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Asignatura: Motores y Máquinas Agrícolas Curso 2020-2021

Tema 1. Motores endotérmicos alternativos Dr. Bernardo Martín Górriz ([email protected]) Dr. Belén Gallego Elvira ([email protected]) Área de Ingeniería Agroforestal Dpto. Ingeniería Agronómica. UPCT Paseo Alfonso XIII, nº 48, Cartagena

Grado en Ingeniería Agroalimentaria y de Sistemas Biológicos

Tema 1. Motores endotérmicos alternativos

1. Conceptos elementales de motores endotérmicos alternativos 1.1. Clasificación de las máquinas térmicas 1.2. Aplicaciones de los motores térmicos 1.3. Motores endotérmicos alternativos 2. Nomenclatura y componentes de un motor 3. Ciclos termodinámicos: teóricos y reales 4. Motores de 4 y 2 tiempos

1. Conceptos elementales de motores endotérmicos alternativos 

 



Los motores térmicos transforman energía calorífica del combustible en energía mecánica El trabajo útil es ejecutado por órganos en movimiento alternativo El movimiento del motor se produce por el fluido operante: combustible+aire (O2) Los motores alternativos se dividen en dos grandes grupos:  

MEP (motores de encendido provocado) Otto MEC (motores de encendido por compresión) Diesel

1.1 Clasificación de las máquinas térmicas Máquinas hidráulicas (el fluido de trabajo es incompresible) Máquinas térmicas (el fluido de trabajo es compresible)

Máquinas térmicas directas o motoras (generan energía)

Máquinas térmicas inversas (consumen energía) Máquinas frigoríficas

Motores de combustión interna

Motores de combustión externa

Bombas de calor Compresores

Alternativos

Rotativos

Alternativos

Rotativos

Turbinas de gas

Stirling

Turbinas de vapor

MEP (motores de encendido provocado) Otto MEC (motores de encendido por compresión ) Diesel

Aplicaciones de los motores endotérmicos alternativos Maquinaria agrícola:  MEP (gasolina): pequeños motores para grupos electrógenos, motosierras, motobombas, cortadores de césped, etc. 



Combustibles en general para MEP: gasolina, alcoholes (etanol, metanol), gas natural (GN), gases licuados del petróleo (GLP) o hidrógeno

MEC (gasoil): grandes motores para tractores y máquinas motrices en general 

Combustibles en general para MEC: gasóleo, fuel-oil y aceites vegetales

Motores endotérmicos alternativos • MEC: motor de encendido por compresión o diesel • MEP: motor de encendido provocado o gasolina Comparación entre MEC y MEP

combustible consumo peso/potencia contaminación alimentación

MEC (diesel) gasoleo menor (25%) mayor menor* inyección (bomba e inyectores)

relación de compresión admisión encendido combustión en ciclo teo. régimen de giro vida útil paro del motor

16:1 aire puro por alta presión y tª a presión cte. menor más larga corte gasoleo

MEP(Otto) gasolina mayor menor mayor* carburación/inyección (bujías, sist. de encendido, carburador/ bomba e inyect.) 8:1 mezcla de gasolina y aire por la chispa de bujía a volumen cte. mayor más corta anulación chispa

2. Nomenclatura y componentes de un motor

2. Nomenclatura: parámetros dimensionales de un motor • PMI: punto muerto inferior • PMS: punto muerto superior • L: carrera (PMS-PMI) • d: diámetro • Vu: vol. entre PMS y PMI • Vc: vol. de la cámara de combustión • Vu: cilindrada unitaria

Rc: relación volumétrica de compresión

Relación de compresión Relación de compresión volumétrica: mide la proporción en volumen que se queda comprimida la mezcla aire-combustible dentro de la cámara de combustión

MEP (gasolina)

MEC (diesel)

En MEP, Rc: 8-12, para evitar el encendido espontáneo de la mezcla En MEC, Rc: 16-21, para favorecer el autoencendido del combustible es necesario elevar la temperatura del aire durante la compresión, por lo que se recurre a relaciones de compresión más altas

