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Un motor de combustión interna es una máquina que funciona mediante un ciclo termodinámico, o un ciclo mecánico, produce trabajo a expensas de la liberación de la energía latente del combustible suministrado.
Al grupo de motores con ciclo mecánico pertenecen los motores de combustión interna ...

Description

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TIJUANA INGENIERÍA AERONÁUTICA

¨Clasificación de los motores de combustión interna¨

Sistemas de propulsión PRESENTADA POR

TIJUANA BAJA CALIFORNIA, MÉXICO 11 Febrero/2020

Resumen Un motor de combustión interna es una máquina que funciona mediante un ciclo termodinámico, o un ciclo mecánico, produce trabajo a expensas de la liberación de la energía latente del combustible suministrado. Al grupo de motores con ciclo mecánico pertenecen los motores de combustión interna a los que pertenecen los alternativos o de émbolo, y los de reacción, siendo estos los que se analizan en este trabajo. A continuación se presentan una serie de clasificaciones para los motores de combustión interna, enfocados en los motores para la industria aeronáutica pero haciendo mención en algunos principios de motores automotrices, ya que como es bien sabido muchos de esos mismos principios son utilizados en las aeronaves.

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Contenido ● Resumen…………………………………………………………………...……...1 ● Marco teórico……………………………………………………………………...5 ● Motores de combustión interna…………….…………………………………...6 ● Motores combustion discontinua ➔ Alternativos ● Por número de ciclos o tiempos ● Por tipo de encendido ● Por ciclo mecánico ● Rotativos ● Motores de combustión interna continua ➔ Turbina de gas ➔ Ramjet ➔ Motor de cohete ● Conclusiones………………………………………………………………….……. ● Bibliografía…………………………………………………………………………...

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Marco teórico Historia de los motores Todo el proceso de evolución hacia lo que es hoy el motor de combustión y demás tipos de motores se iniciaba hace unos 1500 años, cuando aparecen los molinos de viento, los cuales transformaban la energía eólica en mecánica. No fue hasta mil años después cuando James Watt construyó una máquina de vapor muy eficiente. Pero hasta 1854 no se aproxima nadie a lo que es el concepto de motor de combustión, hecho que consigue un sacerdote por medio de la explosión de una mezcla internada en una bola de cobre. Poco después, Etienne Lenoir construiría el primer motor de combustión interna como taly también el primer motor de gas,con los cuales entraría en contacto Nikolaus August Otto,un técnico alemán, el cual adaptó el motor de combustión inicial al modelo de cuatro tiempos. Otto es la base de todo lo que conforma actualmente el motor de combustión, un alemán nacido en 1832 que dedicó su vida a tareas de venta y comercio, empleo por el cual se vio obligado a viajar por distintas áreas de Europa. De esta forma quedó obsoleto el motor de Lenoir dejando paso a la primera creación de Otto, el cual concluyó que por medio de un combustible líquido podría tener más salidas y mejor rendimiento. Fue en 1861 cuando patentó el motor a dos tiempos, creando con su socio Eugen Langen la primera compañía fabricante de motores de combustión interna, siendo en la actualidad la más grande y antigua del mundo. La evolución siguió su curso cuando quince años después, Otto sacó a la luz su último proyecto, el motor de combustión interna de ciclo de pistón de cuatro tiempos, el primer motor que suponía una alternativa viable y eficaz a la máquina de vapor. Este motor efectivamente adquirió el nombre de “Ciclo de Otto”, en honor a su creador. El funcionamiento del mismo consta de una compresión de una mezcla de aire y gas en un cilindro, que provoca una explosión interna. Obtuvo la patente del invento en 1886. El 1885, la Daimler/Maybach Petroleum Reitwagen (Riding Car) fue la primera motocicleta (y el primer vehículo de motor) comercializado con un motor de combustión interna. Mientras que Deutz continuó produciendo grandes motores estacionarios, Daimler encontró aplicaciones a sus motores en los barcos, los dirigibles, las locomotoras, los automóviles, los carros, y otros usos del transporte. Deutz continúa siendo el productor de motores más antiguo del mundo, mientras que Daimler, que se convirtió en Daimler-Benz, es el fabricante de automóviles más antiguo del mundo, conocido también como Mercedes-Benz.

