!

algunos motores tienen una pequeña bujía 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 energía de la PUCP

CICLO DIESEL DE DOS TIEMPOS: (BARCOS)

Este caso es similar al ciclo Otto, pero también se tiene el factor de la relación de admisión como parámetro.

TURBO COMPRESORSe utiliza para aumentar la eficiencia en los motores, especialmente los de petróleo. 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 también el trabajo técnico.

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.

)43()32(

)14(

)43()32(

)14()43()32(

sumsumth QQ

Q1

QQ

QQQ

Q

Q

Q

W

−−

−

−−

−−−

+−=

+

−+=== ∑∑η

−+−−

−=− )1r(k)1(

1r

r

11

a

k

a1k

k

th αααη

2

1k

3

4a

2

3

V

Vr

V

Vr

P

P

:Donde

===α

En realidad este ciclo se asemeja mas a los ciclos reales.Si juntáramos el punto 2 con el 3 tendríamos 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 una solución al problema del transporte.

14.10 Ciclo WankelEste motor fue creado por el inventor alemán Félix Wankel, en 1954. Recién actualmente se tienen unos 500,000 automóviles en todo el mundo. Es mejor que los motores a pistón, por ejemplo un motor de pistón 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. Además, no tiene válvulas !.Opera como el ciclo Otto de 4 tiempos. El nombre matemático de la forma de la cámara es epitrozoide.No tuvo mucho éxito debido a los problemas en el diseño del sello del ápice 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.

Creditos: Pietro Hadzich http://www.webdelfiat.com.ar

Creditos: Pietro Hadzich http://www.webdelfiat.com.ar

14.11 Ciclo Stirling Los Motores Stirling pueden ser la solución del futuro. En estos motores no se mezcla el combustible con el aire, están 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, leña, carbón, etc y se puede usar hasta basura, energía solar y cualquier cosa que de calor.

La combustión 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 sería el ambiente...

Factor de Diagrama: (FD) Es la relación entre el área del diagrama indicado y el área del diagrama teórico, es decir es la relación entre el trabajo indicado y el correspondiente trabajo neto del ciclo teórico o de comparación.

1W

WFD

)teórico(neto

)real(i <=

Presión media indicada (Pmi) o Presión Media Efectiva (Pme) Presión constante hipotética, que actuando durante la carrera de expansión, realizaría un trabajo equivalente al trabajo indicado.

PmiPme 1,FD Si

V

WPmi

V

WPme

c

i

c

neto

==

==

Potencia Indicada: )W( i

Es la potencia realmente entregada por los gases en el motor. Se determina usualmente por la presión media indicada.

4

LDPmiVPmiW

2

ciπ×=×=

Potencia al freno: )W( f

También denominada potencia al eje, es la potencia entregada por el motor al eje de salida; es igual a la potencia indicada disminuida en las pérdidas mecánicas. Esta potencia se determina mediante los ¨dinamómetros¨.

ωη ×=×= TWW mif

Los dinamómetros 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 tacómetros o con los estroboscopios (como las luces de las discotecas) sin tener que haber contacto con el eje. Motor de Combustión interna en el

Lab, de Energía, se puede observar el torquímetro que mide directamente el Torque del eje de los motores.

Eficiencia Mecánica: Es la relación entre la potencia al freno y la potencia indicada.

i

fm

W

W

=η

t

fm

W

W

1FD Si

=

=

η

Esta es la FÓRMULA que da la potencia de TODO EL MOTOR !!

Potencia Técnica Total: )W( t

Z60

RPM

T

2wmW iat ××××=

Donde: 1

11a RT

VPm =

Eficiencia Volumétrica: Es la relación entre la masa del aire aspirada por cilindro y la masa del aire que, en las condiciones ambientes entraría en el volumen de desplazamiento.

c

1v V

V=η Donde:

4

LDV

P

RTmV

2

c

1

1a1

π=

=

Consumo específico de combustible: Es la relación entre el consumo de combustible y la potencia. Se expresa usualmente en kg/kW-h.

∑=

t

ce

W

mg

Porcentaje de Volumen muerto:

c

1c

cV

VcV

V

VVr

V

Vc

c

cc

m

cmk

c

m

+=+

=+

=

=

c

1crk

+=

14.6 Curiosidades de esta tecnología

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.

Embrague

Sirve para desconectar el motor - que siempre esta funcionando - del carro mismo.

Caja de Cambios

Sirve para cambiar la velocidad del carro, en realidad intercambia el torque con la velocidad para tener una misma potencia.

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 (%)

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

3.Se tiene un motor de combustión interna de las siguientes características:Motor de 2 tiempos y de 10 cilindros.L = 50cmD = 40cmPresión 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.

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.

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 tiemposL = 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 %.

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.

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 = 500rpmrelación aire /combustible = 18eficiencia mecánica = 90%condiciones ambientales : 1bar y 20° C.Motor de 4 tiempos.Poder Calorífico = 45.6MJ /kg.Densidad del combustible = 0.85 kg /litroEficiencia Térmica del ciclo = 40%Eficiencia Volumétrica = 80%