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  1. 1. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Introducción. Elementos Constructivos. Clasificación Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 1 INTRODUCCIÓN A LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS INTRODUCCIÓN A LOS MOTORES TÉRMICOS MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVO CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS DE LOS M.C.I.A. CLASIFICACIÓN DE LOS M.C.I.A.
  2. 2. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Introducción. Elementos Constructivos. Clasificación Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 2 INTRODUCCIÓN A LOS MOTORES TÉRMCOS Definición de Motor Térmico:  Conjunto de máquinas  Transforma Energía Térmica en Mecánica Q  W  Sometiendo a un fluido compresible a un ciclo termodinámico. MOTOR TÉRMICO Combustión Interna Combustión externa Se aporta calor mediante un proceso de combustión en el seno del fluido Ciclo abierto Se aporta el calor al fluido mediante un sistema de intercambio de calor Habitualmente ciclo cerrado Motor de combustión interna rotativo (Wankell) Maquina de vapor (ciclo abierto) Motor Stirgling (motor alternativo) pequeña potencia Motor de combustión interna alternativo: Transporte: terrestre y aéreo (pequeña potencia) Energía mecánica y eléctrica Turbina de gas Habitualmente combustión interna. Aviación y producción de electricidad Turbina de Vapor Producción de electricidad Turbina de Vapor Turbina de Gas Motor de Combustión Interna alternativo 0.1 kW 1 kW 10 kW 100 kW 1 MW 10 MW 100 MW 1 GW 10 GW
  3. 3. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Introducción. Elementos Constructivos. Clasificación Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 3 MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVO Admisión Compresión Combustión Expansión Escape 0 5 10 15 20 25 -360 -270 -180 -90 0 90 180 270 360 Ángulo (º) Presión(bar) Combustión Arrastrado Presión ambiente Volumen Presión Qent Qsal Wsal Went W bombeo MOTOR TÉRMICO Qent Qsal Went Wsal Foco frío: ambiente Foco caliente: Combustión RENDIMIENTO TERMICO DEL MOTOR comb amb Carnot ent salent ent entsal ciclo T T 1 Q QQ Q WW     
  4. 4. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Introducción. Elementos Constructivos. Clasificación Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 4 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LOS M.C.I.A. El gran desarrollo de los motores de combustión interna alternativos se debe a una serie de características entre las que se pueden destacar. Posibilidad de poder quemar combustibles líquidos de elevado poder calorífico (posibilidad de transportar mucha energía con muy poco peso).  Esta característica les hace muy importantes en el campo de la automoción ya que condiciona la autonomía del vehículo.  Les permite competir con ventaja frente a los vehículos eléctricos los cuales la energía almacenada en la batería pesa mucho más. Rendimiento térmico aceptable, dependiente del tamaño del motor pero que se mantiene bastante acotado para diferentes grados de carga y regímenes.  Esta característica es de gran importancia en todas las aplicaciones en las que la potencia que se necesite no sea constante.  Cuando esta condición junto con la autonomía son determinantes los M.C.I.A. no tienen competidores.  Amplio campo de potencias desde 0.1 kW hasta 32 MW  Su campo de aplicación va desde modelismo hasta grandes motores marinos o estacionarios.
  5. 5. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Introducción. Elementos Constructivos. Clasificación Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 5 ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS DE LOS M.C.I.A. CILINDRO Conduce al pistón en su movimiento y es el elemento central del sistema de compresión. BLOQUE DE CILINDROS Y BANCADA Sobre el bloque se apoyan las demás partes del motor por lo que su rigidez es esencial para el buen funcionamiento del motor. El bloque debe poseer de conductos interiores para llevar el aceite a presión a los diferentes cojinetes que soportan el cigüeñal así como conductos para llevar el aceite a la culata que a su vez tiene conductos para llevar el aceite al árbol de levas o de balancines. CULATA Es la pieza del motor de diseño más complejo por la cantidad de funciones y requerimientos que debe cumplir. Puede haber una para todos los cilindros (motores pequeños), o una para cada cilindro o par de cilindros (motores más grandes). La culata por lo general tiene que alojar los siguientes elementos:  Conductos de admisión y de escape (pipas de admisión y escape): estos conductos empalman con los colectores de admisión y escape  Asientos de Válvula: suelen ser postizos de material duro y resistente al choque.  Guías de válvulas: Es la pieza sobre la cual desliza la válvula, suele ser de aleaciones especiales y mecanizadas con gran precisión para conseguir un buen centrado y mínimas fugas:
  6. 6. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Introducción. Elementos Constructivos. Clasificación Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 6  Circuitos de refrigeración: tienen que ser de tal manera que minimicen las tensiones térmicas debidas a grandes diferencias de temperatura entre puntos muy próximos.  Junta de culata: sirve para evitar las fugas en la unión entre cilindro y culata, también sirve de junta en las uniones de los conductos de agua y aceite entre bloque y culata. PISTÓN Y SEGMENTOS El pistón transmite la fuerza de los gases a la biela (requerimientos de resistencia mecánica), debe ser lo más estanco posible al paso de gases de combustión al cárter y de aceite del cárter a la cámara de combustión, para ello leva a su alrededor unos aros metálicos que se ajustan al cilindro (segmentos). Por ser piezas móviles deben pesar lo menos posible y es difícil de refrigerar. Segmentos de estanqueidad Segmento Rascador Segmento de fuego Aceite CIGÜEÑAL Y BIELA Se encargan de transformar el movimiento alternativo en rotativo que suministre un par útil. Suele estar fabricados en fundición o forjado y en cualquiera de los dos casos posteriormente mecanizado. En algunos casos, como en los pequeños motores de dos tiempos con barrido por cárter, el cigüeñal consta de dos piezas unidas por un bulón sobre el que se coloca la biela.
  7. 7. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Introducción. Elementos Constructivos. Clasificación Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 7 VÁLVULAS Son las encargadas de controlar el paso de fluido por la cámara de combustión durante el proceso de renovación de la carga. La forma más común de las válvulas es la denominada de plato. La válvula más solicitada es la de escape por que la temperatura del fluido cuando pasa por ella es muy alta. SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN Agrupa a todos los elementos mecánicos que provocan la apertura y cierre de las válvulas, debe estar sincronizado con el movimiento de pistón (cigüeñal) y completa un ciclo de funcionamiento cada dos vueltas del motor (el árbol de levas gira a la mitad de revoluciones que el cigüeñal).
  8. 8. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Introducción. Elementos Constructivos. Clasificación Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 8 ESQUEMA GENERAL DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVO CÁRTER ACEITE CIGÜEÑAL REFRIGERANTE PISTÓN VÁLVULA PIPA LEVA BOMBA DE ACEITE A PRESIÓN SEGMENTOS BULÓN EJE ÁRBOL DE LEVAS BIELA TAPA DE BALANCINES CULATA BLOQUE MOTOR CÁMARA DE COMBUSTIÓN TAPA DEL CÁRTER JUNTA CULATA
  9. 9. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Introducción. Elementos Constructivos. Clasificación Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 9 CLASIFICACIÓN DE LOS M.C.I.A. SEGÚN EL PROCESO DE COMBUSTIÓN Motor de encendido provocado (MEP, motor Otto)  Por lo general el combustible entra en el cilindro ya mezclado con el aire.  Al final de la compresión se dispone de una mezcla de aire y combustible más o menos homogénea.  La combustión se inicia por una causa externa, generalmente una chispa eléctrica. Motor de encendido por compresión (MEC, motor Diesel)  El fluido admitido en el cilindro es solo aire sin combustible.  Al final de la carrera de compresión (mayor que en los MEP) se inyecta en el cilindro el combustible y debida a las altas temperaturas y presiones el combustible se autoinflama.
  10. 10. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Introducción. Elementos Constructivos. Clasificación Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 10 SEGÚN EL MODO DE REALIZAR EL CICLO Motores de 4 Tiempos  Se realiza un ciclo cada dos vueltas del motor.  Existen unos procesos diferenciados para renovar el fluido que evoluciona. Motores de 2 Tiempos  Se realiza un ciclo cada vuelta del motor.  El fluido se renueva mientras el pistón está en la parte inferior de su carrera.  Se utiliza para pequeñas potencias (sencillez barrido por carter y potencia específica) y grandes potencias (potencia especifica).  En barrido por carter la lubricación se hace con aceite mezclado con el combustible.
  11. 11. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Introducción. Elementos Constructivos. Clasificación Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 11 SEGÚN EL TIPO DE REFRIGERACIÓN La refrigeración es necesaria para acotar la temperatura de ciertas partes del motor. Refrigeración por aire (directa)  El calor se transmite directamente al aire a través de unas aletas colocadas en el cilindro.  Es más barato y fiable.  Es más ruidoso y voluminoso.  A veces se usa una soplante para mover al aire. Refrigeración por líquido (indirecta si se usa intercambiador)  El motor cede calor al medio refrigerante (casi siempre agua) que actúa como agente intermedio entre el motor y el aire.  Se necesita una bomba para mover el refrigerante.  El refrigerante suele ser agua con alcoholes para evitar la congelación y aditivos para evitar corrosión.
  12. 12. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Introducción. Elementos Constructivos. Clasificación Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 12 SEGÚN EL NÚMERO Y DISPOSICIÓN DE LOS CILINDROS Tiene influencia sobre el tamaño y la relación de aspecto del motor Cuantos más cilindro, mas caro y mas complicado. SEGÚN LA PRESIÓN DE ADMISIÓN Motor de aspiración natural o atmosférico  La presión del aire cuando entra al cilindro es aproximadamente la atmosférica o inferior. Motor sobrealimentado  La presión del aire a la entrada en el cilindro es superior a la atmosférica.  Esto hace que la masa de aire introducida en el motor sea mayor que en aspiración natural, se puede quemar más combustible (mas potencia) Es necesaria la utilización de un compresor para conseguir esta sobrepresión.
