motores de combustión interna

Tecnológico Mario molina campus el grullo

Motores de combustión interna

Máquinas y equipos térmicos ii

Ing. Electromecánica séptimo semestre

Alumno: Erick Alejandro Gómez Fregoso

Maestro: ing. José de Jesús Llamas Medina

26 de septiembre de 2017

Introducción: Desde que se dieron los primeros indicios de la aplicación de motores de combustión interna, a la época actual, vemos que el desarrollo se ha venido centrando en el perfeccionamiento de las factorías para producir más y mejores motores, e igualmente se ha venido desarrollando paralelamente materiales, lubricantes, procesos de fabricación e igualmente modificaciones al funcionamiento, que si bien lo son, hasta ahora nunca ha tocado la forma como transcurre el ciclo de funcionamiento.

Un motor de combustión interna. Es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química de un combustible que arde dentro de una cámara de combustión. Su nombre se debe a que dicha combustión se produce dentro de la máquina en sí misma, a diferencia de, por ejemplo, la máquina de vapor.

Principales tipos de motores

Alternativos.

El motor de explosión ciclo Otto, cuyo nombre proviene del técnico alemán que lo inventó, Nikolaus August Otto, es el motor convencional de gasolina.

El motor diesel, llamado así en honor del ingeniero alemán nacido en Francia Rudolf Diesel, funciona con un principio diferente y suele consumir gasoil.

La turbina de gas.

El motor rotatorio.

Clasificación de los alternativos según el ciclo

De dos tiempos (2T): efectúan una carrera útil de trabajo en cada giro

De cuatro tiempos (4T) efectúan una carrera útil de trabajo cada dos giros.

Existen los diésel y gasolina tanto en 2T como en 4T.

Motor convencional del tipo Otto

El motor convencional del tipo Otto es de cuatro tiempos (4T), aunque en fuera borda y vehículos de dos ruedas hasta una cierta cilindrada se utilizó mucho el motor de dos tiempos (2T). El rendimiento térmico de los motores Otto modernos se ve limitado por varios factores, entre otros la pérdida de energía por la fricción y la refrigeración.

La termodinámica nos dice que el rendimiento de un motor alternativo depende en primera aproximación del grado de compresión. Esta relación suele ser de 8 a 1 o 10 a 1 en la mayoría de los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores, como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de octano para evitar el fenómeno de la detonación, que puede producir graves daños en el motor. La eficiencia o rendimiento medio de un buen motor Otto es de un 20 a un 25%: sólo la cuarta parte de la energía calorífica se transforma en energía mecánica.

Funcionamiento

Tiempo de admisión - El aire y el combustible mezclados entran por la válvula de admisión

Tiempo de compresión - La mezcla aire/combustible es comprimida y encendida mediante la bujía .

Tiempo de combustión - El combustible se inflama y el pistón es empujado hacia abajo.

Tiempo de escape - Los gases de escape se conducen hacia fuera a través de la válvula de escape

Motores diésel

En teoría, el ciclo diésel difiere del ciclo Otto en que la combustión tiene lugar en este último a volumen constante en lugar de producirse a una presión constante. La mayoría de los motores diésel son asimismo del ciclo de cuatro tiempos, salvo los de tamaño muy grande, ferroviario o marino, que son de dos tiempos. Las fases son diferentes de las de los motores de gasolina.

En la primera carrera, la de admisión, el pistón sale hacia fuera, y se absorbe aire hacia la cámara de combustión. En la segunda carrera, la fase de compresión, en que el pistón se acerca. El aire se comprime a una parte de su volumen original, lo cual hace que suba su temperatura hasta unos 850 °C. Al final de la fase de compresión se inyecta el combustible a gran presión mediante la inyección de combustible con lo que se atomiza dentro de la cámara de combustión, produciéndose la inflamación a causa de la alta temperatura del aire. En la tercera fase, la fase de trabajo, la combustión empuja el pistón hacia fuera, trasmitiendo la fuerza longitudinal al cigüeñal a través de la biela, transformándose en fuerza de giro par motor. La cuarta fase es, al igual que en los motores Otto, la fase de escape, cuando vuelve el pistón hacia dentro.

Algunos motores diésel utilizan un sistema auxiliar de ignición para encender el combustible al arrancar el motor y mientras alcanza la temperatura adecuada.

