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MOTORES TRMICOS
Motores de Combustin Interna AlternativosIntroduccin. Elementos Constructivos. Clasificacin
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INTRODUCCIN A LOS MOTORES DE COMBUSTININTERNA ALTERNATIVOS
INTRODUCCIN A LOS MOTORES TRMICOS
MOTOR DE COMBUSTIN INTERNA ALTERNATIVO
CARACTERSTICAS PRINCIPALES
ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS DE LOS M.C.I.A.
CLASIFICACIN DE LOS M.C.I.A.
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INTRODUCCIN A LOS MOTORES TRMCOS
Definicin de Motor Trmico: Conjunto de mquinas Transforma Energa Trmica en Mecnica Q W Sometiendo a un fluido compresible a un ciclo termodinmico.
MOTOR TRMICO
Combustin Interna Combustin externaSe aporta calor mediante un procesode combustin en el seno del fluido
Ciclo abierto
Se aporta el calor al fluidomediante un sistema deintercambio de calor
Habitualmente ciclo cerrado
Motor de combustin interna rotativo(Wankell)
Maquina de vapor (cicloabierto)
Motor Stirgling (motoralternativo) pequea potencia
Motor decombustin internaalternativo:Transporte: terrestrey areo (pequeapotencia)Energa mecnica yelctrica
Turbina degasHabitualmentecombustininterna.
Aviacin yproduccin deelectricidad
Turbina de VaporProduccin de electricidad
Turbina de VaporTurbina de Gas
Motor de Combustin Interna alternativo0.1 kW 1 kW 10 kW 100 kW 1 MW 10 MW 100 MW 1 GW 10 GW
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MOTOR DE COMBUSTIN INTERNA ALTERNATIVO
Admisin Compresin Combustin Expansin Escape
0
5
10
15
20
25
-360 -270 -180 -90 0 90 180 270 360
ngulo ()
Pres
in
(bar)
CombustinArrastrado
Presin ambiente
Volumen
Presin
Qent
Qsal
Wsal
Went
W bombeo
MOTORTRMICO
Qent
Qsal
Went Wsal
Foco fro: ambiente
Foco caliente: Combustin
RENDIMIENTO TERMICO DEL MOTOR
comb
ambCarnot
ent
salent
ent
entsalciclo T
T
1Q
Q
WW
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CARACTERSTICAS PRINCIPALES DE LOS M.C.I.A.
El gran desarrollo de los motores de combustin interna alternativos se debe auna serie de caractersticas entre las que se pueden destacar.
Posibilidad de poder quemar combustibles lquidos de elevado podercalorfico (posibilidad de transportar mucha energa con muy poco peso).
Esta caracterstica les hace muy importantes en el campo de la automocinya que condiciona la autonoma del vehculo.
Les permite competir con ventaja frente a los vehculos elctricos los cualesla energa almacenada en la batera pesa mucho ms.
Rendimiento trmico aceptable, dependiente del tamao del motor peroque se mantiene bastante acotado para diferentes grados de carga yregmenes.
Esta caracterstica es de gran importancia en todas las aplicaciones en lasque la potencia que se necesite no sea constante.
Cuando esta condicin junto con la autonoma son determinantes los
M.C.I.A. no tienen competidores.
Amplio campo de potencias desde 0.1 kW hasta 32 MW
Su campo de aplicacin va desde modelismo hasta grandes motoresmarinos o estacionarios.
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ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS DE LOS M.C.I.A.
CILINDROConduce al pistn en su movimiento y es el elemento central del sistema decompresin.
BLOQUE DE CILINDROS Y BANCADASobre el bloque se apoyan las dems partes del motor por lo que su rigidez esesencial para el buen funcionamiento del motor.
El bloque debe poseer de conductos interiores para llevar el aceite a presin alos diferentes cojinetes que soportan el cigeal as como conductos parallevar el aceite a la culata que a su vez tiene conductos para llevar el aceite alrbol de levas o de balancines.