  13. 13. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Parámetros Característicos. Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 1 PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LOS M.C.I.A. CONCEPTO DE DOSADO PARÁMETROS GEOMÉTRICOS PARÁMETROS INDICADOS PARÁMETROS EFECTIVOS PARÁMETROS DE PÉRDIDAS MECÁNICAS RESUMEN DE PARÁMETROS OTROS PARÁMETROS POTENCIA Y PAR EN FUNCIÓN DE LOS PARÁMETROS POTENCIA Y PAR EN FUNCIÓN DEL REGIMEN
  14. 14. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Parámetros Característicos. Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 2 CONCEPTO DE DOSADO  Dosado (F) es el parámetro que caracteriza la mezcla aire-combustible: F = Masa Combustible Masa Aire     m m m m f a fcc acc mcc Masa por Cilindro y Ciclo (Kg) m Gasto Másico (Kg/s) iZn 1 x i=Número de ciclos por revolución  Dosado estequiométrico (Fe) es el dosado que tiene que haber en una mezcla aire combustible para que en la reacción de combustión no sobre aire ni combustible: 22222mn N76.3 4 m nOH 2 m COn)N76.3O( 4 m nHC               28x76.332 4 m n mn12 Fe          Es una propiedad del combustible Para los combustibles usuales Fe  1/14.5 , 1/15.5.  Dosado relativo (Fr) o riqueza:         ible)de combust(defectoPobre1 uiometricoEsteq1= le )combustib(exceso deRico1 F F F e r  Coeficiente de exceso de aire ():   1 Fr  Rangos usuales de dosado relativo: MEC  Fr  0.04 , 0.7 MEP automoción Fr  0.9 , 1.3 MEP industrial  Fr  0.6 , 0.8
  15. 15. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Parámetros Característicos. Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 3 PARÁMETROS GEOMÉTRICOS S  Carrera   Ángulo girado cigüeñal D  Diámetro Pistón PMS  Punto Muerto Superior ( = 0°) R  Radio muñequilla PMI  Punto Muerto Inferior ( = 180°) L  Longitud biela S/D  Relación carrera-diámetro V VD Vc R L S=2R X PMS PMI D  Ap   D 4 2 Ap  Área del pistón V SD   D 4 2 VD  Volumen desplazado r V V V D C C   r  Relación de compresión MEC r 12, 23, MEP r  8 , 10 V A X VP C  X = f( , L, R) VC  Volumen cámara de combustión V Z VT  D Z  Nº de cilindros VT  Cilindrada de motor
  16. 16. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Parámetros Característicos. Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 4 PARÁMETROS INDICADOS Son parámetros relacionados con aspectos termodinámicos del ciclo. V P VPMS VPMI pmi VD = + + VD  Trabajo indicado (Wi): Es el trabajo que se obtiene en el ciclo durante las carreras de compresión y expansión: W P dVi    Presión media indicada (pmi): pmi W V i D   Potencia indicada (Ni): N W in pmi Vi i     1/ D n i i = 1/ 2 en 4T 1 en 2T  Par indicado (Ti): Di Vpmi 2 i T    Rendimiento indicado (i): Expresa "la calidad" con que se transforma la energía almacenada en el combustible en energía mecánica sobre el pistón. Cfcc D Cfcc i Cf i i Hm Vpmi Hm W Hm N   HC  Poder calorífico del combustible: Energía que se desprende por unidad de masa de combustible quemado.
  17. 17. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Parámetros Característicos. Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 5 PARÁMETROS EFECTIVOS Parámetros relacionados con aspectos termodinámicos y mecánicos del ciclo.  Potencia efectiva (Ne): Es la potencia que se tiene en el eje del cigüeñal. Es de menor valor que la potencia indicada porque esta disminuida por las pérdidas que tienen lugar hasta la salida de fuerza por el cigüeñal.  Par efectivo (Te): n2 N T e e    Presión media efectiva (pme): iV T2 iVn N pme D e D e   Para un motor dado el par y la presión media efectiva están ligados por la cilindrada.                       bar15,10pmelentos2TMEC bar23,5.5pmeesindustrial4TMEC bar16,6pmeautomociónMEC bar25,8.5pmedeportivosMEP bar14,8pmeturismosMEP pmedeRango max max max max max  Trabajo efectivo (We): Es el trabajo que se obtiene en el eje del cigüeñal durante un ciclo de trabajo completo. We e  N n i  Rendimiento efectivo (e): Expresa "la calidad" con que se transforma la energía liberada por el combustible en energía mecánica en el eje (cigüeñal). e e f e fcc fcc N m W m pme V m     H H HC C D C                  0.5,0.30MEC 0.45,0.35esindustrialMEP 0.3,0.25MEP Rangos e e e e
  18. 18. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Parámetros Característicos. Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 6 PARÁMETROS DE PÉRDIDAS MECÁNICAS Parámetros que relacionan la energía mecánica existente en el pistón con la que se tiene en el cigüeñal a la salida del motor. Estas pérdidas tienen tres orígenes:  Pérdidas por fricción.  Accionamiento de auxiliares.  Pérdidas de bombeo.  Potencia absorbida por pérdidas mecánicas (Npm): N N Npm i e   Presión media de pérdidas mecánicas (pmpm): pmpm pmi pme   Par de pérdidas mecánicas (Tpm): T T Tpm i e   Trabajo de pérdidas mecánicas (Wpm): W W Wpm i e   Rendimiento mecánico (m): Es la relación entre la energía mecánica que se extrae a través del cigüeñal y la que se obtiene en el pistón.    m e i e i e i e i pme pmi N N T T W W     
  19. 19. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Parámetros Característicos. Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 7 RESUMEN DE PARÁMETROS i, e y pm i INDICADOS: Energía combustible Energía mecánica sobre el pistón m MECÁNICOS: Energía mecánica pistón Energía mecánica cigüeñal e EFECTIVOS: Energía combustible Energía mecánica cigüeñal mie  Para un motor, conocido el régimen n, el gasto de combustible, el poder calorífico del combustible y uno de los parámetros, es posible obtener el resto. N (Potencia)  (Rendimiento) M (Par) Pm (Presión media) W (Trabajo) inVD D cfcc V Hm cfcc Hm 1 n2 1  i 2 
  20. 20. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Parámetros Característicos. Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 8 OTROS PARÁMETROS (I)  Régimen (n): Es la velocidad angular con que gira el cigüeñal. Suelen utilizarse los tres tipos de unidades siguientes. n (rev/s) rpm (rev/min)  (rad/s) 2 1 60 2 60  Velocidad lineal media (Cm): Velocidad media con que se mueve el pistón. Cm  2 S n           Rango de C MEP turism MEP deport s MEC automo MEC 4T ind MEC 2T len m a N os C 8 16 m / s ivos C 15 23 m cion C 9 13 m / s ustriales C 6 11 m / s tos C 6 7 m / s max m m m m m                    , , / , , ,  Potencia específica: (puede ser por unidad de masa o volumen) Nf (vol) = N VD (Potencia por unidad de cilindrada) Nf (mas) = N mmotor (Potencia por unidad de masa del motor) Los MEP presentan mayores Nf que los MEC no sobrealimentados. Los motores 2T presentan mayores Nf que los motores 4T.
  21. 21. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Parámetros Característicos. Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 9 OTROS PARÁMETROS (II)  Consumo específico (gf): Mide (habitualmente en g/Kwh) el consumo de combustible por unidad de potencia extraída. Es un parámetro relacionado con el rendimiento a través del poder calorífico del combustible. Puede ser indicado (gif) o efectivo (gef). g m N H f f c    1      Rango de g MEP MEC ef ef ef g 320 280 g / kWh g 280 180 g / kWh         , ,  Rendimiento volumétrico (v): Es un indicador del llenado de aire o mezcla del motor, comparándolo con el llenado teórico a una temperatura de referencia. inV m C 1 inV m V m iaT a imT m imD mcc v     ia  Densidad del aire en las condiciones de referencia. C  Relación entre el volumen ocupado por el aire y el ocupado por la mezcla admitida. ff fha a i a T a M F 18 h 29 1 29 1 M m 18 m 29 m 29 m p p V V C     Para combustibles de elevado peso molecular (gasolina, gasoleo) y las humedades habituales en el aire C toma valores próximos a uno. Grado de carga: para un régimen de giro dado, el grado de carga expresa la relación entre el par máximo del motor a ese régimen y el que está suministrando el motor en las condiciones de funcionamiento. En MEP se actúa sobre la posición de la mariposa de admisión y de esta manera se modifica la macc y el sistema de formación de la mezcla ajusta la mfcc. En MEC se actúa sobre la bomba inyectora para modificar directamente la mfcc.      2 iHm 2 iw M ecfcce e Existe una relación siempre creciente entre el actuador del grado de carga y el par efectivo. Algunas veces se el grado de carga se define como la posición del actuador respecto a su posición máxima o de plena carga.
  22. 22. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Parámetros Característicos. Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 10 POTENCIA Y PAR EN FUNCIÓN DE LOS PARÁMETROS (Concepto de grado de carga) La potencia suminstrada por un motor alternativo se puede expresar como sigue: miCerviaTeCaecfe HFFCVinHFmHmN   el par se puede expresar de la misma forma dividiendo por la velocidad angular: miCerviaTe HFFCVi 2 1 M    Podemos hacer un análisis de la dependencia de cada uno de estos parámetros y agruparlos: Parámetros dependientes del combustible y de las condiciones atmosféricas; Fe Dosado estequiométrico Hc Poder calorífico del combustible ia Densidad del aire. C Depende muy ligeramente del dosado, en los motores donde ese parámetros es importante (MEP a gas) el dosado relativo no varía. Parámetros de diseño del motor, algunos se eligen y otros indican el grado de éxito en el diseño: i Tipo de motor (2T o 4T). VT Cilindrada del motor. e Rendimiento efectivo, este parámetro depende de las condiciones de funcionamiento. Parámetros de diseño que se modifican en funcionamiento respecto de su valor máximo de diseño, podríamos llamarlos parámetros de funcionamiento: v Rendimiento volumétrico: en los MEP. Se modifica para variar el par que suministra el motor, el valor máximo depende ligeramente del régimen de giro. Fr Dosado relativo: en MEC se modifica para variar el par, en MEP varia poco en todos los puntos de funcionamiento. n Régimen de giro: este parámetro se fija en el punto de equilibro entre el par resistente y el par motor. A la relación entre el par máximo y el par real que está dando el motor se le suele denominar grado de carga.
  23. 23. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Parámetros Característicos. Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 11 POTENCIA Y PAR EN FUNCIÓN DEL REGIMEN miCerviaTe HFFCVi 2 1 M    Para un motor dado y en unas condiciones atmosféricas definidas, el par depende fundamentalmente del producto de los tres rendimientos y del dosado relativo. En condiciones de plena carga, ninguno de los cuatro varía mucho cuando se modifica el régimen. Cabe destacar la caída del rendimiento mecánico a alto régimen y algo similar le ocurre al rendimiento volumétrico en los motores de aspiración natural. Se puede decir que a plena carga el par permanece sensiblemente constante al variar el régimen. Las variaciones que puede tener son fundamentalmente debidas al rendimiento volumétrico y en menor medida al dosado relativo y el rendimiento indicado, a alto régimen la caída del rendimiento mecánico y el rendimiento volumétrico hace que el par decrezca. ee Mn2N  En consecuencia la potencia aumenta linealmente con el régimen de giro y solo a alto régimen alcanza un máximo cuando el incremento de régimen no compensa la caída del par. Nemax n Memax Diferentes curvas de para para diferentes grados de cargas: Modificación de Fr MEC Modificación de v MEP
  24. 24. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Parámetros Característicos. Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 12 BIBLIOGRAFÍA Muñoz, M., Payri, F. Motores de Combustión Interna Alternativos. Servicio Publicaciones E.T.S. Ingenieros Industriales, Universidad Politécnica Madrid, 1994. Cap. 1: Características Fundamentales de los MCIA (pp. 3-25).
