Post on 12-Dec-2015
description
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
MÁQUINAS MOTRICES IMOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
Cursado 2012
Departamento de Mecánica AplicadaFacultad de Ingeniería
Universidad Nacional del ComahueNeuquén, Argentina
e-mail: ezequiel.jose.lopez@gmail.com
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Bibliografía
Texto básico de referenciaInternal combustion engine fundamentals. Heywood, JohnB.; Ed. McGraw-Hill (1988); ISBN 0-07-028637-X.
Bibliografía de consultaMotores térmicos. Martínez de Vedia, Ed. Alsina.The intemal combustion engine in theory and practice;Volumes I and II. Taylor, Charles F.; Ed. The M.I.T. Press.Motores de automóvil. Jóvaj, M. S.; Ed. MIR (1987).Cálculo de la combustión. Obert, Rodolfo; Ed. Alsina.Procesos de los motores de combustión. Lichty, Lester;Ed. McGraw-Hill.Motores endotérmicos. Giacosa, Dante; Ed.Científico-Médica (1964).
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Tipos de motores y su operación
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Clasificación de MCI
Criterios de clasificación
1 Aplicación2 Diseño básico del motor3 Ciclo de trabajo4 Ubicación y diseño de las válvulas o puertos5 Combustible6 Método de preparación de la mezcla7 Método de encendido8 Diseño de la cámara de combustión9 Método de control de la carga
10 Método de refrigeración
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Ciclos operativos de MCI
Geometría básica del motor alternativo
V
V
θ
0º
90º270º
180ºPMI
PMS
PMS
PMI
Vtd
c
diametro
carrera
Vc : volumen mínimo del cilindro
Vt : volumen máximo del cilindro
Vd = Vt − Vc : volumen barrido odesplazado
Relación (geométrica) de compresión
rc =Vmax
Vmin=
Vt
Vc
Valores típicos:
Motores SI: 8 ≤ rc ≤ 12
Motores CI: 12 ≤ rc ≤ 24
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Ciclos operativos de MCI
Ciclo de cuatro tiempos (4T)
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Ciclos operativos de MCI
Ciclo de dos tiempos (2T)
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Componentes de un MCI
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Componentes de un MCI
Block
Contiene los cilindrosdel motor
Tradicionalmentefabricado confundición gris, aunquese utilizan aleacionesde aluminio enmotores pequeños
Algunos poseencamisas removibles,mojadas o secas
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Componentes de un MCI
Cigüeñal
Construído con aceroforjado o fundicionesnodulares
Soportado porcojinetes (de bancada)
Estos cojinetes utilizaninsertos de acerorecubiertos con bronceo aluminio
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Componentes de un MCI
Pistones
Construídos conaluminio en motorespequeños o confundición en motoreslentos de gran tamaño
Contiene los sellos(aros) para evitar lasfugas de gas
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Componentes de un MCI
Bielas
Construídas en aceroo aleación forjados
Se conecta con elpistón a través delperno de pistón(generalmente deacero)
El perno esnormalmente huecopara reducir su peso
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Componentes de un MCI
Tapa de cilindrosSella los cilindros
Se fabrica de fundicióno aluminio
Contiene las bujías (enun motor SI) o losinyectores decombustible (en unmotor CI)
En motores conválvulas ‘a la cabeza’,contiene partes delmecanismo deválvulas
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Componentes de un MCI
Válvulas
Fabricadas conaleaciones de aceroforjadas
Habilitan el paso delgas desde o hacia elcilindro
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Componentes de un MCI
Árbol de levas
Construído confundición o aceroforjado
Las superficies de loscamones de levas sonendurecidas paraobtener una vidaadecuada
Accionados por elcigüeñal medianteengranajes, correa ocadena
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Operación de motores encendidos por chispa
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Operación de motores encendidos por chispa
Sistemas de dosificación de combustible
Carburador
Inyección en el puerto
Inyección directa
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Operación de motores encendidos por chispa
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Operación de motores encendidos por compresión
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Operación de motores encendidos por compresión
Sistemas de inyección de combustible
Bomba inyectora ‘en línea’
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Operación de motores encendidos por compresión
Sistemas de inyección de combustible
Bomba inyectora rotativa de émbolo axial
