MAQUINAS HIDRAULICAS Y TERMICAS Motores de Combustión

MAQUINAS HIDRAULICAS Y TERMICAS
Motores de Combustión Interna Alternativos
Introducción. Elementos Constructivos. Clasificación
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.
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Universidad de Valladolid
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Introducción. Elementos Constructivos. Clasificación
INTRODUCCIÓNA LOS MOTORES TÉRMCOS
Dedición 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 Se aporta el calor al fluido
mediante un sistema de
de combustión en el seno del fluido
intercambio de calor
Habitualmente ciclo cerrado
Ciclo abierto
Motor de combustión interna rotativo Maquina de vapor (ciclo
abierto)
(Wankell)
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
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100 MW
1 GW
10 GW
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MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVO
Admisión
Compresión
Combustión
Expansión
Escape
25
Presión (bar)
20
15
Combustión
Arrastrado
10
Presión ambiente
5
0
-360
-270
-180
-90
0
90
180
270
360
Ángulo (º)
Foco caliente: Combustión
Presión
Qent
Qent
Went
Wsal
W bombeo
MOTOR
TÉRMICO
Qsal
Went
Wsal
Qsal
Foco frío: ambiente
Volumen
RENDIMIENTO TERMICO DEL MOTOR
ciclo 
Wsal  Went Qent  Qsal
T
 Carnot  1  amb

Qent
Qent
Tcomb
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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.
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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:
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 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.
Segmento de fuego
Segmentos de
estanqueidad
Aceite
Segmento
Rascador
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.
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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).
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ESQUEMA GENERAL DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
ALTERNATIVO
TAPA DE BALANCINES
EJE ÁRBOL
DE LEVAS
LEVA
CULATA
PIPA
VÁLVULA
REFRIGERANTE
CÁMARA DE
COMBUSTIÓN
JUNTA
CULATA
SEGMENTOS
PISTÓN
BULÓN
ACEITE A
PRESIÓN
BLOQUE MOTOR
BIELA
CIGÜEÑAL
CÁRTER
BOMBA
DE
TAPA DEL CÁRTER
ACEITE
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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.
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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.
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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.
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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.
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