  25. 25. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Semejanza Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 1 SEMEJANZA DE MOTORES ALTERNATIVOS BASES DE LA SEMEJANZA CONSECUENCIAS DE LA SEMEJANZA IMPLICACIONES DE LA SUBDIVISIÓN DE LA CILINDRADA CONSIDERACIONES FINALES EJEMPLOS: Subdivisión de la cilindrada Curvas de par Estudio comparativo de motores de automoción
  26. 26. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Semejanza Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 2 BASES DE LA SEMEJANZA EN MCIA FINALIDAD:  Sirve para explicar las tendencias que presentan los MCIA al variar su tamaño (al variar su cilindrada).  Teoría simple (utiliza aproximaciones) y no exacta pero que es una herramienta útil y rápida para el diseño y elección de motores según la aplicación que se les quiera dar. CONDICIONES A CUMPLIR POR MCIA SEMEJANTES: 1. Semejanza geométrica: La relación entre dos dimensiones geométricas cualesquiera, en uno de ellos, es igual a la relación entre las dimensiones geométricas respectivas, en el otro (motores iguales pero a escala). 2. Trabajar en iguales condiciones ambientales. 3. Trabajar con iguales reglajes Tª agua refrigerante Dosado Punto de encendido etc.        4. Poseer la misma velocidad media del pistón Cm.
  27. 27. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Semejanza Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 3 IGUALDAD DE LAS PRESIONES MEDIAS EN MCIA SEMEJANTES(I) IGUALDAD DE PMI EN MOTORES SEMEJANTES: pmi W V i D i i i v ia         H m V H F m V H F c fcc D c acc D c  El rendimiento volumétrico (v) se verá que se puede hacer depender únicamente de relaciones entre magnitudes geométricas (1), condiciones ambientales (2) y Cm (4). Así para motores semejantes v se mantiene.  F es el mismo (3).  ia es la misma (2).  Hc es el mismo pues se utiliza el mismo combustible.  i a pesar de variar las pérdidas de calor se supone que se mantiene. Posiblemente esta hipótesis es la más alejada de la realidad.  La pmi se puede considerar igual para motores semejantes.
  28. 28. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Semejanza Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 4 IGUALDAD DE LAS PRESIONES MEDIAS EN MCIA SEMEJANTES(II) IGUALDAD DE PMPM EN MOTORES SEMEJANTES:  Las pérdidas de rozamiento (pmpmR) se pueden considerar iguales ya que dependen de manera fundamental de Cm (4) y pmi (se mantiene).  Las pérdidas por bombeo (pmpmB) son las mismas pues dependen fundamentalmente del v (se mantiene), Cm (4) y relaciones entre dimensiones geométricas (1).  Las pérdidas por accionamiento de auxiliares (pmpmA) se suponen que son iguales porque la variación de la energía necesaria para el accionamiento de auxiliares será proporcional a la variación del tamaño. pmpm pmpmR pmpmB pmpmA    La pmpm se puede considerar igual para motores semejantes IGUALDAD DE PME EN MOTORES SEMEJANTES: pme pmi pmpm   La pme es igual para motores semejantes.
  29. 29. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Semejanza Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 5 CONSECUENCIAS DEDUCIDAS DE LA SEMEJANZA DE MOTORES (I)  Nos referiremos a motores monocilíndricos aunque los resultados se pueden extender a motores policilíndricos con igual o distinto número de cilindros, siempre y cuando se guarde la semejanza cilindro a cilindro.  Para dos motores semejantes 2 y 1, siendo 2 más grande que 1, se define la relación de semejanza geométrica  como la relación entre dos magnitudes lineales geométricas cualesquiera de ambos motores.    L L 2 1 1 1.- Relación entre potencias N = A pme S n i A 2 pme C ie p mp  Así la relación entre potencias: N N = A 2 pme C i A 2 pme C i e2 e1 p2 m p1 m  2 La potencia crece con el cuadrado de , no con el cubo como la cilindrada.
  30. 30. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Semejanza Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 6 CONSECUENCIAS DEDUCIDAS DE LA SEMEJANZA DE MOTORES (II) 2.- Relación entre pares T = pme i V 2 pme i V 2 pme i V 2 e T T2 T1      T T e e 2 1 3 El par crece como la cilindrada, con el cubo de  3.- Relación entre el número de revoluciones n C C m m     2S n n 2S C 2S 12 1 2 m 1  Los motores son tanto más lentos cuanto más grandes son. 4.- Relación entre potencias por unidad de superficie de pistón: La potencia por unidad de área de pistón no varía en motores semejantes: N A pme C N A N A e p e p e p    m i 2 1 2 2 1 1 La potencia dividida por el área del pistón da una idea del éxito en el diseño.
  31. 31. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Semejanza Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 7 CONSECUENCIAS DEDUCIDAS DE LA SEMEJANZA DE MOTORES (III) 5.- Relación entre potencias específicas: Tanto la masa del motor como la cilindrada varían con 3 . V V 1 1D1 D2 3 N m N m N V N V N N e motor e motor e D e D e e 2 2 1 1 2 2 1 1 2 1 2       En motores semejantes conforme aumenta el tamaño disminuye la potencia específica. Si se quiere mejorar la potencia específica en un motor grande hay que acudir a la sobrealimentación o a los motores de 2T. 6.- Relación entre el cociente calor cedido al refrigerante - calor aportado: Calor aportado por el combustible cc, HH fccfcccombap mmQ   Varía como la cilindrada. Calor cedido al refrigerante Q n i ref  A h T  Depende fundamentalmente del área (A) y del régimen (n). Q Q n n 1 1 ap, comb1 ap, comb2 1 2 3 Q Q Q Q A A ref ap comb ref ap comb 2 2 1 1 2 1 2, ,      Si el coeficiente de película (h) se mantuviese en motores semejantes, el cociente entre el calor cedido al refrigerante y el calor aportado se mantendría constante. Ocurre que el coeficiente de película disminuye al aumentar el tamaño del motor por lo que los motores más grandes son más adiabáticos. Realmente el cociente varía con 1 0.25 
  32. 32. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Semejanza Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 8 IMPLICACIONES DERIVADAS DE SUBDIVIDIR LA CILINDRADA(I) Se parte de dos motores semejantes con igual cilindrada y distinto número de cilindros. Como los cilindros del motor 2 son más grandes, el número de cilindros del motor 1 será mayor que el número de cilindros del motor 2:           L L 1 V = V 2 1 T2 T1 Z Z1 2 Como las cilindradas son iguales: V V A A T T p p 2 1 2 1 3     S Z S Z Z Z 1 Z Z = 12 2 1 1 2 1 2 1 3   Así la relación entre potencias totales queda: N N Z Z Z Z e e 2 1 2 1 2 1 2     p2 m p1 m A 2 C pme i A 2 C pme i 1 1 3 2     Para igual cilindrada, al aumentar el número de cilindros aumenta la potencia.
  33. 33. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Semejanza Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 9 IMPLICACIONES DERIVADAS DE SUBDIVIDIR LA CILINDRADA(II) Otras implicaciones de subdividir la cilindrada son:  Al subir el número de cilindros el par motor es más regular.  Al subir el número de cilindros el número de piezas aumenta, si bien son más pequeñas.  Al aumentar el número de cilindros el régimen del motor aumenta (los cilindros son más pequeños).  Al subir el número de cilindros la vida de las piezas disminuye al aumentar su desgaste relativo (mayores regímenes).  Al subir el número de cilindros las disposiciones constructivas son más complicadas (disposición de cilindros en V,..etc).  En MEP al subir el número de cilindros aumenta la trasmisión de calor a través de las paredes existiendo menos posibilidades de detonación.  En MEC al subir el número de cilindros aumenta la transmisión de calor provocando: dificultad en el arranque, marcha dura, más humos, etc.
  34. 34. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Semejanza Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 10 CONSIDERACIONES FINALES SOBRE LA SEMEJANZA  En la práctica Cm y pme no se mantienen al variar la cilindrada. Al aumentar la cilindrada Cm y pme bajan por existir criterios más conservadores en el diseño.  Sin embargo Cm y pme sí que se mantienen bastante constantes cuando se trata de motores para una misma aplicación. Así, la semejanza puede ser muy útil en la elección de un motor para una determinada aplicación entre varios existentes en el mercado.  En la tabla adjunta se relacionan los parámetros más característicos de los motores, tomando los valores típicos en función del tipo de aplicación. TIPO DE MOTOR S/D Cm (m/s) pme (bar) Ne/VT (kW/l) Ne/Ap (kW/cm2 ) gef (g/kWh) Régimen (rpm) MEP automoción 4T (1000 cc, 4 cilindros) 0.9 13 10 40 0.2 300 5800 MEP automoción 4T (2000 cc) 0.9 14 9 35 0.2 300 5500 MEP competición (400 kW) 0.6 23 12 130 0.5 430 12000 MEC automoción 4T inyecc. indirecta (45 kW) 1.2 11 9 15 0.22 260 4500 MEC automoción 4T (100 kW) aspiración natural 1.1 10 8 14 0.18 235 2600 MEC automoción 4T (200 kW) sobrealimentado 1.1 10 12 18 0.25 225 2600 MEC Tractor 4T (45 kW) aspiración natural 1.2 9 6 13 0.14 225 2500 MEC Tractor 4T (75 kW) aspiración natural 1.2 8.5 6 11 0.13 225 2400 MEC Tracción ferroviaria 4T (1400 kW) sobrealimentado 1 11 16 13 0.40 215 1500 MEC Industrial 4T (10000 kW) sobrealimentado 1.2 8.5 20 8 0.42 200 520 MEC Barco 2T (35000 kW) sobrealimentado 2.2 6.6 13 2 0.42 190 80 - 150
  35. 35. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Semejanza Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 11 EJEMPLO DE LA SUBDIVISIÓN DE LA CILINDRADA (I) Se tiene un MEP tricilíndrico, de 4T, con una cilindrada de 600 cm3 y con una relación carrera-diámetro igual a la unidad, que suministra una potencia de 35 kW a 7500 rpm. (Motor nº1). Se pretende diseñar un motor semejante al anterior, bicilíndrico y que suministre la misma potencia. (Motor nº2).  Relación de semejanza. Como ambos motores suministran la misma potencia: 1 4 60 4 60 2 1 2 2 2 2 1 1 1 1 2 1 2 2 1 2 2 1 2     N N z A c pme z A c pme z z D D z z e e p m p m      z z 1 2 3 2 122.  Determinación de las cotas geométricas, cilindrada y régimen de máxima potencia del nuevo motor. V D s z D zT1 1 2 1 1 1 3 1 4 4     D V z m sT 1 1 1 3 2 1 4 6 4 10    . D D m s2 1 2 27 810    . V V z D s z D s T T 2 1 2 2 2 2 1 1 2 1 2 31       V V cmT T2 1 3 732  n n rpm2 1 1 6147  
  36. 36. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Semejanza Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 12 EJEMPLO DE LA SUBDIVISIÓN DE LA CILINDRADA (II)  Velocidad lineal media del pistón y presión media efectiva. Por ser semejantes los dos motores, la cm y la pme serán iguales en ambos. cm s n m s cm1 1 1 22 16   pme Ne V n bar pme T 1 1 1 2 2 60 9 3  .  Ventajas e inconvenientes entre los dos motores, donde el motor nº2 es más grande y tiene menos cilindros: z z1 2 D D1 2 Inconvenientes del motor nº2: - Como V V Ne Ne Ne V Ne V T T T T 2 1 2 1 2 2 1 1        por lo que la potencia especifica del motor 2 es menor que la del 1 - Como z2 < z1 , el Me2 será más irregular que el Me1. -Como es un MEP, y el motor nº2 es más grande (más adiabático), la tendencia a la detonación aumentará en este motor. Ventajas del motor nº2: - Como VT2>VT1  2 > 1 ya que tiene menos pérdidas de calor. - Como z2 < z1 , el número de piezas del motor nº2 será menor y por tanto su disposición constructiva será menos complicada. - Como D2 > D1 , las piezas del motor nº2 serán más grandes y robustas y entonces la vida de éstas será más larga (para un igual desgaste mecánico).