Disposición de los pistones en un motor Motor de 3 cilindros Pistón

Biela

Volante de inercia

Cigüeñal

Motor de 4 cilindros

Motor de 4 cilindros

Volante de inercia 



El volante de inercia es un "ACUMULADOR DE ENERGIA" de inercia. Es decir, debido a su tamaño y peso (una vez girando) ayuda a arrastrar (girar) el cigüeñal con mayor suavidad para cuando el cigüeñal no tiene el empuje necesario en los pistones debido a los intervalos entre las explosiones El volante de inercia se opone a las aceleraciones bruscas en un movimiento rotativo. Así se consiguen reducir las fluctuaciones de velocidad angular. Es decir, se utiliza el volante para suavizar el flujo de energía entre una fuente de potencia y su carga

Diagrama de momento-cigüeñal en motores de 4 y 6 cilindros

Conexión cigüeñal-árbol de levas

Conexión cigüeñal-árbol de levas

1.- piñón del cigüeñal 2.- rueda dentada del árbol de levas 3.- árbol de levas 4.- leva 5.- empujador 6.- válvulas 7.- resorte de válvulas 8 y 9.- juego de taqués

Esquema de distribución y válvulas

Esquema de los colectores de admisión y escape

Los colectores de admisión son de mayor diámetro que los de colectores de escape para favorecer la renovación de la carga

3. Ciclos termodinámicos Ciclo: es la sucesión de operaciones que el fluido realiza en el cilindro Ciclo teórico: los cambios producidos en el fluido se producen instantáneamente Ciclo real: refleja las condiciones reales de funcionamiento de un motor El ciclo real respecto al teórico disminuye su superficie exterior por que los cambios producidos en el fluido se producen de forma gradual y no instantánea La duración de un ciclo se mide en carreras: • motor de 4 tiempos = el ciclo se completa en 4 carreras • motor de 2 tiempos = el ciclo se completa en 2 carreras

Recordatorio: unidades Energía: capacidad de realizar trabajo Trabajo: energía mecánica de transición (es pasajera, no se puede almacenar) Solo el resultado del trabajo es capaz de manifestarse, p.e. energía térmica Potencia: es el trabajo por unidad de tiempo, kW, en tractores se usaba CV [1 kW = 1,36 CV] Calor: energía térmica de transmisión a través de las superficies que limitan un sistema

Recordatorio: Trabajo en un diagrama p-v Cuando un cilindro pasa de PMI a PMS P P2

2 1

P1

V2

V1

V

El trabajo mecánico producido durante un ciclo será la integral (área) entre 1-2 En un ciclo, el fluido operante produce trabajo cuando se expansiona después de haber recibido cierta cantidad de calor (procedente del combustible) Los diagramas PV: https://es.khanacademy.org/science/physics/thermodynamics/laws-of-thermodynamics/a/what-are-pv-diagrams

Fases de un motor de 4T En motores de 4T el ciclo de trabajo se completa en dos vueltas de cigüeñal o, lo que es lo mismo, en cuatro carreras del émbolo (=carreras=ciclos=tiempos)

Trabajo

Ciclo teórico Otto (MEP) En un ciclo teórico todo el calor introducido se convierte en trabajo En los ciclo teórico los cambios producidos en el fluido se producen instantáneamente, y no hay perdidas de energía (calor) Transformaciones producidas en el ciclo: • A-B (adiabática, Q:cte): compresión del fluido • B-C (isócora, v:cte): introducción instantánea del calor; Q1= Cv (TB-TC) • C-D (adiabática): expansión del fluido • D-A (isócora): sustracción instantánea del calor; Q2= Cv (TD-TA) Q1

Rendimiento teórico: t = Q2

W Q1

=

Q1 -Q2 Q1

El área del ciclo se corresponde con el trabajo desarrollado Cv: calor especifico a volumen cte.

En el escape el enfriamiento ocurre en dos fases. Cuando el pistón está en su punto más bajo, el volumen permanece aproximadamente constante y tenemos la isócora D→A. Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, empleamos la isobara A→E, cerrando el ciclo.

Ciclo teórico Otto (MEP)

https://www.youtube.com/watch?v=u7geC32XZrY

Ciclo real Otto (MEP) • Condiciones reales de funcionamiento de un motor • Respecto al teórico disminuye su superficie exterior por que los cambios producidos en el fluido se producen de forma gradual y no instantánea • Retraso al Cierre de la Admisión (RCA): La válvula de admisión permanece abierta un cierto tiempo hasta después de que el pistón comience a descender, para conseguir que entre algo más de aire. • Adelanto en la Apertura del Escape (AAE): para que los gases de la combustión salgan un poco antes de que el pistón llegue al PMI, y salga la mayor cantidad de gases quemados. • El proceso de ignición del combustible no es instantáneo, y la chispa salta antes de que el pistón alcance el PMS para optimizar el proceso de combustión.

