MOTORES TÉRMICOS

Un motor térmico es una máquina que, trabajando cíclicamente, transforma calor en trabajo útil.

1- CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES TÉRMICOS

En función del lugar donde se obtenga el calor necesario para el funcionamiento (foco caliente), los motores térmicos se clasifican en motores de combustión interna y de combustión externa.

En el motor de combustión externa la combustión se realiza en el exterior de la propia máquina. Este es el caso de las centrales térmicas, donde el calor obtenido en la caldera pasa al fluido a través de las tuberías por la que éste circula.

En el motor de combustión interna, los motores térmicos también se clasifican en función del tipo de movimiento suministrado como energía mecánica en su salida. Este movimiento puede ser alternativo, es decir, movimiento lineal de vaivén, como es el caso del émbolo del pistón de un motor de automóvil, o puede ser un movimiento rotativo, como es el caso de una turbina de una central térmica.

Ejemplos

MOTORES TÉRMICOS Combustión interna Combustión ExternaAlternativos Motor de gasolina

Motor dieselMáquina de vapor

Rotativos Turborreactor Central térmica

2.- MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA

El motor de gasolina también se denomina motor de encendido por chispa o motor de explosión debido a que, para realizar la combustión de la gasolina, se preavisa de una chispa eléctrica que provoca la combustión instantánea o explosión de la gasolina contenida en el cilindro motor.

El motor diesel, por el contrario, no precisa de chispa eléctrica para provocar la combustión de gasoil, sino que éste arderá conforme entra en el interior del cilindro debido a la elevada presión y temperatura que existe en el instante en que se introduce el combustible; por esto, el motor diesel también se denomina motor de encendido por compresión.

3. – COMPONENTES DE UN MOTOR DE 4 TIEMPOS

Básicamente lo que se consigue en un motor alternativo es provocar un desplazamiento del émbolo de un pistón como consecuencia de la elevada presión que se alcanza en el fluido al realizarse la combustión de la gasolina o del diesel.

Los elementos constituyentes del motor que permiten su funcionamiento son:

• Bloque motor.- es la pieza principal del motor, donde se han realizando una serie de cavidades para alojar los cilindros y permitir la circulación del líquido refrigerante y del aceite de engrase; además permite la fijación de los restantes elementos del motor. Está fabricado de fundición gris aleado con níquel y cromo para conseguir un material no poroso y resistente al calor y al desgaste.

• Cárter: Es la cavidad inferior del bloque motor, donde se almacena el aceite lubricante y donde se aloja el cigüeñal.

• Culata: la parte superior del bloque motor se tapa con una pieza denominada culata, que se fija mediante rodillos al bloque, formándose así un conjunto similar al de una olla a presión.

• Válvulas: son los elementos que permiten la apertura y cierre del cilindro para que pueda entrar el fluido termodinámico (válvula de admisión) y salir los gases una vez realizada la combustión (válvula de escape).

• Levas: son unos discos con unos salientes que giran de forma coordinada al cigüeñal y que actúan sobre las válvulas para que abran y cierren en el momento adecuado. Las levas van montadas en un eje denominado árbol de levas.

• Bujía: es el elemento que emite la chispa eléctrica en el instante preciso para que se produzca la combustión de mezcla de aire-gasolina en el momento oportuno en los motores de explosión.

• Inyector: es el dispositivo que permite introducir en el interior del cilindro el gasoil en los motores diesel.

• Cilindro: es el hueco del bloque motor donde se aloja el fluido que realiza el ciclo termodinámico y el lugar donde se producirá la combustión. Por la parte superior está cerrado con la culata y por la parte inferior se encuentra el pistón. El continuo movimiento del pistón hace que el volumen del cilindro sea variable; la cámara ocupada por los gases cuando el volumen del cilindro es el mínimo se denomina cámara de combustión por ser el lugar donde se realiza la quema de los gases.

• Pistón: es la parte móvil del motor que recibe la fuerza generada en la combustión y realiza el movimiento lineal

alternativo, subiendo y bajando continuamente en el interior del cilindro. En su desplazamiento, el pistón hace que el volumen del cilindro varíe desde su valor máximo (V1) cuando el pistón se encuentra en el punto inferior de su recorrido (PUNTO MUERTO INFERIOR PMI) hasta el valor mínimo (V2 cámara de combustión), cuando el pistón se encuentra en el punto superior de su recorrido (punto muerto superior PMS). La distancia recorrida por el pistón en su movimiento del PMI hasta el PMS se denomina carrera y el diámetro del mismo calibre. El volumen barrido por el pistón en su desplazamiento en el interior del cilindro se denomina cilindrada.