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Operación de motores encendidos por compresión
Sistemas de inyección de combustible
Commom Rail
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Operación de motores encendidos por compresión
Motor 4T
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Operación de motores encendidos por compresión
Motor 4T
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Operación de motores encendidos por compresión
Motor 2T
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Diseño de motores y parámetros deoperación
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Características importantes de un MCI
Factores importantes para un usuario de MCI
1 La performance del motor sobre su rango de operación2 El consumo de combustible del motor dentro de su rango
de operación y el costo del combustible requerido3 El ruido provocado por el motor y las emisiones
contaminantes dentro de su rango de operación4 Costo inicial del motor y su instalación5 La confiabilidad y durabilidad del motor y el requerimiento
de mantenimiento
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Características importantes de un MCI
La performance de un MCI se define como
1 La potencia máxima (o el torque máximo) disponible a cada velocidaddentro del rango útil de operación del motor
2 El rango de velocidad y potencia sobre el cual la operación del motores satisfactoria
Definiciones de performance comúnmente utilizadas:
Potencia nominal máxima. Es la mayor potencia que puededesarrollar un motor por cortos períodosPotencia nominal normal. Es la mayor potencia que puede desarrollarun motor en operación continua
Velocidad nominal. La velocidad de rotación del cigüeñal a la cual seobtiene la potencia nominal
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Propiedades geométricas de motores reciprocantes
Relación de compresión
rc =Volumen máximo del cilindroVolumen mínimo del cilindro
=Vd + Vc
Vc= 1 +
Vd
Vc
Relación diámetro del cilindro -carrera del pistón
Rbs =BL
Relación de longitud de biela alongitud de manivela
R =la
L
PMS
PMI
B
V
s
c
dV
θ
a
l
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Propiedades geométricas de motores reciprocantes
Volumen del cilindro
V (θ) = Vc +πB2
4[l + a− s(θ)]
Área de la superficie de la cámarade combustión
A(θ) = Ach + Ap + πB[l + a− s(θ)]
Velocidad media del pistón
Sp = 2LN
donde N es la velocidad rotacionaldel cigüeñal
L
PMS
PMI
B
V
s
c
dV
θ
a
l
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Propiedades geométricas de motores reciprocantes
Velocidad instantánea del pistón
Sp(θ) =ds(θ)
dt
Sp(θ)
Sp=
π
2sin θ
»1 +
cos θ
(R2 − sin2 θ)1/2
–
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Potencia y torque al freno
El torque de un motor se mide con un dinamómetro
Si el torque ejercido por el motor es Tb:
Tb = Fb
donde F es la fuerza medida y b el brazo de palancaPotencia entregada por el motor
Pb = 2πNTb
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Trabajo indicado por ciclo
Motor 2 tiempos Motor 4 tiempos
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Trabajo indicado por ciclo
El trabajo indicado por ciclo Wc, i se obtiene integrandosobre la curva del ciclo indicado para obtener el áreaencerrada en el diagrama
Wc, i =
∮pdV
Para motores 4T
Trabajo indicado bruto por ciclo Wc, ig . Es el trabajoentregado al pistón sólo en las carreras de compresión yescape.Trabajo indicado neto por ciclo Wc, in. Es el trabajoentregado al pistón sobre el ciclo completo.
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Trabajo indicado por ciclo
Trabajo de bombeo Wp: es la transferencia de trabajo entre elpistón y los gases dentro del cilindro durante las carreas deadmisión y escape
La potencia por cilindro se relaciona con el trabajo indicado porciclo
Pi =Wc, iN
nR
donde nR es el número de revoluciones del cigüeñal por cadacarrera de potencia por cilindro.Pi es la potencia indicada, es decir, la tasa de transferencia detrabajo del gas dentro del cilindro al pistón
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Rendimiento mecánico
Potencia de fricción Pf : es la potencia consumida para salvarla fricción de todos los componentes mecánicos del motor másla potencia consumida en el bombeo
Pig = Pb + Pf
Se define entonces el rendimiento mecánico
ηm =Pb
Pig= 1− Pf
Pig
Valores típicos:
90 % por debajo de 1800 rpm a 2400 rpm
75 % a la máxima velocidad nominal
0 % en vacío
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Presión media efectiva
El torque depende del tamaño del motor. En busca de unamedida relativa, puede dividirse el trabajo por ciclo por elvolumen desplazado. Esta cantidad tiene unidades defuerza/área.