CULATAEs la pieza del motor de diseo ms complejo por la cantidad de funciones yrequerimientos que debe cumplir. Puede haber una para todos los cilindros(motores pequeos), o una para cada cilindro o par de cilindros (motores msgrandes).
La culata por lo general tiene que alojar los siguientes elementos:
Conductos de admisin y de escape (pipas de admisin y escape): estosconductos empalman con los colectores de admisin y escape
Asientos de Vlvula: suelen ser postizos de material duro y resistente alchoque.
Guas de vlvulas: Es la pieza sobre la cual desliza la vlvula, suele ser dealeaciones especiales y mecanizadas con gran precisin para conseguir unbuen centrado y mnimas fugas:
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Circuitos de refrigeracin:tienen que ser de tal manera que minimicen las
tensiones trmicas debidas a grandes diferencias de temperatura entrepuntos muy prximos. Junta de culata: sirve para evitar las fugas en la unin entre cilindro y
culata, tambin sirve de junta en las uniones de los conductos de agua yaceite entre bloque y culata.
PISTN Y SEGMENTOSEl pistn transmite la fuerza de los gases a la biela (requerimientos deresistencia mecnica), debe ser lo ms estanco posible al paso de gases decombustin al crter y de aceite del crter a la cmara de combustin, para elloleva a su alrededor unos aros metlicos que se ajustan al cilindro (segmentos).Por ser piezas mviles deben pesar lo menos posible y es difcil de refrigerar.
Segmentos deestanqueidad
SegmentoRascador
Segmento de fuego
Aceite
CIGEAL Y BIELASe encargan de transformar el movimiento alternativo en rotativo quesuministre un par til. Suele estar fabricados en fundicin o forjado y encualquiera de los dos casos posteriormente mecanizado. En algunos casos,como en los pequeos motores de dos tiempos con barrido por crter, elcigeal consta de dos piezas unidas por un buln sobre el que se coloca labiela.
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VLVULASSon las encargadas decontrolar el paso de fluido porla cmara de combustindurante el proceso derenovacin de la carga. Laforma ms comn de lasvlvulas es la denominada deplato.
La vlvula ms solicitada es lade escape por que latemperatura del fluido cuandopasa por ella es muy alta.
SISTEMA DEDISTRIBUCIN
Agrupa a todos loselementos mecnicos queprovocan la apertura y cierrede las vlvulas, debe estarsincronizado con elmovimiento de pistn
(cigeal) y completa unciclo de funcionamiento cadados vueltas del motor (elrbol de levas gira a la mitadde revoluciones que elcigeal).
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ESQUEMA GENERAL DE UN MOTOR DE COMBUSTIN INTERNAALTERNATIVO
CRTER
ACEITE
CIGEAL
REFRIGERANTE
PISTN
VLVULA
PIPA
LEVA
BOMBADE
ACEITE APRESIN
SEGMENTOS
BULN
EJE RBOLDE LEVAS
BIELA
TAPA DE BALANCINES
CULATA
BLOQUE MOTOR
CMARA DECOMBUSTIN
TAPA DEL CRTER
JUNTACULATA
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CLASIFICACIN DE LOS M.C.I.A.
SEGN EL PROCESO DE COMBUSTIN
Motor de encendido provocado(MEP, motor Otto)
Por lo general el combustibleentra en el cilindro ya mezcladocon el aire.
Al final de la compresin se
dispone de una mezcla de aire ycombustible ms o menoshomognea.
La combustin se inicia por unacausa externa, generalmente unachispa elctrica.
Motor de encendido porcompresin (MEC, motor Diesel)
El fluido admitido en el cilindro essolo aire sin combustible.
Al final de la carrera de
compresin (mayor que en losMEP) se inyecta en el cilindro elcombustible y debida a las altastemperaturas y presiones elcombustible se autoinflama.
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SEGN EL MODO DE REALIZAR EL CICLO
Motores de 4 Tiempos
Se realiza un ciclo cada dos vueltas del motor. Existen unos procesos diferenciados para renovar el fluido que evoluciona.