Cilindrada = 4

∏ (diámetro)2. carrrea

El volumen total será la cilindrada multiplicada por el número de ciclos realizados en el cilindro y multiplicado además por el número de cilindros que nos digan que hay en el bloque motor.

También se puede expresar la cilindrada en función de los volúmenes máximo y mínimo del cilindro: V1 – V2

Además suele darse la relación entre los volúmenes V1 y V2 denominada relación de compresión por ser un dato importante que interviene en el rendimiento y la potencia del motor.

Relación de compresión= 2

1

V

V

• Segmentos: en la cabeza del pistón se practican unas ranuras donde van alojados unos anillos circulares y elásticos ,para asegurar la estanqueidad del cilindro, de forma que o existan fugas de gas desde la parte superior del pistón hacia la inferior ni que pueda pasar el aceite contenido en la parte del bloque motor.

• Biela: el elemento mecánico que une el pistón, por medio del bulón, con el cigüeñal. Este acoplamiento realiza la función de transformar el movimiento alternativo del pistón en giratorio.

• Volante de inercia: los impulsos que recibe el cigüeñal no se aplican de manera continua ya que, cada pistón aplicará un impulso al cigüeñal cada cuatro carreras. Por este motivo, en el giro hay momentos en que se le aplica un impulso que tiende a acelerarlo y otros a deternelo, resultando un giro irregular que hace necesario un sistema de regulación. El volante de inercia es un disco macizo de cierto peso unido al cigüeñal en uno de sus extremos, que almacena la energía recibida en cada impulso y la devuelve una vez finalizado, oponiéndose a las vibraciones del giro.

4.- FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR ALTERNATIVO DE COMBUSTIÓN INTERNAEn un motor de 4T el conjunto de operaciones que se repiten periódicamente se realizan en cuatro carreras del pistón, mientras que en un motor de 2T para completar dichas operaciones basta con dos carreras del pistón…. El motor de 4T es el utilizado para los automóviles, mientras que en las motocicletas realizan el funcionamiento con motores de 2T

A) MOTOR DE 4 TIEMPOS

Primer tiempo:ADMISIÓN.En la posición de partida, el pistón se encuentra en el punto más elevado de su recorrido, el punto muerto superior, y la válvula de admisión está abierta. El pistón realiza una primera carrera del PMS al PMI, al tiempo que el cilindro se va llevando a través de la válvula de admisión. Al alcanzar el PMI, la válvula de admisión se cerrará Durante ese recorrido del pistón el cigüeñal ha recorrido media vuelta.

Si se trata de gasolina, el cilindro se llena de la mezcla aire-gasolina proveniente del carburador, que es el dispositivo que realiza esta mezcla en la proporción adecuada. Si se trata de diesel, el cilindro se llena sólo de aire.

Segundo tiempo: COMPRESIÓN

Este tiempo comienza a partir del punto donde terminó el anterior: el pistón en el PMI y las válvulas cerradas. A partir de éste punto, el pistón realiza su segunda carrera desde el PMI hasta el PMS, y como las dos válvulas están cerradas, el contenido del cilindro se comprimirá y calentará. Durante esta carrera el cigüeñal ha realizado otra media vuelta.

Al finalizar este tiempo, se alcanzan hasta 10 bares de presión y 300 ºC en motores de gasolina y 40 bares y 700ºC en motores diesel.

Tercer tiempo: Encendido y expansión

En los motores de gasolina este tiempo se denomina tiempo de explosión y en los diese tiempo de combustión.Se producirá la combustión de la mezcla en la cámara de combustión y, como consecuencia de la misma, el gas del interior del cilindro incrementará su presión obligando al pistón a bajar al PMI. Durante esta tercera carrera, el cigüeñal gira otra media vuelta.

En un motor de gasolina, se hace saltar la chispa eléctrica en la bujía, la cual inflama la mezcla que se quema rápidamente (explosión).

En un motor diesel, cuando el pistón está en el PMS, se inyecta combustible que, al contacto con el aire caliente, se inflama espontáneamente, sin necesidad de chispa eléctrica (combustión).