Factor de calidad de un ciclo: relación entre rendimiento teórico y real de un ciclo. No suele superar el 0,8 http://e-ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/4750/4932/html/index.html

Ciclo teórico Diesel (MEC) Transformaciones producidas en el ciclo (MEC): • A-B (adiabática, Q:cte): compresión del fluido • B-C (isóbara, p:cte): introducción instantánea del calor; Q1= Cp (TB-TC) • C-D (adiabática, Q:cte): expansión del fluido • D-A (isócora, v:cte): sustracción instantánea del calor; Q2= Cv (TD-TA) Q1

Rendimiento teórico: t = Q2

W Q1

=

Q1 -Q2 Q1

Ciclo real Diesel (MEC) Factor de calidad de un ciclo: relación entre rendimiento teórico y real de un ciclo. No suele superar el 0,8

A: admisión (depresión) E: escape (soprepresión) CA: cierre admisión AA: adelanto de admisión AE: adelanto de escape CE: cierre escape

Ciclo teórico Otto (MEP)

vs.

Diesel (MEC) Q1

Q1

Q2

Q2

Rendimiento teórico: t =

W Q1

=

Q1 -Q2 Q1

Evolución del fluido en MEP y MEC

Diagrama de distribución de un motor de 4t real En un ciclo ideal (teórico) las válvulas se abren y cierran en los PMS y PMI En un ciclo real para mejorar el rendimiento volumétrico se producen avances y retrasos en apertura y cierre de válvulas

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4. Motores de 4 y 2 tiempos

Motor de 4 t y 4 cilindros 1ª carrera T

E

C

A

2ª carrera

3ª carrera

4ª carrera También posible: 1-2-4-3

Motor de 4t y 4 cilindros (en movimiento)

https://www.youtube.com/watch?v=DZt5xU44IfQ https://www.youtube.com/watch?v=1L_KhzrSjzI&list=PLSmEtYHIjXCi3mImW2DzTSRpY3EXHKKTu&index=12

Motor de 2 tiempos • sin válvulas • tres lumbreras: • admisión • escape • de carga (interna) • pistón con deflector • cárter seco • sin engrase

Dos carreras del pistón y una vuelta del cigüeñal 1er tiempo (compresión y admisión); 2º tiempo (explosión y escape)

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Motor de 2t

https://www.youtube.com/watch?v=g9kKzzkeJPQ&t=4s Nota: Video hasta minuto 2:38

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Ciclo operativo de un motor de 2 tiempos Iniciando la carrera ascendente: COMPRESIÓN-PREADMISIÓN -compresión en la cámara -preadmisión en el carter (B)

Iniciando la carrera descendente: EXPANSION (TRABAJO)-PRECOMPRESIÓN -expansión en la cámara -precompresión en el carter

B

finalizando la carrera ascendente: COMBUSTION-PREADMISION -salta la chispa -completa preadmisión

finalizando la carrera descendente: ESCAPE-ADMISION (carga) -escape por lumbrera (A) -admisión por lumbrera interna

Diagrama P-V de un motor 2T El diagrama presión-volumen de un motor de dos tiempos contiene solamente el bucle de alta presión, o de trabajo

CA: cierre admisión AA: adelanto de admisión AE: adelanto de escape CE: cierre escape

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Diagrama presión-ángulo para un motor de 4 t

Inyección del combustible

1 ciclo de trabajo: Cuatro carreras del pistón y dos vueltas del cigüeñal 4 tiempos: admisión – compresión – combustión y expansión - escape

Diagrama presión-ángulo para un motor de 2 t

Dos carreras del pistón y una vuelta del cigüeñal 1er tiempo (compresión y admisión); 2º tiempo (explosión y escape)

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Bibliografía 

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Arnal P., Laguna A. 2000. Tractores y motores agrícolas. Ed. MundiPrensa. Madrid. Payri F., Desantes J.M. 2011. Motores de combustión interna alternartivos. Ed. Reverte. Madrid. http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/4750/4932/ht ml/index.html

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