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El motor cuyas bases residen en el desarrollo que consiguió Otto,se utiliza en la actualidad. Tal y como en el modelo diésel, que se basa en un motor de cuatro tiempos similar al suyo,y resultaba ser mucho más eficiente que los motores a combustión de gasolina en aquel momento. Los primeros motores de combustión interna alternativos de gasolina que sentaron las bases de los que conocemos hoy fueron construidos casi a la vez por Karl Benz y Gottlieb Daimler. Los intentos anteriores de motores de combustión interna no tenían la fase de compresión, sino que funcionaban con una mezcla de aire y combustible aspirada o soplada dentro durante la primera parte del movimiento del sistema. La distinción más significativa entre los motores de combustión interna modernos y los diseños antiguos es el uso de la compresión. Los motores de combustión interna jugaron un papel fundamental en la Primera Guerra Mundial y en la Segunda Guerra Mundial. Podemos decir que el afán de ganar hizo que se realizarán constantes innovaciones y mejoras a los motores. Ahora bien, hace algunos años se conoció una de las patentes sobre el sistema Gerotor; una especie de turbina con compresor y expansionador de gases a base de engranajes que no se rozan para evitar las pérdidas aerodinámicas del álabes de las turbinas convencionales.

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Motores de combustión Interna (MCI) El motor de combustión es aquella máquina que funcionando mediante un ciclo termodinámico, o un ciclo mecánico, produce trabajo a expensas de una liberación de la energía latente del combustible. Pueden funcionar mediante un ciclo termodinámico o sucesión de cambios de estado, de tal forma que la masa gaseosa que evoluciona después de las sucesivas transformaciones retorna a las mismas condiciones iniciales. Pueden funcionar también mediante un ciclo mecánico o repetición periódica de sucesos que el fluido retorne a las condiciones iniciales. Al grupo de motores de ciclo termodinámico pertenecen los llamados motores de combustión externa, como la máquina de vapor. al grupo de los motores de ciclo mecánico pertenecen los motores alternativos y los de reacción. En los motores alternativos, los cuales son un tipo de motor de combustión interna, las fases del ciclo ocurren periódicamente en un mismo elemento del motor, en tano en el motor de reacción cada una de las fases se realiza en distinto elemento. Un motor de combustión interna es un tipo de motor térmico en que la combustión se da en el interior de sí mismo, es decir dentro del cilindro, a diferencia de la máquina de vapor; es un proceso donde se transforma la energía química del combustible en energía  mecánica. Estos motores están impulsados por un combustible (gasolina si es Ciclo Otto o diesel si es de ciclo diésel); dentro del cilindro tendremos los distintos componentes como válvulas, pistones, bielas, etc; es aquí donde se realizan los 4 tiempos del ciclo termodinámico: Admisión, Compresión, Explosión y Escape.

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Motores de combustión discontinua- Alternativos Son aquellos motores donde el fluido desarrolla un trabajo sobre una superficie móvil que se desplaza en movimientos rectilíneos.