Éste es el único tiempo en que el pistón realiza trabajo sobre el cigüeñal, obligándole a seguir girando. El volante de inercia almacenará la energía necesaria para ello.

Cuarto tiempo: escape.

Cuando el pistón llega la PMI ha finalizado el tiempo de encendido y expansión, comenzando el tiempo de escape. En ese momento se evacúan los gases quemados, producto del tercer tiempo, y para ello se abre la válvula de escape y el pistón realiza su cuarta carrera desde el PMI al PMS.

Al finalizar esta carrera, la válvula de escape se cierra y la de admisión se abre, quedando el cilindro dispuesto para comenzar nuevamente el primer tiempo de admisión.

DIFERENCIAS FUNDAMENTALES ENTRE UN MOTOR DE GASOLINA Y OTRO DIESEl.

• Durante la admisión, el motor gasolina introduce en el cilindro un mezcla formada por el carburante(gasolina) y el comburente(oxígeno del aire), mientras que en el diesel introduce en el cilindro únicamente el comburente(diesel).

• En el encendido del motor de gasolina se provoca la combustión de la mezcla aire-gasolina mediante la chispa de la bujía, mientras que en el diesel no se provoca la combustión sino que ésta se produce espontáneamente debido a la alta temperatura a la que se encuentra el aire cuando el gasóleo se introduce en el cilindro.

• Presión y temperatura en el motor diesel muy superior al del gasolina. Es decir, la relación de compresión es superior en el motor diesel. Su rendimiento es mayor por lo tanto que en el motor de gasolina (mirar fórmulas de rendimiento en cada caso)

B) MOTOR DE 2 TIEMPOS

El motor de dos tiempos realiza las mismas fases que el de 4T, si bien para completar las mismas fases tan sólo precisa de dos carreras. Esto es posible porque su constitución es diferente (mirar figura)

El cilindro de un motor de 2T no dispone de válvulas, y la entrada y salida de gases se realiza a través de unos conductos laterales que quedan taponados o descubiertos por el propio pistón a lo largo de

su recorrido por el interior del cilindro. Estos conductos se denominan lumbreras.

La lumbrera de admisión comunica el carburador con el cárter.La lumbrera de escape comunica el cilindro con el tubo de escape.La lumbrera de carga o transferencia permite que la mezcla situada en la parte inferior del motor pase al interior del cilindro para ser comprimida y quemada.

FUNCIONAMIENTO

primer tiempo: encendido, expansión y escape: el punto de partida se sitúa en el PMS con la mezcla de aire-gasolina comprimida en la cámara de combustión. En este instante, salta la chispa y se produce la combustión instantánea, obligando al pistón a realizar la primera carrera que corresponde a media vuelta de cigüeñal. En el comienzo de la carrera descendente, las lumbreras de escape y carga están tapadas, mientras que la de admisión no y llena de mezcla nueva al cárter. Poco después quedan taponadas todas las lumbreras y la mezcla del cárter se va comprimiendo.Siguiendo con su carrera descendente, el pistón descubre la lumbrera de escape y los gases quemados son expulsados rápidamente por su propia presión. Al final del recorrido el pistón descubre la lumbrera de carga, por lo que la mezcla comprimida en el cárter comienza a entrar en el cilindro ayudando a terminar de expulsar los gases de escape.

Segundo tiempo: admisión, escape y compresión: cuando finalizado el tiempo anterior, el pistón comienza a subir, aún sigue entrando la mezcla del cárter al cilindro a través de la lumbrera de carga. En su carrera ascendente, el pistón primero tapona la lumbrera de carga y justo después la de escape. A partir de este instante comienza la compresión de la mezcla en el cilindro, al tiempo que se provoca cierta depresión en el cárter. Al seguir subiendo el pistón, abrirá la lumbrera de admisión y comenzarán a entrar nuevos gases al cárter.Al final de ésta carrera, se provocará una nueva chispa eléctrica y comenzará de nuevo el primer tiempo.

5.- CICLOS TERMODINÁMICOS DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS

De los motores alternativos de combustión interna que hemos visto, los motores de explosión, tanto el de 2T como de 4T, describen un ciclo termodinámico denominado ciclo OTTO. El motor de

encendido por comprensión o motor diesel describe el denominado ciclo DIESEL.