  37. 37. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Semejanza Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 13 ESTUDIO DE SEMEJANZA DE MOTORES A PARTIR DE SUS CURVAS DE PAR (I) 400030002000 101,25 Nm Te rpm 30 Nm 1000 5000 3500 5250 Las curvas corresponden a dos motores de aspiración natural, de 4 Tiempos y 4 cilindros cuadrados es decir, D/S=1. Para ser semejantes deben tener la misma presión media efectiva, pme, y la misma velocidad lineal media del piston, cm. Suponiendo que la velocidad lineal media es la misma, se puede decir: 2 2S n S n1 1 2 2
  38. 38. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Semejanza Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 14 ESTUDIO DE SEMEJANZA DE MOTORES A PARTIR DE SUS CURVAS DE PAR (II) Aplicando la ecuación anterior en los puntos de par máximo se tiene: 2 2000 60 2 3000 60 S S1 2 de donde: S S 1 2    2000 3000 1,5  También podemos decir: T V pme L pmee T1 1 1 3 1 1   4  T V pme L pmee T2 2 2 2 3 2  4  de donde se obtiene la relación ya conocida: T T L L e e 1 2 1 2 3 3          Tomando el punto de par máximo: 101,25 30 3,375 1,53    3 Por lo tanto, se cumple la relación y los motores son semejantes.
  39. 39. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Semejanza Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 15 ESTUDIO DE SEMEJANZA DE MOTORES A PARTIR DE SUS CURVAS DE PAR (III) Para ver si los valores de par son coherentes con el régimen de giro y las características indicadas, suponemos un valor razonable de presión media efectiva, por ejemplo 10 bares. De la relación entre el par y la presión media efectiva obtenemos: V T pme mT e 2 2 2 3     4 4 101,25 (Nm) 10 10 (Pa) 0.001272 1272 cm5 3   La cilindrada de un motor cuadrado (S = D) responde a la fórmula: V S ZT T      S S 4 V Z 2 3 4 S m2  0,074 La velocidad lineal media del pistón en el punto de régimen máximo es: c S n m sm2 2 2  2 2 0.074 3500 60 8.63 / La velocidad media del pistón toma valores entre 10 y 20 m/s, por lo tanto, los valores de par de los motores no son coherentes con el régimen de giro y las características indicadas.
  40. 40. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Semejanza Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 16 ESTUDIO DE SEMEJANZA DE MOTORES A PARTIR DE SUS CURVAS DE PAR (IV) El planteamiento podía haber sido inverso; si se supone un valor razonable de Cm de 13 m/s para el régimen máximo: S Cm     2 n S 13 m / s 2 3500 60 0.110 m2 La cilindrada de un motor será: V ZT T      S V 0.110 4 4 0.004181 m 4181 cm 3 3 3 3 2 4 La presión media efectiva máxima (en el punto de máximo par) es: pme T V e T 2 2 2     4 4 101,25 (Nm) 0.00418 (m 304315 Pa 3.04 bar3   ) Los valores habituales de pme oscilan entre 9 y 11, en consecuencia la presión media efectiva a quedado muy pequeña lo que redunda en que los valores de par de los motores no son coherentes con el régimen de giro y las características indicadas. Las curvas de par de los motores corresponden, o bien a motores de pequeña cilindrada con una pme aceptable pero que sin embargo no pueden subir de revoluciones hasta los valores habituales, o a motores grandes acordes con el régimen de giro que no tienen una buena pme.
  41. 41. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Semejanza Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 17 ESTUDIO COMPARATIVO DE MOTORES DE AUTOMOCIÓN Algunas conclusiones que se pueden extraer del análisis de las tablas son:  Los MEC tienen una menor velocidad lineal media que los MEP.  Los MEC tienen una menor pme que los MEP y los motores sobrealimentados tienen mayor pme que los de aspiración natural.  En los MEP la velocidad lineal media máxima crece con la cilindrada. BIBLIOGRAFÍA Muñoz, M., Payri, F. Motores de Combustión Interna Alternativos. Servicio Publicaciones E.T.S. Ingenieros Industriales, Universidad Politécnica Madrid, 1994. Cap. 9: Semejanza de Motores (pp. 215-227). OTROS: Revistas de Motociclismo del 1996 Autocatálogo 1995 y 1996
  42. 42. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Semejanza Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 18
  43. 43. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Ciclos Termodinámicos Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 1 CICLOS TERMODINÁMICOS EN LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS INTRODUCCIÓN CICLO IDEAL DE AIRE CICLO TEORICO AIRE COMBUSTIBLE CICLO REAL EN MEC Y EN MEP MEDIDA DE PARÁMETROS INDICADOS
  44. 44. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Ciclos Termodinámicos Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 2 INTRODUCCIÓN (I) EVOLUCIÓN DEL FLUIDO EN EL MOTOR ALTERNATIVO V P VPMS VPMI + VD  RENOVACIÓN DE LA CARGA Admisión Escape  CICLO TERMODINÁMICO BÁSICO Compresión Combustión Expansión
  45. 45. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Ciclos Termodinámicos Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 3 INTRODUCCIÓN (II) CICLO TEÓRICO Ciclo termodinámico básico en el que se hacen ciertas hipótesis simplificadoras las cuales permiten la realización de cálculos más fácilmente y sirven de modelos de referencia o comparación.  Pérdidas de calor  Proceso de combustión  Propiedades del fluido  Proceso de renovación de la carga 1. CICLO IDEAL DE AIRE Base teórica muy simple, el rendimiento se puede calcular a partir de fórmulas 2. CICLO TEÓRICO AIRE COMBUSTIBLE Se consideran las propiedades del fluido más próximas a la realidad, el rendimiento hay que calcularlo con métodos numéricos. 3. CICLO REAL Se analiza a partir del diagrama indicador (medidas de presión en el cilindro). Índice de calidad de un ciclo Indica la aproximación entre un ciclo real y uno teórico, se define como: K W W R teorico R teorico    
  46. 46. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Ciclos Termodinámicos Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 4 CICLO IDEAL DE AIRE (I) HIPÓTESIS 1. Calor especifico del fluido constante. 2. Sucesión de procesos similar a las del motor real. 3. La misma relación de compresión volumétrica que en el motor. 4. La misma aportación de energía por unidad de masa que en el proceso real. 5. La misma presión y temperatura al inicio de la compresión que en el proceso real. CICLO AIRE A VOLUMEN CONSTANTE La aportación de calor al fluido se hace instantáneamente en el punto muerto superior al final de la carrera de compresión.      1 1 1 r Conclusiones principales: 1. El rendimiento aumenta con la relación de compresión. 2. El rendimiento sólo depende de la relación de compresión. 3. El rendimiento aumenta con  la cual disminuye con el dosado. Este ciclo suele ser representativo de los motores de encendido provocado.
  47. 47. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Ciclos Termodinámicos Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 5 CICLO IDEAL DE AIRE (II) CICLO DE AIRE A PRESIÓN LIMITADA La aportación de calor se realiza a volumen constante hasta que se alcanza una determinada presión (Pmax) a partir de aquí el resto de calor se libera mientras baja el pistón de manera que la presión se mantiene constante e igual a la presión máxima. La presión máxima suele ser la presión máxima que se da en el motor real.                 1 1 1 1 11 r Definiciones 1. Grado de combustión a volumen constante   P P 3 2 =1  P=cte. 2. Grado de combustión a presión constante   V V A3 3 =1  V=cte. Este tipo de ciclo es característico de los motores diesel rápidos.
  48. 48. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Ciclos Termodinámicos Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 6 CICLO IDEAL DE AIRE (III) CICLO DE AIRE A PRESIÓN CONSTANTE Es una particularización del anterior en el que ALFA es 1 y todo el combustible se quema a presión constante.            1 1 1 11 r Este tipo de ciclo es característico de los motores diesel lentos. EXPRESIONES RELACIONADAS CON LOS CICLOS Calor aportado a volumen constante   Q C T r v    1 1 1  Calor aportado a presión constante  1r TC Q 1 1v   Trabajo obtenido en el ciclo       111r TC W 1 1v   Temperatura máxima del ciclo T T rA3 1 1    Presión máxima del ciclo P P r3 1 1    
  49. 49. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Ciclos Termodinámicos Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 7 CICLO IDEAL DE AIRE (IV) COMPARACIÓN DE LOS DIFERENTES CICLOS a)Mismo calor aportado y misma relación de compresión. El ciclo con mejor rendimiento es el de volumen constante después el de presión limitada y el de peor rendimiento el de presión constante. Sin embargo el de presión constante es el que tiene una menor presión máxima.
  50. 50. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Ciclos Termodinámicos Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 8 CICLO IDEAL DE AIRE (V) b) Misma presión máxima y mismo calor aportado Para un mismo calor aportado y con limitación de presión máxima el ciclo con mejor rendimiento es el de presión constante y es el que puede tener mayor relación de compresión. c) Misma presión máxima y misma temperatura máxima El ciclo con mejor rendimiento es el de presión constante, también es el de mayor trabajo ya que tiene más área.