La presión media efectiva (pme) se define como
pme =WVd
pme =PnR
VdN=
2πTnR
Vd
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Presión media efectiva
Tipo de motor Condición pmeSI, nat. asp. Máx. torque 850 a 1050 kPaSI, nat. asp. Vel. nominal máx. 10 a 15 % menorSI, turbo – 1250 a 1700 kPa (val. máx.)SI, turbo A máx. pot. nominal 900 a 1400 kPaCI 4T, nat. asp. – 700 a 900 kPa (val. máx.)CI 4T, nat. asp. A máx. pot. nominal 700 kPaCI 4T, turbo – 1000 a 1200 kPa (val. máx.)CI 4T, turbo+cooler – hasta 1400 kPaCI 4T, turbo A máx. pot. nominal 850 a 950 kPa2T lento – hasta 1600 kPa
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Consumo específico de combustible y rendimiento
El consumo específico de combustible (sfc) mide qué taneficientemente se utiliza el combustible entregado al motorpara producir trabajo y se define como
sfc =mf
P
Valores típicos: 270 g/kW h para motores SI y 200 g/kW h paramotores CI (ambos al freno)
Rendimiento de conversión del combustible
ηf =Wc
mf QHV=
(PnR/N)
(mf nR/N)QHV=
Pmf QHV
=1
sfcQHV
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Relaciones aire/combustible y combustible/aire
La razón entre el flujo másico de aire ma y de combustible mfes útil para definir las condiciones de operación de los motores:
Relación aire/combustible (A/F ) =ma
mf
Relación combustible/aire (F/A) =mf
ma
Motores SI (nafta): 12 ≤ A/F ≤ 18 (0.056 ≤ F/A ≤ 0.083)Motores CI (gas-oil): 18 ≤ A/F ≤ 70(0.014 ≤ F/A ≤ 0.056)
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Rendimiento volumétrico
Se emplea sólo en motores 4T y se define como el flujovolumétrico de aire en el sistema de admisión dividido por latasa a la cual el volumen es desplazado por el pistón
ηv =2ma
ρa,iVdN
Una definición alternativa (equivalente)
ηv =ma
ρa,iVd
Valores típicos máximos: 80 % a 90 % para motores SInaturalmente aspirados; % mayores para motores CI
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Relación entre los parámetros de performance
PotenciaP = ηf mf QHV
= ηf ma(F/A)QHV
=ηf maNQHV (F/A)
nR
Para motores 4T, introduciendo el rendimiento volumétrico:
P =ηfηv NVdQHVρa,i(F/A)
2
Torque
T =ηfηv VdQHVρa,i(F/A)
4π
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Relación entre los parámetros de performance
Presión media efectiva
pme = ηfηv QHVρa,i(F/A)
Potencia específica: es la potencia por unidad de áreadel pistón
PAp
=ηfηv NLQHVρa,i(F/A)
2
Introduciendo la velocidad media del pistón
PAp
=ηfηv SpQHVρa,i(F/A)
4
=pmeSp
4
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I
Tipos de motores y su operación Diseño de motores y parámetros de operación
Relación entre los parámetros de performance
Estas relaciones ilustran la importancia directa de lossiguientes parámetros sobre la performance del motor:
1 Alto rendimiento de conversión del combustible2 Alto rendimiento volumétrico3 Incremento de la densidad del aire a la entrada4 Máxima relación F/A que pueda ser quemada por el motor5 Alta velocidad media del pistón
DMA-FI-UNCo
MÁQUINAS MOTRICES I