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Motores de Combustión Interna Alternativos Grado en Ingeniería Mecánica 1.-INTRODUCCIÓN MCIA

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Área de Máquinas y Motores Térmicos

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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INTRODUCCIÓN A LOS MOTORES TÉRMCOS Definición de Motor Térmico: • Conjunto de máquinas térmicas • 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 de combustión en el seno del fluido mediante un sistema de intercambio de calor Ciclo abierto

Habitualmente ciclo cerrado

Motor de combustión interna rotativo Maquina (Wankel) abierto)

de

vapor

Motor Stirling alternativo) potencia Motor de combustión interna alternativo: Transporte: terrestre, naval y aéreo (pequeña potencia) Energía mecánica y eléctrica

Turbina de gas Habitualmente combustión interna. Aviación y producción de electricidad

(ciclo

(motor pequeña

Turbina de Vapor Producción de electricidad

Turbina de Vapor Turbina de Gas Motor de Combustión Interna alternativo 0.1 1 kW 10 100 1 MW 10 100 1 GW kW kW kW MW MW

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MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVO

Admisión

Compresión

Combustión

Expansión

Escape

25

15

Combustión Arrastrado

10 Presión ambiente

5 0 -360

-270

-180

-90

0 Ángulo (º)

90

180

270

360

Foco caliente: Combustión Qent

Qent

Presión

Presión (bar)

20

Went

Wsal W bombeo Qsal

Went Volumen

MOTOR TÉRMICO

Wsal

Qsal Foco frío: ambiente

RENDIMIENTO TÉRMICO 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 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. tienen la supremacía. 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 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: • Circuitos de refrigeración: tienen que ser de tal manera que minimicen las tensiones térmicas debidas a grandes diferencias de temperatura entre puntos muy próximos. Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica

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• 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. • Alojamientos para elementos que inyectan el combustible y provocan el encendido de la mezcla 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

Segmento sin montar

Segmento dentro del cilindro

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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COJINETES Y SISTEMA DE LUBRICACIÓN Debido a las grandes cargas que tienen que soportar los árboles de levas y el cigüeñal, salvo en motores muy pequeños que se usan rodamiento de bolas y agujas, los cojinetes utilizados en los árboles de los MCIA están basados en la lubricación hidrodinámica. El aceite se introduce entre las dos superficies arrastrado por la superficie del eje

Paso desde la muñequilla hacia el bulón del pistón a través de la biela Entrada de aceite a presión desde el bloque

Flujo de aceite al carter

Paso del aceite desde el apoyo a la muñequilla

El aceite que sale de los cojinetes cae al carter desde donde es bombeado a los conductos del bloque para ser distribuido nuevamente. En los cojinetes suelen montarse unos elementos de aleaciones blandas que permiten una mejor adaptación entre los dos elementos con movimiento relativo así como una menor fricción durante el momento del arranque.

Entrada de aceite

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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. Los asientos de válvulas son unos anillos de metal muy resistente al desgaste que se colocan en la culata durante su fundición y permite un cieere suficientemente estanco