  51. 51. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Ciclos Termodinámicos Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 9 CICLO IDEAL DE AIRE (VI) CONSIDERACIONES FINALES SOBRE EL CICLO IDEAL DE AIRE  Los motores de encendido provocado tienen menor relación de compresión que los motores de encendido por compresión y dentro de estos últimos los lentos tienen menor relación de compresión que los rápidos.  La comparación de ciclos sólo tiene sentido para situaciones similares.  En motores de encendido provocado el calor aportado por unidad de masa es mayor (mayor dosado).  El grado de explosión a volumen constante  está muy relacionado con la primera fase de la combustión en MEC.  En MEC la relación de compresión mínima viene fijada por razones de arranque en frío y en MEP la relación de compresión máxima viene fijada por razones de detonación (picado de biela).  Las presiones máximas son mayores en los MEC rápidos que en los lentos y son menores aún en los MEP.
  52. 52. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Ciclos Termodinámicos Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 10 CICLO TEÓRICO AIRE COMBUSTIBLE En este tipo de ciclo el calor específico aumenta con la temperatura con lo cual empeora el rendimiento. Si Cv crece aportando el mismo calor obtenemos una menor temperatura final con lo cual el rendimiento disminuye. Q = Cv (Tf - Ti) Cv cte < Cv aire < Cv aire-combustible Cv=cte Cv=f(T) Cv=f(T,F) P1=1 bar T1=320 K
  53. 53. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Ciclos Termodinámicos Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 11 CICLO REAL EN MEP(I) Perdidas de calor Perdidas de tiempo Ciclo ideal sin transmisión de calor Ciclo ideal con transmisión de calor Ciclo real con adelanto en apertura de valvula de escape Perdidas de calor Perdidas de escape Ciclo real con adelanto en apertura de valvula de escape Causas de las diferencias:  Fugas En motores nuevos y puestos a punto son muy bajas.  Combustión incompleta Retención de HC en huecos, depósitos y lubricante. Apagado de llama. Pared Tª Combustión Tª Mínima de combustión Tª Pared Distancia de apagado (inquemados)
  54. 54. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Ciclos Termodinámicos Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 12 CICLO REAL EN MEP(II)  Pérdidas de tiempo En el proceso de combustión existe un frente de llama que tiene que recorrer toda la cámara de combustión para que la combustión se complete. El tiempo que tarda en recorrerse toda la cámara depende fundamentalmente de: Naturaleza del combustible y dosado. Forma y tamaño de la cámara de combustión. Número y posición de las bujías. Condiciones operativas del motor. La potencia y el rendimiento máximo se obtienen cuando la combustión está centrada respecto del punto muerto superior.  Combustión progresiva Debido a que las condiciones de presión y temperatura a lo largo del periodo de combustión varían, el rendimiento del proceso también varía, dando lugar a una pérdida.  Pérdidas de calor Es necesario refrigerar la cámara de combustión y esto provoca las pérdidas de calor. La mayor transmisión de calor se produce durante el proceso de expansión y escape, siendo muy poco lo que se produce durante la compresión. Durante el proceso de admisión el calor se transmite de las paredes al fluido (ganancia de calor).  Pérdidas de escape La válvula de escape se abre antes del PMI intencionadamente para mejorar el proceso de renovación de la carga. Lo que se pierde en el proceso de expansión se recupera en el proceso de renovación de la carga, por lo que en cierto modo no se pueden considerar como pérdidas.
  55. 55. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Ciclos Termodinámicos Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 13 CICLO REAL EN MEP(III) EFECTO DE LA VARIABLES OPERATIVAS  Punto de encendido Tiene una gran influencia sobre la potencia y el rendimiento, para que la combustión se mantenga centrada al aumentar el régimen de giro es necesario aumentar el avance. 0  Régimen de giro A regímenes bajos las pérdidas de calor y por fugas aumentan. Para la misma velocidad de combustión, al aumentar el régimen de giro, la combustión dura más angularmente por lo que hay que avanzar el inicio de la combustión para que esta permanezca centrada. ejemplo: Si la combustión dura 3ms, a 2000 rpm angularmente esto es:     t 360 2000 60 0 003 36.  esto supone un avance de 18° para que la combustión esté centrada en el PMS. Si el régimen de giro es 4000 rpm     t 360 4000 60 0 003 72.  lo cual supone un avance de 36° para conseguir el mismo centrado de la combustión.
  56. 56. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Ciclos Termodinámicos Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 14 CICLO REAL EN MEP(IV)  Presión de admisión Al aumentar la presión de admisión aumenta la presión media indicada y por tanto la potencia. 1/4 2/4 3/4 4/4 La modificación de la presión de admisión se da en los casos de sobrealimentación y de regulación de la carga, esto último sólo en MEP.  Presión de escape Influye en el proceso de renovación de la carga de manera que al aumentar la presión de escape se aumentan los residuales y esto hace que la combustión se desarrolle más lentamente.  Relación combustible aire (dosado) Mejora la potencia hasta valores del dosado relativo del orden de 1.15 y el rendimiento es mejor para valores del orden de 0.9
  57. 57. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Ciclos Termodinámicos Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 15 CICLO REAL EN MEC (I) Características del proceso de combustión en MEC  En los MEC existe un retraso desde que se inicia la inyección de combustible hasta que se inicia la combustión.  El tiempo de retraso va seguido de un aumento brusco de la presión debido a que se quema gran parte del combustible inyectado durante el tiempo de retraso.  Posteriormente el resto del combustible se quema en un proceso de combustión más lento durante el proceso de expansión.  La duración angular de cada una de estas tres fases varían con el diseño y las condiciones operativas. MEP MEC MEC MEP
  58. 58. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Ciclos Termodinámicos Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 16 CICLO REAL EN MEC (II) Pérdidas de tiempo en MEC Las pérdidas de tiempo en MEC son más variables que en los MEP pues el proceso de combustión se ve muy modificado en función de las variables operativas: régimen y grado de carga fundamentalmente. MEP MEC MEC MEP No hay que olvidar que en estos diagramas los dos ciclos tienen la misma relación de compresión pero realmente en MEC la relación de compresión es aproximadamente el doble que en MEP.
  59. 59. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Ciclos Termodinámicos Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 17 MEDIDA DE PARÁMETROS INDICADOS En la actualidad se utilizan captadores piezoeléctricos para medir la presión, la adquisición de datos está sincronizada con un codificador angular que genera la señal de disparo de la adquisición (1xVuelta) y la señal de reloj (NxVuelta). La señal de disparo indica el inicio de la adquisición y es necesario saber en que posición angular está respecto de alguna referencia generalmente el PMS. La señal de reloj dispara cada una de las adquisiciones individuales de datos, con lo que sabiendo el incremento angular de la señal de reloj se sabe la distancia angular entre cada dato. De esta manera sólo se registra una señal, la de presión pero se sabe a que posición angular corresponde cada dato y consecuentemente se conoce el volumen en el interior del cilindro. N  Vuelta 1  Vuelta Captador presión (piezoeléctrico) Captadores de posición (magnéticos u ópticos) Señal 1 Vuelta Referencia Angular 
  60. 60. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Ciclos Termodinámicos Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 18 BIBLIOGRAFÍA Taylor, C. F., The Internal Combustion Engine in Theory and Practice. The MIT Press, 1982. Cap. 2: Air Cycles (pp.22-39). Cap. 4: Fuel-Air Cycles (pp. 67-106). Cap. 5: The Actual Cycle (pp. 107-146).
  61. 61. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Refrigeración y Lubricación Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 1 REFRIGERACIÓN Y LUBRICACIÓN OBJETIVOS DE LA REFRIGERACIÓN REFRIGERACIÓN POR LÍQUIDO REFRIGERACIÓN POR AIRE COMPARACIÓN ENTRE TIPOS DE REFRIGERACIÓN PERDIDAS MECÁNICAS TIPOS DE LUBRICACIÓN LUBRICACIÓN A PRESIÓN PROCEDIMIENTOS PARA LA DETERMINACIÓN DE LAS PÉRDIDAS MECÁNICAS
  62. 62. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Refrigeración y Lubricación Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 2 OBJETIVOS DE LA REFRIGERACIÓN La refrigeración en los motores de combustión interna alternativos viene impuesta por exigencias mecánicas. Desde el punto de vista del ciclo es una pérdida y por lo tanto tiene una influencia negativa en el rendimiento Disminución de las pérdidas de calor: - Aumento del rendimiento - Motores adiabáticos OBJETIVOS  Acotar la temperatura, lubricación, dilataciones.  Cilindro: 200 °C  Pistón: 200 a 350 °C  Culata: 300 °C  Válvula de escape: 700 °C  Segmentos: 225 °C Estos valores dependen del tamaño del motor y de las condiciones operativas, por ejemplo la temperatura de las distintas zonas del pistón varía con el régimen de giro o con la presión media efectiva:
  63. 63. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Refrigeración y Lubricación Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 3 REFRIGERACIÓN POR LÍQUIDO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 Bomba 2 Bloque 3 Culata 4 Termómetro 5 Termostato 6 Radiador 7 Refrigerador aceite 8 Electroventilador 9 Termointerruptor 10 Vaso de expansión  Fluido refrigerante: agua. Anticongelante. Circuito presurizado para subir las temperaturas de ebullición.  Bomba de impulsión centrífuga:  Tamaño reducido.  Grandes caudales con alturas reducidas.  Caudal de refrigerante: punto de corte de las curvas. aprox. 2 l min kW en máxima potencia.  Presión: 0.5 a 1.5 bar.  Sistema de regulación para cargas parciales.  Termostato: distribuye el agua entre el circuito básico y el bypass.  Puesta en marcha: circuito básico cerrado.  Apertura del termostato: 80 - 85°C  Apertura completa: 90°C
  64. 64. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Refrigeración y Lubricación Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 4  Radiador: Intercambiador agua-aire ambiente. A bajas velocidades: electroventilador. REFRIGERACIÓN POR AIRE El calor transmitido a las paredes se refrigera con el aire por medio de un aleteado en la superficie externa del motor. En motores estacionarios y de automoción se necesita:  Soplante  Carcasa envolvente  Elemento de regulación del caudal de aire.
  65. 65. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Refrigeración y Lubricación Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 5 COMPARACIÓN ENTRE LA REFRIGERACIÓN POR AIRE FRENTE A LA DE POR LÍQUIDO VENTAJAS  Menor número de averías.  Más autónomo.  Menor inercia térmica.  Menos sensible a variaciones de la temperatura exterior. INCONVENIENTES  Temperaturas de funcionamiento más elevadas: v, NOx, problemas de autoencendido.  Problemas térmicos: juegos en frío.  Tamaño del motor mayor.  Potencia de accionamiento de la soplante elevada.  Más ruidos por:  Mayores juegos para compensar dilataciones.  Construcción menos rígida (cilindros independientes).  Soplante.  Aletas.  Suciedad en aletas: menor refrigeración y peligro de incendio.