Por números de ciclos o tiempos Motor de 2 Tiempos El ciclo en un motor de 2 Tiempos se cumple en 2 carreras del pistón y equivale a 1 revoluciones del cigüeñal. Los procesos desarrollados son los mismos que en un motor de 4 Tiempos con la diferencia de una menor duración angular. La diferencia notoria entre los motores de 4 Tiempos y los de 2 Tiempos es la renovación de la carga, en los motores de 2 Tiempos la fase de admisión-escape se produce en una etapa denominada «Proceso de Barrido» por medio de unas lumbreras. Motor de 4 Tiempos El ciclo en un motor de 4 Tiempos se cumple en 4 carreras del pistón y equivale a 2 revoluciones del cigüeñal. 1-Primera Carrera descendente: Admisión; Válvulas de admisión abiertas y las de escape cerradas,el émbolo se desplaza hasta el PMI, esto crea una caída de presión en el cilindro que causa la aspiración de gases a través del conducto de admisión. Cuando el pistón llega al PMI las válvulas de admisión se cierran y comienza la fase de Compresión. 2-Primera Carrera ascendente: Compresión. Válvulas de admisión y escape cerradas, el pistón se desplaza del PMI al PMS comprimiendo el fluido. Cuando la compresión se acerca al PMS en los motores MEP se produce la chispa o en caso de los motores MEC se inyecta el combustible y se produce la combustión.

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3-Segunda Carrera descendente: Expansión. Válvulas de admisión y escape cerradas. Como efecto de la combustión se produce un aumento de la presión en el émbolo que lo empuja del PMS al PMI. De este empuje se obtiene el trabajo del motor. 4-Segunda Carrera ascendente: Escape. Al llegar el pistón al PMI se abren las válvulas de escape y se expulsan los gases de combustión a medida que el pistón se desplaza hacia el PMS. Al llegar a las cercanías del PMS las válvulas de escape se cierran y se vuelve a iniciar el ciclo.

Tipo de Encendido Atendiendo al proceso de combustión de los motores de combustión interna alternativos (MCIA) se clasifican en motores de encendido provocado (MEP) y motores de encendido por compresión (MEC). Los motores MEP Se caracterizan por la necesidad de un aporte de energía externo al ciclo termodinámico para iniciar la combustión,en los motores modernos esta energía se proporciona mediante una chispa producida entre dos electrodos de una bujía. El momento de la producción de esta chispa debe ser adecuado para obtener la máxima eficiencia posible. Generalmente la mezcla aire-combustible se realiza fuera del cilindro y se introduce por el conducto de admisión,en algunos casos se puede inyectar el combustible directamente durante la compresión formándose una mezcla heterogénea. Otras denominaciones de los motores MEP son: ● Motores de Explosión ● Motores de Encendido por Chispa ● Motores Otto El motor de encendido por chispa fue un refinamiento de los primeros motores que usaban encendido por tubo caliente. Cuando Bosch desarrolló el magneto, se convirtió en el sistema principal para producir electricidad para energizar una bujía. Muchos motores pequeños todavía usan ignición por magneto. Los motores pequeños se arrancan con un arranque manual utilizando un arrancador de retroceso o una manivela.