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Espiga

Asiento de válvula insertado en la culata

Plato

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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COLECTORES DE ADMISIÓN Y ESCAPE El colector de admisión separa el conducto de entrada de aire en tantos conductos como entradas a los cilindros tenga el motor, parte o todo el colector de admisión puede estar integrado en la culata. En los MEP, en el colector de admisión suele estar incorporado el sistema de formación de la mezcla, carburador o inyectores. El colector de escape reúne todos los conductos de salida de los gases de escape de los cilindros en un único conducto. En el caso de motores sobrealimentado con turbogrupo, a la salida del colector de escape está colocada una turbina cuyo eje esta conectado a un compresor situado a la entrada del colector de admisión CIRCUITO DE RECIRCULACIÓN DE LOS GASES DEL CARTER Debido a que el cierre entre pistón y segmentos no totalmente estanco, el volumen situado por debajo del pistón (cárter) se va llenando de una parte de los gases que evolucionan por la cámara de combustión (parte superior del pistón). Estos gases deben ser evacuados para evitar que el cárter acabe presurizado, generalmente para evitar emisiones a la atmosfera se reintroducen en la admisión del motor, pero estos gases están mezclados con una fina niebla de aceite que se va desprendiendo de los diferentes sistemas lubricados. Para evitar que este aceite pase a la cámara de combustión y se queme produciendo emisiones contaminantes y un consumo de aceite de lubricación, los gases se pasan por un circuito laberíntico en las pareces del cual se van depositando las gotas de aceite que finalmente vuelven al cárter por gravedad. RETENES El eje del cigüeñal debe de salir hacia el exterior de motor atravesando las paredes del cárter, además de los cojinetes de apoyo existen unos elementos que cierran de forma estanca el eje del cigüeñal con el bloque pero permitiendo el giro del mismo, una situación similar ocurre con los ejes del sistema de distribución si la transmisión del cigüeñal al árbol de levas es exterior al cárter.

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Bloque motor

Cárter

Cojinete antifricción

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Reten de material plástico

Eje cigüeñal

Exterior

Elemento toroidal elástico para realizar ajuste

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ESQUEMA GENERAL DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVO EJE ÁRBOL DE LEVAS

LEVA

TAPA DE BALANCINES

CULATA

PIPA VÁLVULA REFRIGERANTE

CÁMARA DE COMBUSTIÓN JUNTA CULATA SEGMENTOS

PISTÓN

BULÓN

ACEITE A PRESIÓN

BLOQUE MOTOR

BIELA

CIGÜEÑAL BOMBA DE ACEITE

CÁRTER

TAPA DEL CÁRTER

ACEITE

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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. Aunque en inyección directa (ID) se introduce directamente en la cámara de combustión. • Antes de la combustión 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. • Un único frente de llama recorre la cámara de combustión, el proceso de combustión acaba cuando el frente de llama a recorrido toda la cámara de combustión. • La cantidad de combustible y de aire que entran en la cámara de combustión tienen que tener una proporción determinada cercano a la relación estequiométrica para garantizar que el proceso de combustión es estable. • La cantidad de combustible que se quema en cada proceso se controla indirectamente regulando la cantidad de aire que se introduce, existe un sistema de formación de la mezcla que garantiza que la proporción aire combustible es adecuada. Frente de llama

Mezcla Quemada

P T Mezcla Fresca

Proceso de combustión en un MEP Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica

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Motor de encendido por compresión (MEC, motor Diesel) • El fluido admitido en el cilindro es sólo 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. • El frente de llama es múltiple y se sitúa donde su velocidad iguala a la de la mezcla de aire y combustible contenida en el chorro. • El proceso de combustión se acaba poco después de que se ha dejado de inyectar el combustible (inyección y combustión coexisten). • La cantidad de combustible que se quema en cada proceso está controlado por el tiempo que se esta inyectando el combustible, evidentemente no se puede inyectar más combustible que el que se puede quemar con el aire que hay en la cámara de combustión • No existe control sobre la cantidad de aire que se introduce en cada ciclo ya que tiene poca influencia en la estabilidad de la llama. Entrada en el chorro del aire de la cámara de combustión

Inyector dentro de la cámara de combustión Combustible líquido

Mezcla de aire y combustible evaporado

Frente de llama

Productos de la combustión

Proceso de combustión en un MEC

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SEGÚN EL MODO DE REALIZAR EL CICLO Motores de 4 Tiempos • Se realiza un ciclo cada dos vueltas del motor (cuatro carreras). • Existen unos procesos diferenciados para renovar el fluido que evoluciona.

Motores de 2 Tiempos • Se realiza un ciclo cada vuelta del motor (dos carreras). • 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.

Entrada de aire del ambiente

Eje para comunicar la energía de la turbina a compresor

Salida gases de escape al ambiente

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)

Aire a alta presión

Gases de escape a alta presión

Es necesaria la utilización de un compresor para conseguir esta sobrepresión. El compresor puede estar accionado por una turbina en escape o por el motor directamente

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