La eficiencia o rendimiento (proporción de la energía del combustible que se transforma en trabajo y no se pierde como calor) de los motores diésel dependen, de los mismos factores que los motores Otto, es decir de las presiones (y por tanto de las temperaturas) inicial y final de la fase de compresión. Por lo tanto es mayor que en los motores de gasolina, llegando a superar el 40 %. en los grandes motores de dos tiempos de propulsión naval. Este valor se logra con un grado de compresión de 20 a 1 aproximadamente,contra 9 a 1 en los Otto. Por ello es necesaria una mayor robustez, y los motores diésel son, por lo general, más pesados que los motores Otto. Esta desventaja se compensa con el mayor rendimiento y el hecho de utilizar combustibles más baratos.

Los motores diésel grandes de 2T suelen ser motores lentos con velocidades de cigüeñal de 100 a 750 revoluciones por minuto (rpm o r/min), mientras que los motores de 4T trabajan hasta 2.500 rpm (camiones y autobuses) y 5.000 rpm. (automóviles)

Sistemas auxiliares

Sistema de alimentación

El sistema de alimentación de combustible de un motor Otto consta de un depósito, una bomba de combustible y un dispositivo dosificador de combustible que vaporiza o atomiza el combustible desde el estado líquido, en las proporciones correctas para poder ser quemado. Se llama carburador al dispositivo que hasta ahora venía siendo utilizado con este fin en los motores Otto. Ahora los sistemas de inyección de combustible lo han sustituido por completo por motivos medioambientales. Su mayor precisión en la dosificación de combustible inyectado reduce las emisiones de CO2, y asegura una mezcla más estable. En los motores diésel se dosifica el combustible gasoil de manera no proporcional al aire que entra, sino en función del mando de aceleración y el régimen motor (mecanismo de regulación) mediante una bomba inyectora de combustible.

En los motores de varios cilindros el combustible vaporizado se lleva a los cilindros a través de un tubo ramificado llamado colector de admisión. La mayor parte de los motores cuentan con un colector de escape o de expulsión, que transporta fuera del vehículo y amortigua el ruido de los gases producidos en la combustión.

Sistema de distribución

Cada cilindro toma el combustible y expulsa los gases a través de válvulas de cabezal o válvulas deslizantes. Un muelle mantiene cerradas las válvulas hasta que se abren en el momento adecuado, al actuar las levas de un árbol de levas rotatorio movido por el cigüeñal, estando el conjunto coordinado mediante la cadena o la correa de distribución. Ha habido otros diversos sistemas de distribución, entre ellos la distribución por camisa corredera (sleeve-valve)

Encendido

Dicho impulso está sincronizado con la etapa de compresión de cada uno de los cilindros; el impulso se lleva al cilindro correspondiente (aquel que está comprimido en ese momento) utilizando un distribuidor rotativo y unos cables de grafito que dirigen la descarga de alto voltaje a la bujía. El dispositivo que produce la ignición es la bujía, que, fijada en cada cilindro, dispone de dos electrodos separados unas décimas de milímetro, entre los cuales el impulso eléctrico produce una chispa, que inflama el combustible. Los motores necesitan una forma de iniciar la ignición del combustible dentro del cilindro. En los motores Otto, el sistema de ignición consiste en un componente llamado bobina de encendido, que es un auto-transformador de alto voltaje al que está conectado un conmutador que interrumpe la corriente del primario para que se induzca un impulso eléctrico de alto voltaje en el secundario.

Si la bobina está en mal estado se sobre calienta; esto produce pérdida de energía, aminora la chispa de las bujías y causa fallos en el sistema de encendido del automóvil.

Refrigeración

Dado que la combustión produce calor, todos los motores deben disponer de algún tipo de sistema de refrigeración. Algunos motores estacionarios de automóviles y de aviones, y los motores fueraborda, se refrigeran con aire. Los cilindros de los motores que utilizan este sistema cuentan en el exterior con un conjunto de láminas de metal que emiten el calor producido dentro del cilindro. En otros motores se utiliza refrigeración por agua, lo que implica que los cilindros se encuentran dentro de una carcasa llena de agua que en los automóviles se hace circular mediante una bomba. El agua se refrigera al pasar por las láminas de un radiador. Es importante que el líquido que se usa para enfriar el motor no sea agua común y corriente porque los motores de combustión trabajan regularmente a temperaturas más altas que la temperatura de ebullición del agua. Esto provoca una alta presión en el sistema de enfriamiento dando lugar a fallas en los empaques y sellos de agua, así como en el radiador; se usa un refrigerante, pues no hierve a la misma temperatura que el agua, sino a más alta temperatura, y que tampoco se congela a temperaturas muy bajas.