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Los motores más grandes suelen alimentar sus motores de arranque y sistemas de encendido utilizando la energía eléctrica almacenada en una batería de plomo-ácido. El alternador automotriz o (previamente) un generador que utiliza la energía del motor para crear almacenamiento de energía eléctrica mantiene el estado cargado de la batería. La batería suministra energía eléctrica para arrancar cuando el motor tiene un sistema de motor de arranque, y suministra energía eléctrica cuando el motor está apagado. La batería también suministra energía eléctrica durante condiciones de funcionamiento inusuales donde el alternador no puede mantener más de 13.8 voltios (para un sistema eléctrico automotriz de 12V común). A medida que el voltaje del alternador cae por debajo de 13,8 voltios, la batería de almacenamiento de plomo-ácido recoge cada vez más la carga eléctrica. Durante prácticamente todas las condiciones de funcionamiento, incluidas las condiciones normales de inactividad, el alternador suministra energía eléctrica primaria. Algunos sistemas desactivan la potencia del campo del alternador (rotor) durante condiciones de aceleración totalmente abiertas. Deshabilitar el campo reduce la carga mecánica de la polea del alternador a casi cero, maximizando la potencia del cigüeñal. En este caso, la batería suministra toda la energía eléctrica primaria. Los motores de gasolina absorben una mezcla de aire y gasolina y la comprimen mediante el movimiento del pistón desde el punto muerto inferior al punto muerto superior cuando el combustible está a máxima compresión. La reducción en el tamaño del área barrida del cilindro y teniendo en cuenta el volumen de la cámara de combustión se describe mediante una relación. Los primeros motores tenían relaciones de compresión de 6 a 1. A medida que aumentaban las relaciones de compresión, la eficiencia del motor también aumentaba. Con los primeros sistemas de inducción e ignición, las relaciones de compresión debían mantenerse bajas. Con los avances en la tecnología de combustible y la gestión de la combustión, los motores de alto rendimiento pueden funcionar de manera confiable con una relación de 12: 1. Con el combustible de bajo octanaje, se produciría un problema ya que la relación de compresión aumentaba a medida que el combustible se encendía debido al aumento de temperatura resultante. Charles Kettering desarrolló un aditivo de plomo que permitía relaciones de compresión más altas, que se abandonó progresivamente para uso automotriz a partir de la década de 1970, en parte debido a preocupaciones de envenenamiento por plomo. La mezcla de combustible se enciende a diferentes progresiones del pistón en el cilindro. A bajas revoluciones, la chispa se cronometra para que se produzca cerca del pistón, logrando el punto muerto superior. Para producir más potencia, a medida que las rpm aumentan, la chispa avanza antes durante el movimiento del pistón. La

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chispa ocurre mientras el combustible todavía progresivamente más a medida que aumentan las rpm.

se

está

comprimiendo

El alto voltaje necesario, típicamente 10,000 voltios, es suministrado por una bobina de inducción o transformador. La bobina de inducción es un sistema de retorno, que utiliza la interrupción de la corriente eléctrica del sistema primario a través de algún tipo de interruptor sincronizado. El interruptor puede ser puntos de contacto o un transistor de potencia. El problema con este tipo de ignición es que a medida que las RPM aumentan, la disponibilidad de energía eléctrica disminuye. Esto es especialmente un problema, ya que la cantidad de energía necesaria para encender una mezcla de combustible más densa es mayor. El resultado fue a menudo un fallo de encendido de altas RPM.

Motores de encendido por compresión (MEC) Los motores MEC inician la combustión mediante un proceso de autoencendido de la mezcla aire-combustible al conseguir temperaturas finales suficientemente altas en la cámara de combustión en la etapa de compresión. En estos motores solamente entra aire por el conducto de admisión y el combustible se inyecta hacia el final de la carrera de compresión, cuando el aire alcanza niveles de temperaturas altos para producir el autoencendido. Los motores diesel, PPC y HCCI dependen únicamente del calor y la presión creados por el motor en su proceso de compresión para el encendido. El nivel de compresión que ocurre generalmente es el doble o más que un motor de gasolina. Los motores diesel solo toman aire, y poco antes de la compresión máxima, rocíe una pequeña cantidad de combustible diesel en el cilindro a través de un inyector de combustible que permite que el combustible se encienda instantáneamente. A diferencia de los MEP donde se localiza claramente la zona donde se inicia y desplaza la combustión (partiendo de la chispa de la bujía), en los motores MEC depende especialmente de la zona en la que se encuentre la mezcla en las proporciones ideales, siendo estas las zonas donde la mezcla se encuentra en proporciones estequiométricas. El proceso de combustión por tanto depende espacial y temporalmente del proceso de inyección y se ve afectada por los procesos físicos que tienen lugar en la inyección, por ejemplo la atomización del combustible,la evaporación del mismo,la proporción aire-combustible y la turbulencia producida en la cámara de combustión. La denominación más usual para denominar al motor MEC es:

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● Motor Diesel, en honor al inventor de este motor Otros nombres menos corrientes también empleados serían: ● HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) ● CAI ( Controlled Auto-Ignition) Los motores tipo HCCI absorben tanto aire como combustible, pero continúan confiando en un proceso de autocombustión sin ayuda, debido a presiones y calor más altos. Esta es también la razón por la cual los motores diesel y HCCI son más susceptibles a problemas de arranque en frío, aunque funcionan igual en climas fríos una vez que arrancan. Los motores diesel de servicio liviano con inyección indirecta en automóviles y camiones livianos emplean bujías incandescentes que precalientan la cámara de combustión justo antes de comenzar a reducir las condiciones de no arranque en climas fríos. La mayoría de los motores diesel también tienen una batería y un sistema de carga; sin embargo, este sistema es secundario y los fabricantes lo agregan como un lujo para la facilidad de arranque, encendido y apagado del combustible (que también se puede hacer a través de un interruptor o aparato mecánico) y para hacer funcionar componentes y accesorios eléctricos auxiliares. La mayoría de los motores nuevos se basan en unidades de control de motores eléctricos y electrónicos (ECU) que también ajustan el proceso de combustión para aumentar la eficiencia y reducir las emisiones.

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Tipo por ciclo mecánico Un ciclo se denomina termodinámico cuando se suceden una serie de cambios de estado, de tal forma que la masa gaseosa que evoluciona después de las sucesivas transformaciones, retorna a las mismas condiciones iniciales. Un ciclo se denomina mecánico cuando se repiten periódicamente una serie de sucesos sin que el fluido retome a las condiciones iniciales, esto es, el ciclo comienza con fluido diferente, en condiciones iguales a las del ciclo precedente. El sistema de funcionamiento de los motores térmicos se basa en un ciclo que se repitiendo constantemente. En el caso de los motores de combustión interna este ciclo consta de la entrada de combustible (admisión), combustión del combustible, expansión del cilindro y expulsión de los gases producidos. Este ciclo genera un movimiento mecánico, si el ciclo se repite tendremos un movimiento mecánico constante. Ciclo de Atkinson En un motor de combustión interna alternativo MCIA convencional las válvulas de admisión, que llevan la mezcla de aire y combustible, se cierran cuando el pistón comienza la compresión. En el ciclo Atkinson se retrasa el cierre de las válvulas de admisión, volviendo así parte de la mezcla al conducto de admisión. Con este procedimiento se consigue un considerable ahorro de combustible, una menor temperatura y presión en el cilindro restando vibraciones al motor y aumentando la eficiencia global del ciclo teórico de Otto. En el ciclo propuesto por Atkinson, mediante la adición de eslabones a la cadena cinemática básica de un motor (mecanismo multieslabón), la carrera de expansión se prolonga hasta la presión barométrica, con el fin de extraer todo el potencial de trabajo disponible en los gases de trabajo del cilindro, a la vez que las carreras de admisión y compresión permanecen similares a las de un ciclo Otto. Posteriormente, y en la actualidad, el ciclo Atkinson se implementa manipulando las fases y tiempos valvulares de admisión y escape, y se retarda (LIVC) o se hace avanzar (EIVC) el tiempo de cierre de las válvulas de admisión en los ciclos Otto y Diesel. El ciclo Atkinson puede usarse en una máquina rotativa. Este tipo de máquina retiene una fase de potencia por revolución, junto con los diferentes volúmenes de compresión y de expansión, del ciclo original Atkinson. Los gases de escape se expelen de la máquina por aire comprimido. Esta modificación del ciclo Atkinson permite el uso alternativo de combustible tipo diésel e hidrógeno

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Ciclo Miller Es una variación del ciclo Otto en la que se utiliza un cilindro más grande de lo habitual, se aumenta la relación de compresión mediante un compresor mecánico y se cambian los momentos de apertura y cierre de las válvulas de escape. Otra modificación es la utilización de un intercooler en la admisión. Se trata de un proceso de combustión usado en motores de cuatro tiempos de combustión interna. Fue patentado por el ingeniero norteamericano Ralph Miller en 1957. E...