  66. 66. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Refrigeración y Lubricación Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 6 BALANCE TÉRMICO DE UN MOTOR:       Q Q Q Q Q Q Qt N r g res a ra      Q t: Calor equivalente introducido en el motor debido al combustible suministrado por unidad de tiempo ( m Hf c ). Q n: Calor equivalente a la potencia efectiva obtenida del motor. Q r: Calor transmitido al refrigerante. Q g: Calor equivalente al estado térmico perdido en los gases de escape. Q res: Calor equivalente que corresponde a la combustión incompleta (residuales). Q a: Calor transmitido al aceite. Q ra: Calor transmitido por radiación al ambiente. Q pm:Calor equivalente a las pérdidas mecánicas.  Q Qa ra  Qres Qg Qr QN Qn=40% Qg Qr QresQres 30% 30% Qt=100% Qa Qra Qpm
  67. 67. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Refrigeración y Lubricación Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 7 LUBRICACIÓN Y PERDIDAS MECÁNICAS IMPORTANCIA DE LAS PÉRDIDAS MECÁNICAS Las necesidades derivadas de disminuir las emisiones de CO2 (efecto invernadero) y el precio de los combustibles fósiles han traído consigo el desarrollo de una importante línea de investigación: e  gef.       e i m e i m             La disminución del consumo se puede llevar a cabo:  i mejorando aspectos termodinámicos del ciclo.  m disminuyendo las pérdidas mecánicas. TIPOS DE PÉRDIDAS MECÁNICAS  Por fricción o rozamiento: Debidas al rozamiento entre partes móviles (denotadas por R). pmpmR f (C L CP G  pmi + C CI m 2 )  Por bombeo: Ocasionadas por el proceso de renovación de la carga en motores de 4T (denotadas por B).  De accionamiento de auxiliares: Son las pérdidas asociadas al movimiento de aquellos dispositivos arrastrados por el motor: Alternador, bombas, dirección asistida, etc. (denotadas por A). LA LUBRICACIÓN EN LOS MCIA (requerimientos) CONJUNTO DESPLAZAMIENTO TEMPERATURA PRESIÓN VELOCIDAD RELATIVA Pistón-camisa alternativo alta moderada alta Pistón-biela oscilante moderada muy alta baja Biela-cigüeñal rotativo baja alta alta Cigüeñal-bloque rotativo baja alta alta Levas-empujadores rotativo baja muy alta baja Válvula de escape alternativo muy alta baja moderada El sistema de lubricación, debe de engrasar las distintas partes del motor y hacer frente a las distintas exigencias que se presentan en cada una de las partes e incluso refrigerar cuando sea necesario.
  68. 68. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Refrigeración y Lubricación Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 8 TIPOS DE LUBRICACIÓN:  Por barboteo: Mediante cucharillas y anillos se proyecta aceite del carter hacia aquellas superficies que se quieren lubricar.  A aceite perdido: Utilizada en motores pequeños de 2T, la mezcla arrastra en suspensión aceite. Presenta problemas por contaminación.  A presión: Es el sistema más utilizado, ya que cubre las exigentes necesidades de lubricación en los motores actuales. LUBRICACIÓN A PRESIÓN En el circuito de engrase se pueden distinguir 4 partes fundamentales:  Bomba: Suministra la presión al aceite.  Conductos de engrase: Por ellos circula el aceite.  Filtro: Elimina las impurezas del aceite.  Refrigerador: Mantiene la Tª del aceite dentro de unos límites. B M Árbol de balancines Árbol de levas Manómetro Cigüeñal Válvula de retención Válvula de descarga del circuito Bomba Filtro en serie Filtro en paralelo Válvula de descarga del filtro Taladros en el cigüeñal
  69. 69. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Refrigeración y Lubricación Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 9 BOMBA: Son bombas volumétricas habitualmente de engranajes, a la salida de la bomba se coloca una válvula de descarga para evitar sobrepresiones con el aceite frio o a regímenes elevados.  La bomba de engranajes posee un gasto másico ( mbomba ) proporcional a las revoluciones con que gira (nb): m K nbomba b FILTRO: Puede estar dispuesto en el circuito de las siguientes formas:  En serie con el circuito: - El filtro es atravesado por todo el aceite. - Introduce pérdidas de carga muy grandes al colmatarse.  En paralelo con el circuito: - El filtro no es atravesado por todo el aceite. - Introduce pocas pérdidas de carga.  En serie con el circuito y en paralelo con una válvula de descarga: recoge las ventajas de las dos disposiciones anteriores. REFRIGERADOR: Se suele colocar en paralelo entrando en funcionamiento mediante una válvula termostática cuando la Tª del aceite es alta.
  70. 70. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Refrigeración y Lubricación Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 10 P Nb Gasto de aceite nb Potencia absorbida antes de que actúe la válvula de descarga Potencia absorbida despues de que actúe la válvula de descarga Caida de presión en el circuito Presión máxima en el circuito Caudal que circula por el motor Caudal que circula por la válvula de descarga P Nb ACEITE FRÍO ACEITE CALIENTE
  71. 71. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Refrigeración y Lubricación Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 11 PROCEDIMIENTOS PARA DETERMINAR LAS PÉRDIDAS MECÁNICAS Se busca fundamentalmente la dependencia de pmpm con Cm. 1.- Método del diagrama indicador Diagrama indicador pmi Par resistente pme pmpm = pmi - pme       También del diagrama indicador se puede obtener la pmpmB, y desconectando sucesivamente los auxiliares se puede obtener la pmpmA. Así es posible determinar las pérdidas por rozamiento: pmpmR pmi pme pmpmB pmpmA     Método exacto.  Permite desglosar los componentes de las pérdidas.  Necesidad de instrumentación para recoger el diagrama indicador. 2.- Método Morse Estando el motor en funcionamiento, se desconecta la combustión en uno de los cilindros midiéndose la potencia en banco motor. Esta operación se repite para cada uno de los cilindros: Sin combustión en el cilindro 1: Ne I    N N N Ne2 e3 e4 pm1 Sin combustión en el cilindro 2: Ne II    N N N Ne1 e3 e4 pm2 Sin combustión en el cilindro 3: Ne III    N N N Ne1 e2 e4 pm3 Sin combustión en el cilindro 4: Ne IV    N N N Ne1 e2 e3 pm4 Sumando resulta: N N N N Ne I e II e III e IV pm    3Ne  Método sencillo.  No se considera la influencia de la presión de los gases.
  72. 72. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Refrigeración y Lubricación Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 12 3.- Recta de Willans Se basa en la hipótesis de que gif o lo que es igual i es constante cuando se mantiene el régimen de giro: g m cte conif f i i       m H 1 H n = cte f C C Así:  m cte Nf i  = cte pmi V 2 n = cte pmi = cte pme+pmpmD Si se representa gráficamente el gasto de combustible frente a la pme utilizando como parámetro el régimen de giro, es posible determinar las pérdidas mecánicas asociadas a cada régimen: 2500 rpm mf (kg/h) 12 3 8 6 4 2 10864 16 10 14 2 1 0 2pmpm (bar) 2000 rpm 1500 rpm 1000 rpm pme (bar)  Método muy laborioso.  La hipótesis de mantenimiento del rendimiento indicado a régimen fijo no es buena: - En MEP las variación de las pérdidas de bombeo con el grado de carga es importante  poco preciso en MEP. - En MEC la hipótesis sólo deja de cumplirse a grados de carga altos por el aumento del dosado.
  73. 73. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Refrigeración y Lubricación Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 13 4.- Método de arrastre Tras hacer funcionar el motor, éste es arrastrado sin combustión por una dinamo-freno. El par que la dinamo-freno da al motor es el par de pérdidas mecánicas  Normalmente es posible determinar las pérdidas ocasionadas por cada elemento auxiliar de manera sencilla.  No se considera la influencia de la presión de los gases. 5.- Método de deceleración libre Se estabiliza al motor en aquel régimen por debajo del cual se quieran conocer las pérdidas y tras esto se corta el suministro de combustible o el encendido, frenándose el motor únicamente por las pérdidas mecánicas. Si se registra la deceleración angular  durante el periodo de frenado, y se conoce el momento de inercia del conjunto I, es posible determinar el par de pérdidas mecánicas y la presión media de pérdidas mecánicas para cada régimen aplicando la siguiente ecuación: T Ipm    pmpm = 2 i V I D Cuando no se conoce el momento de inercia del conjunto es posible utilizar un volante postizo de momento de inercia conocido IC y repetir el ensayo añadiendo esta inercia, obteniéndose el par y el momento de inercia: T I T I I pm pm C           ( ) I, Tpm  Sencillo y rápido.  Se obtienen con un sólo ensayo las pérdidas para el rango de regímenes por el que pasa el motor mientras se va frenando.  Es necesario un dispositivo de adquisición rápida.  No tiene mucha precisión y es necesario conocer el momento de inercia del motor.
  74. 74. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Combustión Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 1 COMBUSTIÓN EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS INTRODUCCIÓN DESCRIPCIÓN DE LA COMBUSTIÓN EN MEP PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LA COMBUSTIÓN EN MEP COMBUSTIÓN NORMAL Y ANORMAL EN MEP VELOCIDADES DE COMBUSTIÓN DIAGRAMAS DE PRESIÓN EN CÁMARA Y CALOR LIBERADO AUTOINFLAMCIÓN, AUTOENCENDIDO Y TIPOS DE COMBUSTIÓN ANORMAL GEOMETRÍAS DE CÁMARAS DE COMBUSTIÓN EN MEP DISPERSIÓN CICLICA DESCRIPCIÓN DE LA COMBUSTIÓN EN MEC PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LA COMBUSTIÓN EN MEC FASES DE LA COMBUSTIÓN EN MEC CAMARAS DE COMBUSTIÓN EN MEC COMPARACIÓN MEC-MEP
  75. 75. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Combustión Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 2 COMBUSTIÓN EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS Proceso de oxidación del combustible por el aire, que provoca la conversión de la energía química que posee el combustible en energía térmica. Este proceso tiene lugar dentro del cilindro, suponiendo un incremento de presión que permite extraer energía mecánica mediante el movimiento del pistón. Motor de encendido provocado (MEP)  Habitualmente formación de la mezcla fuera del cilindro.  La combustión se inicia por una causa externa, habitualmente el salto de una chispa.  La combustión se realiza sobre una mezcla de aire y combustible homogénea.  La relación aire-combustible utilizada está en el entorno de la estequiométrica. Motor de encendido por compresión (MEC)  El motor admite aire sin combustible inyectándose combustible (chorro) al final de la carrera de compresión.  La mezcla se autoinflama como consecuencia de la propia compresión.  La combustión se desarrolla sobre una mezcla heterogénea.  Siempre trabajan con mezclas con exceso de aire.