Otra razón por la cual se debe usar un refrigerante es que éste no produce sarro ni sedimentos que se adhieran a las paredes del motor y del radiador formando una capa aislante que disminuiría la capacidad de enfriamiento del sistema. En los motores navales se utiliza agua del mar para la refrigeración.

 Sistemas de lubricación.

 Son los distintos métodos de distribuir el aceite por las piezas del motor. Consiste en hacer llegar una película de aceite lubricante a cada una de las superficies de las piezas que están en moviendo entre sí, para evitar fundamentalmente desgaste excesivos y prematuros disminuyendo así la vida útil del motor de combustión interna.

Motores de propulsión a chorro:

Un motor de reacción, es un tipo de motor que descarga un chorro de fluido a gran velocidad para generar un empuje de acuerdo con las leyes de Newton. Esta definición generalizada del motor de reacción incluye turborreactores, turbofanes, motores cohete, estatorreactores y pulsorreactores, pero, en su uso común, el término se refiere generalmente a una turbina de gas utilizada para producir un chorro de gases para propósitos de propulsión.

Turborreactor:

Un turborreactor es un tipo de motor de combustión interna utilizado a menudo para impulsar una aeronave. El aire es arrastrado a un compresor rotatorio a través de la toma de aire y es comprimido, durante varias etapas sucesivas, a alta presión antes de entrar en la cámara de combustión. El combustible es mezclado con el aire comprimido e inflamado. Este proceso de combustión aumenta considerablemente la temperatura del gas. El resultado de la combustión sale para expandirse a través de la turbina, donde se extrae la energía para mover el compresor. Aunque este proceso de expansión reduce tanto la temperatura como la presión del gas, estos se mantienen generalmente superiores a los del medio. El flujo de gas de salida de la turbina se expande a la presión ambiental a través de una tobera de propulsión, produciendo un chorro a altas velocidades. Si la velocidad de este chorro de gases supera a la velocidad del avión, entonces hay un empuje neto hacia delante. 

Turbina de gas:

La turbina de gas es un tipo de turbina de combustión interna. En términos generales, se puede decir que una turbina es un aparato de conversión de energía que convierte la energía almacenada en el combustible en energía mecánica útil en forma de energía rotacional. El término "gas" se refiere al aire ambiente que es absorbido y pasa al interior de la turbina y es utilizado como medio de trabajo en el proceso de conversión de la energía.

El aire es absorbido en primer lugar hacia el interior de la turbina, donde se comprime, se mezcla con el combustible y se enciende. El gas caliente resultante se expande a gran velocidad a través de una serie de álabes de forma aerodinámica transfiriendo la energía creada en la combustión para hacer girar un eje de salida. La energía térmica residual del gas de escape caliente puede ser aprovechada en una variedad de procesos industriales.

Componentes principales

Compresor

El compresor admite el aire exterior; luego compacta y presuriza las moléculas de aire mediante una serie de álabes estacionarios y giratorios del compresor.

Cámara de combustión

En la cámara de combustión, el combustible se añade a las moléculas de aire presurizadas y se enciende.

Las moléculas calentadas se expanden y se mueven a gran velocidad hacia el interior de la sección de la turbina

Turbina

La turbina convierte la energía del gas a gran velocidad en energía rotacional útil mediante la expansión del gas comprimido calentado a través de una serie de álabes del rotor de la turbina.

Eje de salida y caja de engranajes

La energía rotacional de la sección de la turbina es suministrada al equipo impulsado a través de un eje de salida mediante una caja de engranajes de reducción de velocidad.

Escape:

La sección del escape de la turbina extrae el gas consumido de la sección de la turbina y lo manda hacia la atmósfera.

Conclusión:

La combustión es un proceso de oxidación rápida de una sustancia, acompañado de un aumento de calor y frecuentemente de luz.

Los procesos de combustión liberan energía, casi siempre en forma de calor. La forma más común de aprovechar esta energía es el motor de combustión interna que es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química producida por un combustible que arde dentro de una cámara de combustión. Esta energía es aprovechada por una serie de mecanismos acoplados de manera adecuada con el fin de producir un trabajo. Los motores de combustión interna han ganado mucho terreno en el mundo, a tal grado de ser indispensables para realizar la mayoría de los trabajos, esto ha provocado una constante modificación intentando disminuir perdidas de potencia con el fin de aumentar su eficiencia.

Bibliografías: 

• Heywood, J.B. . Internal combustion engine fundamentals. McGraw-Hill . 1988
• Edward F. Oberts.Motores de combustión interna, Editorial CECSA, recuperado el 26 de septiembre de 2017