• Transformación de admisión isobárica: corresponde al tiempo de admisión en el que se realiza la primera carrera del pistón, desde el PMS al PMI, por lo que el fluido termodinámico (mezcla aire-gasolina o sólo aire dependiendo del motor) pasa, de ocupar un volumen V2(cámara de combustión) a ocupar un volumen V1(volumen total del cilindro). Como durante esta carrera la válvula de admisión está conectada con el exterior, la presión permanece constante e igual a la presión atmosférica.

• Transformación de compresión adiabática: en su segunda carrera, el pistón realiza la compresión de los gases en el interior del cilindro hasta que ocupan el volumen correspondiente al de la cámara de combustión V2

• Transformación en que el fluido termodinámico toma energía térmica (Q1) como consecuencia de la combustión:

a) Motor de gasolina: EXPLOSIÓN ISOCÓRICA corresponde a la primera fase del tercer tiempo del funcionamiento del motor de gasolina. El pistón está en el PMS y salta la chispa, por lo que se produce la combustión instantánea, con lo que aumenta la presión rápidamente sin que el volumen haya cambiado.

b) Motor Diesel: COMBUSTIÓN ISOBÁRICACorresponde a la primera fase del tercer tiempo del funcionamiento del motor diesel. Cuando el pistón se encuentra en el PMS comienza a inyectarse el combustible al interior del cilindro. Inflamándose la mezcla como consecuencia de las elevadas temperaturas del aire interior.

• Transformación de expansión-adiabática: corresponde a la segunda fase del tercer tiempo. El pistón realiza o completa su tercera carrera desde el PMS al PMI. En esta transformación el fluido realiza trabajo, siendo éste el objeto del motor.

• Transformación apertura de la válvula de escape. En esta transformación se cede calor (Q2) al foco frío que es el medio ambiente y se vuelve a la presión atmosférica

• Transformación de escape; el pistón va desde el PMI al PMS, barriendo los gases quemados evacuándolos del interior del cilindro al exterior. Como se mantiene abierta la válvula de escape la presión se mantiene constante.

6.- RENDIMIENTO TÉRMICO DEL MOTOR DE GASOLINA

A partir del diagrama termodinámico del ciclo OTTO y aplicando los conocimientos adquiridos: (mirar explicación del libro página 155)

donde r es la relación de compresión volumétrica V1/V2

7.- RENDIMIENTO TÉRMICO DEL MOTOR DIESEL

A partir del diagrama termodinámico del ciclo DIESEL y aplicando los conocimientos adquiridos: (mirar explicación del libro página 155)

donde r sigue siendo la relación de compresión volumétrica y rc es la relación existente entre los volúmenes de combustión (es decir, los volúmenes final e inicial de la transformación isobárica existente en el ciclo de motor Diesel)

Comparando los dos rendimientos anteriores se llega a la conclusión de que el rendimiento diesel es mayor que el rendimiento Otto.

8.- BALANCE DE POTENCIA DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN ALTERNATIVO.

Hasta ahora nos hemos fijado solo en la sección térmica del motor, de la cual se obtiene la energía mecánica que mueve el vehículo, pero esta energía no se utiliza íntegramente para conseguir que el automóvil se desplace, sino que también es la energía que permite que todas las partes móviles funcionen.

El rendimiento de funcionamiento total variará debido a que realmente las transformaciones de compresión y expansión no son adiabáticas, pues las temperaturas que se alcanzan son elevadas y es necesario refrigerar.Por otra parte, tampoco se ha tenido en cuenta la evidente pérdida de energía como consecuencia del rozamiento de las partes móviles. Para minimizar estas pérdidas es necesario lubricar los componentes de fricción.Como consecuencia de lo expuesto, sucede la siguiente transformación de bloques:Q=Pc.V Potencia indicada Potencia efectiva

SECCIÓN TÉRMICAηT

SECCIÓN MECÁNICAηm

Por tanto el rendimiento total del motor se obtendrá de los rendimientos de las dos secciones reflejadas: rendimiento térmico y rendimiento mecánico, de forma que el rendimiento total será:

ηT=ηT . ηm

Ejemplo: Un motor de gasolina de 50 CV consume 8 l/h. Sabiendo que la relación de compresión es 8,5 y que el poder calorífico es de 7800 kcal/l calcula el rendimiento térmico, mecánico y total del motor. Gamma vale 1,4

Solución: con los datos calculamos el rendimiento térmico puesto que r = 8,5

este rendimiento térmico vale 57,51%como nos dan la potencia útil (50 CV), si calculamos la potencia absorbida tendremos el rendimiento total:

Energía absorbida= Pc . V= 72,45 kW

Potencia absorbida= Energía/tiempo

ηT= PU/PS= 50,72%

9.- PARÁMETROS DE INTERÉS PARA TODOS LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNAPOTENCIA INDICADAEs la potencia desarrollada en el interior del cilindro

Pi= n. Wi ya que W= E=P.t y el tiempo en motores térmicos viene dado en segundos/ciclon= nº de ciclosWi= trabajo indicado realizado por los gases dentro del cilindro.= presión . Volumen total(o cilindrada total)

Luego la Pi= n.presión.Cilindrada

Teniendo que ser dividida esta expresión entre dos para motores de 4T(puesto que hay una explosión cada dos vueltas) y entre 1 para motores de 2T .

Por este motivo, concluimos diciendo que:

Pi= n. Presión.Volumen total/2 para motores de 4T

Pi= n. Presión. Volumen total para motores de 2T

POTENCIA EFECTIVA

Es la potencia desarrollada en el eje de salida del motor

ηmec= Pe/Pi

y recordemos que la Potencia en un eje (según explicaciones del tema anterior) también se puede calcular como:

Pe= M.ωDonde M es el par motor en el eje en Newton.metroY ω es la velocidad angular en radianes/segundo

CALOR APORTADO AL CICLO

Se refiere al calor aportado al ciclo debido a la combustión del combustible, es decir el producto del poder calorífico (kcal/kg o kcal/litro) del combustible y la cantidad de combustible empleada.

Q= Pc.V

10.- AUMENTO DE LA POTENCIA DE UN MOTOR

Para conseguir mayor potencia útil, evidentemente habrá que partir de una mayor potencia absorbida, es decir, habrá que consumir más combustible. Pero, como en el interior del cilindro se produce una reacción de combustión en la mezcla de combustible y aire, al aumentar la cantidad de combustible necesitaríamos aumentar también la cantidad de aire. Para ello se han considerado las siguientes soluciones:

• Aumentar la cilindrada: Ello se hace poniendo mas cilindros o aumentando la cilindrada de cada uno de ellos. Mas caro.

• Aumentar régimen de trabajo. Es decir, aumentar el número de revoluciones por minuto a las que trabaja el motor. Esto tiene el inconveniente de someter a un mayor esfuerzo y desgaste, luego sería problemático.

• Aumentar el llenado: Es decir, facilitar el llenado del cilindro en el tiempo de admisión, aumentando el diámetro de las válvulas de admisión o su número y mejorando la aerodinámica interior d elos tubos.

• La solución mas acertada es la sobrealimentación: consiste en comprimir el aire antes de introducirlo en el cilindro, con lo que se consigue disponer en un mismo volumen de una mayor cantidad de aire. Para conseguir esta compresión se utiliza el turbocompresor(compuesto por una turbina y un compresor). Además se precisa de un intercambiador de calor que utiliza el aire exterior para enfriar el aire comprimido (evitando así que ocupe mas espacio). Este intercambiador se conoce como INTERCOOLER.

11.- Motor rotativo de combustión externa. TURBINA (páginas del libro de 2º de Bachillerato de Tecnología Industrial 148 y 149)

12.- Motores rotativos de combustión interna (páginas del libro 150 y151)

13.- LUBRICACIÓN Y REFRIGERACIÓN

Debido al continuo rozamiento de las piezas móviles en contacto, en todo motor es necesaria una adecuada lubricación. Si no existiera esta lubricación el material se desgastaría rápidamente por su excesivo calor, llegando incluso al agarrotamiento o gripaje.

Las partes mas importantes que deben lubricarse en un motor son las paredes del cilindro, las articulaciones de las bielas, los cojinetes del cigüeñal, el árbol de levas, las válvulas, los balancines y los engranajes.

La lubricación se realiza mediante un circuito de aceite a presión que se halla situado debajo de la bancada (en el cárter). La bomba de aceite lo recoge allí y lo distribuye a todas las partes necesitadas.La refrigeración del motor es realizada;:

• por aire (en pequeños motor gracias al movimiento del vehículo o a ventiladores apropiados) o agua.

• Por agua (circulando en cámaras que rodean los cilindros y la culata, que al calentarse pasa al radiador donde se enfría por acción de corrientes de aire que crea un ventilador).