  76. 76. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Combustión Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 3 DESCRIPCIÓN DE LA COMBUSTIÓN EN MEP  En MEP se habla de combustión homogénea o premezclada ya que la mezcla que se encuentra en el cilindro es homogénea: posee en cualquier punto el mismo dosado. El sistema de formación de la mezcla se encuentra fuera de la cámara de combustión.  En MEP la combustión normal tiene lugar en el frente de llama que es la superficie que separa la zona fresca de la zona quemada. Mezcla Quemada Mezcla Fresca P T Frente de llama
  77. 77. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Combustión Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 4 PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LA COMBUSTIÓN EN MEP Son parámetros característicos:  Tiempo de combustión (tC): Es el tiempo que tarda el frente de llama en recorrer la cámara de combustión. A este tiempo se le puede asociar un intervalo angular llamado ángulo de combustión C(°): c  360 n tC  Gradiente de presión (dP/d o dP/dt): Expresa la velocidad con que cambia la presión a lo largo del ciclo (bar/° ó bar/s).  Presión máxima de combustión (Pmax): Es el máximo valor de la presión dentro de la cámara de combustión a lo largo del ciclo (bar). El proceso de combustión supone un desarrollo de presión por en cima del desarrollo de presión asociado al motor arrastrado (sin combustión). Sin comb. Con comb. Pmax c
  78. 78. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Combustión Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 5 COMBUSTIÓN NORMAL Y ANORMAL EN MEP La combustión en MEP puede ser:  Combustión por avance del frente de llama: La zona quemada trasmite calor al frente de llama, entonces la mezcla que integra el frente se inflama, pasando a engrosar la zona quemada, provocando que avance el frente de manera suave y comprimiendo la mezcla fresca. T x Tq TC Tsq 1 2 3 4 t C Frente de llama  Zona 1: Umbral elevación de temperatura. Zona 2: Calentamiento. Zona 3: Combustión. Zona 4: Prerreaciones. La presión es la misma para las dos zonas  Combustión por autoinflamación: La combustión se origina como consecuencia del alto estado térmico (P, T) que adquiere la zona fresca. Es una combustión brusca y rápida. Si la masa de mezcla autoinflamada es grande la autoinflamación es muy perjudicial para el motor hablándose de combustión detonante o picado de bielas.
  79. 79. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Combustión Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 6 VELOCIDADES DEL FRENTE, DE COMBUSTIÓN Y DE ARRASTRE  Velocidad del frente (CF): Es la velocidad con que el frente de llama barre la cámara de combustión (velocidad absoluta).  Velocidad de expansión (CA): Es la parte de la velocidad del frente que es consecuencia de la expansión de la zona quemada contra la zona fresca (velocidad de arrastre).  Velocidad de combustión (CC): Es la parte de la velocidad del frente que es consecuencia del trasvase de masa desde la zona fresca a la zona quemada fruto de la combustión (velocidad relativa). C C CF C A  Mezcla Fresca CF Mezcla Quemada FRENTE Mezcla Quemada Mezcla Fresca Cc Combustión COMBUSTIÓN Mezcla Fresca CA Mezcla Quemada T P Expansión EXPANSIÓN
  80. 80. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Combustión Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 7 VELOCIDAD DE COMBUSTIÓN LAMINAR LLAMA LAMINAR LLAMA TURBULENTA La velocidad de combustión laminar (CCL) es aquella con la que progresa el frente en ausencia de turbulencia. CCL depende de: Temperatura de combustión TC (mucho) Presión (poco) Composición de la mezcla Los factores que afectan a CCL son los que afectan a TC:  Residuales T CC CL      Humedad T CC CL      Dosado es el factor que más influye. Se define un dosado relativo de máxima temperatura (FrTmax), éste es ligeramente rico (1.05) siendo el dosado para el cual la velocidad de combustión laminar es máxima: Si Fr rTmax r C CL< F F T C     Si Fr rTmax r C CL> F F T C    
  81. 81. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Combustión Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 8 VELOCIDAD DE COMBUSTIÓN TURBULENTA  La turbulencia es el parámetro que más afecta al proceso de combustión, dando lugar a un incremento del ritmo de propagación del frente de llama. A la velocidad de combustión en régimen turbulento se le denomina velocidad de combustión turbulenta (CCT).  Se define el FSR (flame speed ratio): FSR C C CT CL   1 C = FSR CCT CL  Los factores que afectan a la velocidad de combustión turbulenta son aquellos que afectan a la velocidad de combustión laminar y al grado de turbulencia.        C C FSR CT C L
  82. 82. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Combustión Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 9 DIAGRAMAS DE PRESIÓN EN CÁMARA Y CALOR LIBERADO Se pueden distinguir tres fases en la combustión:  1ªFASE (C1): Corresponde con el tiempo desde que salta la chispa hasta que se separan los desarrollos de presiones con y sin combustión. Ocupa aproximadamente 15% del ángulo de combustión.  2ªFASE (C2): Ocupa aproximadamente un 80% del ángulo total de combustión, siendo una combustión muy rápida y turbulenta.  3ªFASE (C3): La combustión se hace más lenta y concluye. C1 C2 C3 Sin Combustión (motor arrastrado) Con Combustión
  83. 83. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Combustión Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 10 AUTOINFLAMACIÓN EN MEP  Combustión por autoinflamación  La mezcla fresca se inflama por sí misma por estar sometida a altas presiones y temperaturas que son ocasionadas como consecuencia de la compresión sufrida por la mezcla fresca. Es una combustión rápida y brusca ("descontrolada").  Habitualmente, la combustión por autoinflamación en MEP se ve precedida por la combustión normal, ya que al avanzar el frente de llama como consecuencia de la combustión normal se produce la compresión de la zona fresca. Se podría hablar así de un % de combustión normal y un % de combustión por autoinflamación. sqq P T  q P T q +  La combustión por autoinflamación es casi instantánea, mucho más rápida que la combustión normal, provocando elevados gradientes de presión, con aparición de ondas de presión a menudo audibles, hablándose entonces de detonación o picado de bielas.
  84. 84. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Combustión Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 11 Detonación Fracción de Mezcla Quemada por Autoinflamación  La detonación es un fenómeno muy peligroso, ya que las vibraciones inducen mayor transmisión de calor a través de las paredes, pudiendo destruir el motor si el fenómeno es intenso y se mantiene de manera prolongada.
  85. 85. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Combustión Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 12  Para que la mezcla se autoinflame es necesario que se den una serie de prerreacciones químicas. Estos fenómenos requieren un tiempo que se denomina tiempo de retraso o inducción, éste es menor cuanto mayores son la presión y la temperatura. Transcurrido el tiempo de retraso si la combustión normal no ha concluido se producirá la autoinflamación.  La intensidad de la detonación está muy ligada a la masa de mezcla que sufre la autoinflamación. Esta viene caracterizada fundamentalmente por el % de mezcla que se autoinflama y por el grado de carga del motor.  La detonación es un fenómeno que limita las prestaciones del motor: obliga a veces a mantener avances a la combustión menores a los que dan la máxima potencia en unas condiciones de funcionamiento dadas. Elegido CUÑ20 Límite Detonación En la geometría CUÑ20 no se puede tener el avance óptimo por detonación. Elegido LAB8 Límite Detonación En la geometría LAB8 se permite el avance óptimo.  Los motores actuales llevan acelerómetros que en caso de detectar detonación informan al sistema de ignición para disminuir el avance al encendido, preservándose así la vida del motor.
  86. 86. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Combustión Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 13 ENCENDIDO SUPERFICIAL  Se ocasiona por la aparición, en determinadas situaciones, de puntos calientes que son fuentes de encendido, generando frentes de llama en cualquier instante del ciclo.  Puntos calientes: - Electrodo central de la bujía. - Depósitos. - Zonas mal refrigeradas.  Tipos de encendido superficial: - Anterior al encendido normal  Preencendido. - Posterior al encendido normal  Post-encendido.  Post-encendido  Mayores gradientes de presiones.  Preencendido   Avance   Tendencia a detonar  El preencendido con detonación es muy peligroso ya que la detonación realimenta el efecto de incremento del avance, pudiéndose llegar a detonaciones de efectos destructivos (wild ping).  El preencendido sin detonación no es tan peligroso aunque supone marcha dura (rumble).
  87. 87. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Combustión Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 14 TIPOS DE COMBUSTIÓN ANORMAL EN MEP COMBUSTIÓN ANORMAL ENCENDIDO SUPERFICIALAUTOINFLAMACIÓN PREENCENDIDO POSTENCENDIDO DETONACIÓN (KNOCK) ENCENDIDO SUPERFICIAL CON DETONACIÓN ENCENDIDO SUPERFICIAL SIN DETONACIÓN AUTOINFLAMACIÓN PERSISTENTE (RUN ON) El motor continúa girando con el encendido cortado ENCENDIDO SUPERFICIAL CRECIENTE Aparece cada vez antes en el ciclo, lo que puede llevar a la destrucción del motor. PICADO INTENSO (WILD PING) Detonación como consecuencia del encendido superficial. MARCHA DURA (RUMBLE) Ruido sordo distinto al de la detonación provocado por frentes de llama múltiples.
  88. 88. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Combustión Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 15 PARTICULARIDAD EN MEDIDA DE PRESIÓN EN MEP: DISPERSIÓN CÍCLICA En MEP, los ciclos de presión medidos consecutivamente y manteniendo las condiciones de funcionamiento presentan una importante variabilidad que es denominada dispersión cíclica o aciclismo. 0 10 20 30 40 50 60 70 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Ángulo de cigüeñal (º) Presión(bar) Existe por lo tanto una variabilidad en el desarrollo del proceso de combustión de ciclo en ciclo. -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Ángulo de cigüeñal (º) FMQ
  89. 89. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Combustión Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 16 EFECTOS: La dispersión cíclica provoca que de ciclo en ciclo varíen apreciablemente aspectos tales como:  Emisiones contaminantes del motor  Prestaciones del motor  Tendencia a la autoinflamación. Los factores relacionados con la aparición de la dispersión cíclica pueden dividirse en: CAUSAS:  Variación cíclica en el estado turbulento (escala e intensidad) en el momento de salto de la chispa.  Variación cíclica en la convección de la llama (interacción con la pared)  Variación cíclica en el dosado suministrado al motor (poco significativa).  Variación cíclica en la carga en el cilindro (poco significativa).  Variación cíclica en la fracción de residuales (poco significativa).  Variación cíclica en las características de la chispa (motores mal mantenidos). FACTORES MAGNIFICADORES  Dosado de la mezcla (mínima dispersión cercanía de dosados estequiométricos).  Velocidad de combustión laminar del combustible.  Escala de la turbulencia al salto de la chispa.  Forma del electrodo y de la cámara de combustión.
  90. 90. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Combustión Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 17 GEOMETRÍAS TIPO DE CÁMARAS DE COMBUSTIÓN EN MEP Geometría cuña  Fracción última en quemarse muy refrigerada.  Distribución sencilla.  Pequeño tamaño de las válvulas. Geometría hemiesférica  Válvulas grandes.  Pequeño recorrido del frente de llama (compacta).  Más difícil distribución. Geometría labrada  Elevada turbulencia.  Culata sencilla.  Mucha transferencia de calor al pistón. CUÑA HEMIESFÉRICA LABRADA
  91. 91. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Combustión Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 18 COMBUSTIÓN EN MEC  El combustible es inyectado en el interior de la cámara de combustión al final de la carrera de compresión.  Tan pronto como se inyecta el combustible, se forman las primeras gotas que se evaporan y mezclan con el aire, y debido a las altas P y T empiezan las prerreacciones químicas que van a dar lugar después de un cierto tiempo (llamado tiempo de retraso) a la aparición de llama por autoinflamación.  La localización del punto donde se inicia la combustión es aleatoria, no dependiendo la inflamación de la mezcla de un aporte exterior de calor como ocurría en MEP (encendido provocado), sino que se trata de un fenómeno de autoinflamación que es consecuencia del elevado estado térmico (P,T) que existe en la cámara en las cercanías del PMS (encendido por compresión).  El desarrollo de la combustión en MEC depende fundamentalmente de las condiciones locales de dosado y temperatura de cada punto de la cámara de combustión.
  92. 92. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Combustión Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 19  La llama suele aparecer cuando la distribución del aire y combustible no es todavía homogénea, por lo que coexisten los procesos de formación de la mezcla y de combustión. La duración de la combustión es mayor en MEC que en MEP.  El proceso de combustión está íntimamente ligado a la distribución del combustible en el aire, por lo que es necesario:  Buenas características del sistema de inyección.  Elevada turbulencia en la cámara de combustión.  El diseño de la cámara de combustión en MEC tiene una gran importancia, ya que además de favorecer la correcta combustión, tiene también la misión de propiciar la formación de una mezcla adecuada. Se distinguen dos tipos fundamentales de cámaras:  Cámara abierta (inyección directa). El papel principal en la distribución de combustible lo juega el sistema de inyección.  Cámara dividida (inyección indirecta). El papel principal lo juega la turbulencia obtenida con geometrías complejas de la cámara de combustión.  Las relaciones de compresión tienen valores entre 12 y 23. Tienen que ser mayores que un cierto valor para garantizar el arranque en frío.
  93. 93. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Combustión Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 20 PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LA COMBUSTIÓN EN MEC  Ángulo de avance a la inyección (ai): Es el ángulo existente entre el comienzo de la inyección y el PMS.  Ángulo de inyección (i): Es el intervalo angular que dura el proceso de inyección. El tiempo que dura la inyección es del orden de milisegundos.  Tiempo de retraso (tr): Es el tiempo que transcurre desde que se inicia la inyección hasta que se produce la autoinflamación, durante el cual el combustible se va gasificando y mezclando con el aire y van ocurriendo prerreacciones químicas hasta que se inflama. Su valor depende fundamentalmente de la P, T y de la naturaleza del combustible. A este tiempo le corresponde un intervalo angular en el cigüeñal llamado ángulo de retraso (r). ai i r PMS Tasa inyección Presión en cámara Presión en arrastrada A estos tres conceptos hay que añadir algunos otros ya vistos en MEP:  Tiempo de combustión (tC): Es el tiempo que dura el fenómeno de la combustión. A este tiempo se le puede asociar un intervalo angular llamado ángulo de combustión C.  Gradiente de presión (dP/d o dP/dt): Expresa la velocidad con que cambia la presión a lo largo del ciclo (bar/°, bar/s).  Presión máxima de combustión (Pmax): Es el máximo valor de la presión dentro de la cámara de combustión a lo largo del ciclo (bar).
  94. 94. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Combustión Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 21 FASES DE LA COMBUSTIÓN EN MEC (I) Se distinguen tres fases a partir del inicio de la inyección (ai):  1ª FASE: Periodo de retraso. Esta fase se extiende desde el inicio de la inyección hasta que se produce la autoinflamación, observándose entonces la separación de los diagramas de presión con y sin combustión.  2ª FASE: Combustión rápida o premezclada. Durante esta fase se quema rápidamente el combustible inyectado durante el tiempo de retraso, que ha tenido tiempo de mezclarse.  3ª FASE: Combustión por difusión. Se quema el combustible que no fue quemado durante la 2ª fase y el inyectado con posterioridad a medida que se va mezclando.
  95. 95. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Combustión Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 22 1ª FASE: TIEMPO DE RETRASO El período desde que se inicia la inyección hasta que se produce la autoinflamación posee dos contribuciones:  Una asociada a la preparación de la mezcla aire-combustible en el cilindro (0.1 ms).  Otra necesaria para que se desencadenen las prerreacciones químicas anteriores a la autoinflamación. Inyección  Atomización  Vaporización  Prerreacciones  Autoinflamación Preparación Mezcla Retraso Químico Tiempo de Retraso Tiempo preparación mezcla << Tiempo retraso químico FACTORES QUE AFECTAN A LA PREPARACIÓN DE LA MEZCLA  Características del chorro.  Propiedades del combustible.  Presión y temperatura en el cilindro, tr=f(P, T).  Movimiento del aire en el cilindro. FACTORES QUE AFECTAN AL RETRASO QUÍMICO  Composición del combustible (longitud de la cadena, etc.).  Temperatura y presión dentro del cilindro (sobre todo la temperatura). El tiempo de retraso se puede disminuir haciendo chocar el chorro en superficies calientes, con lo que disminuye el tiempo de retraso físico y químico.
  96. 96. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Combustión Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 23 2ª FASE: COMBUSTIÓN PREMEZCLADA  En esta fase se quema aquella parte del combustible inyectado que ha sido vaporizada y mezclada con el aire.  Los parámetros que caracterizan esta fase son: la elevada velocidad de combustión y el gran aumento de la presión, y está íntimamente ligada con el tiempo de retraso. tr   Combustión suave tr       combustible evaporado y mezclado  combustible inyectado    Marcha dura (Pmax)  Al aumentar la combustión premezclada  P       ruido emisiones de NOx  Factores que influyen: - Tipo de cámara: Abierta o dividida. El tr suele ser menor en cámara dividida por lo que la marcha es menos dura. - Combustible inyectado durante el retraso    Tiempo retraso Ley de inyección - Combustible gasificado durante el retraso      Finura gotas chorro Turbulencia Prop. físicas combustible - Combustible encuentra oxígeno    Penetración del chorro Turbulencia La calidad de la micromezcla (finura de gotas) y de la macromezcla (reparto del combustible en el seno del aire) son condiciones contrapuestas, por lo que hay que acudir a soluciones de compromiso.
  97. 97. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Combustión Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 24 3ª FASE: COMBUSTIÓN POR DIFUSIÓN  Período que va desde el punto de presión máxima hasta donde acaba la combustión.  En esta fase se quema todo aquel combustible no quemado en la 2ª fase, y aquél que se inyecta con posterioridad a la conclusión de la 2ª fase, si la inyección no ha terminado.  Pueden darse dos casos: - La inyección termina antes de la conclusión de la 2ª fase: La cantidad de combustible que queda por inflamarse y la capacidad de mezclarse con el oxígeno marca la velocidad de combustión. - La inyección continúa tras la conclusión de la 2ª fase: El proceso de inyección es el que condiciona fundamentalmente la velocidad de combustión.  En motores grandes que giran a bajo régimen (r<< i) la mayor parte de combustible se quema en la 3ª fase.  En esta fase puede haber combustión incompleta y entonces pueden formarse humos en el escape. La combustión incompleta se debe a la existencia de gran cantidad de combustible que no encuentra oxígeno para quemarse y que debido a las altas temperaturas y presiones se craquea, se deshidrogena, y se convierte en carbón. Este carbón puede posteriormente encontrar oxígeno y quemarse.
  98. 98. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Combustión Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 25 CÁMARAS DE COMBUSTIÓN EN MEC  Las cámaras de combustión tienen una gran influencia en el desarrollo de la combustión, y su geometría tiene que compaginar: - No originar elevadas presiones máximas ni gradientes de presión. - No alargar la combustión        Humos  Las cámaras de combustión se pueden clasificar fundamentalmente atendiendo al lugar donde se inyecta el combustible, en dos tipos: - Cámara abierta o inyección directa: el combustible se inyecta directamente en el volumen entre culata y pistón. - Cámara divida o inyección indirecta: el combustible se inyecta en una precámara independiente al volumen entre culata y pistón.  Se pueden utilizar dos procedimientos complementarios en el diseño tanto en inyección directa como indirecta: - Efecto inyección sobre pared caliente      Retraso fisico Retraso quimico , con lo que se disminuyen los gradientes de presión, ya que la cantidad de combustible que se quema en la primera fase es menor. - La estratificación de la mezcla: concentración de combustible en una zona, lo que evita un aumento excesivo de la presión, ya que no existe suficiente oxígeno para quemar el combustible. Hay que tener en cuenta que con este procedimiento luego aumenta la producción de humos, aunque un buen diseño puede favorecer que éstos se quemen en la cámara de combustión antes de salir por la válvula de escape.
  99. 99. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Combustión Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 26 CÁMARA ABIERTA O INYECCIÓN DIRECTA  Cámara de combustión compacta sin estrechamientos, y por tanto sin diferencias apreciables de presión.  Mezcla encomendada al sistema de inyección.  Importancia relativa de la turbulencia. Cámara abierta sin turbulencia  Formación de la mezcla encomendada al inyector, que tiene varios orificios y funciona con elevada presión de inyección. El funcionamiento del sistema de inyección debe ser impecable.  No hay turbulencia   las pérdidas de calor a través de las paredes    y el arranque en frío es más fácil.  Se emplean en motores lentos (grandes motores de 2T).
  100. 100. MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos Combustión Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller Página 27 Cámara abierta con turbulencia  Cámaras de combustión labradas en el pistón.  El aire alcanza velocidades del orden de 250 m/s con los siguientes procedimientos: - En la pipa de admisión, por su propia geometría, o con deflector en la válvula (v) (efecto “swirl”). - Movimiento del pistón, debido a la geometría de éste, en la carrera de compresión (efecto “tumble”).  El efecto de la turbulencia (movimiento del aire a alta velocidad) mejora el mezclado y consecuentemente reduce el tiempo de retraso, pero presenta el problema de grietas térmicas en la cabeza del pistón. Cámara abierta con efecto de pared caliente  El chorro incide sobre una zona caliente de la cámara: - Parte se evapora rápidamente   tr - Otra parte escurre en forma líquida a lo largo de la pared, con lo que es necesario que el aire esté lamiendo con gran velocidad esta zona.   Pmax y  dP/d  menos marcha dura  interés en motores sobrealimentados.

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