Motores de 2 Tiempos
Se realiza un ciclo cada vuelta del motor. El fluido se renueva mientras el pistn est en la parte inferior de su carrera. Se utiliza para pequeas potencias (sencillez barrido por carter y potencia
especfica) y grandes potencias (potencia especifica). En barrido por carter la lubricacin se hace con aceite mezclado con el
combustible.
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SEGN EL TIPO DE REFRIGERACIN
La refrigeracin es necesaria para acotar la temperatura de ciertas partes delmotor.
Refrigeracin por aire (directa)
El calor se transmitedirectamente al aire a travsde unas aletas colocadas en elcilindro.
Es ms barato y fiable. Es ms ruidoso y voluminoso. A veces se usa una soplante
para mover al aire.
Refrigeracin por lquido(indirecta si se usaintercambiador)
El motor cede calor al mediorefrigerante (casi siempreagua) que acta como agenteintermedio entre el motor y elaire.
Se necesita una bomba paramover el refrigerante.
El refrigerante suele ser aguacon alcoholes para evitar lacongelacin y aditivos paraevitar corrosin.
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SEGN EL NMERO Y DISPOSICIN DE LOS CILINDROS
Tiene influencia sobre el tamao y la relacin de aspecto del motorCuantos ms cilindro, mas caro y mas complicado.
SEGN LA PRESIN DE ADMISIN
Motor de aspiracin natural oatmosfrico
La presin del aire cuando entraal cilindro es aproximadamentela atmosfrica o inferior.
Motor sobrealimentado
La presin del aire a la entradaen el cilindro es superior a laatmosfrica.
Esto hace que la masa de aireintroducida en el motor seamayor que en aspiracinnatural, se puede quemar mscombustible (mas potencia)
Es necesaria la utilizacin de uncompresor para conseguir esta
sobrepresin.
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Parmetros Caractersticos.
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PARMETROS CARACTERSTICOS DE LOS M.C.I.A.
CONCEPTO DE DOSADO
PARMETROS GEOMTRICOSPARMETROS INDICADOS
PARMETROS EFECTIVOS
PARMETROS DE PRDIDAS MECNICAS
RESUMEN DE PARMETROS
OTROS PARMETROS
POTENCIA Y PAR EN FUNCIN DE LOS PARMETROS
POTENCIA Y PAR EN FUNCIN DEL REGIMEN
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Parmetros Caractersticos.
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CONCEPTO DE DOSADO
Dosado (F) es el parmetro que caracteriza la mezcla aire-combustible:
F =Masa Combustible
Masa Aire
m
m
m
m
f
a
fcc
acc
mcc Masa por Cilindro y Ciclo (Kg)
m Gasto Msico (Kg/s)
iZn1
x
i=Nmero de ciclos por revolucin
Dosado estequiomtrico (Fe) es el dosado que tiene que haber en unamezcla aire combustible para que en la reaccin de combustin no sobre aireni combustible:
22222mn N76.34m
nOH2m
COn)N76.3O(4m
nHC
28x76.3324m
nmn12Fe
Es una propiedad del combustiblePara los combustibles usuales Fe 1/14.5 , 1/15.5.
Dosado relativo (Fr) o riqueza:
ible)de combust(defectoPobre1
uiometrico Esteq1=
le )combustib(exceso de Rico1
FF
F er
Coeficiente de exceso de aire ():
1
Fr
Rangos usuales de dosado relativo:MEC Fr 0.04 , 0.7MEP automocinFr 0.9 , 1.3MEP industrial Fr 0.6 , 0.8
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Parmetros Caractersticos.
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PARMETROS GEOMTRICOS
S Carrera ngulo girado cigealD Dimetro Pistn PMS Punto Muerto Superior (= 0)R Radio muequilla PMI Punto Muerto Inferior (= 180)L Longitud biela S/D Relacin carrera-dimetro
V
VD
Vc
R
L
S=2R
X
PMS PMI
D
ApD
4
2
Ap rea del pistn
V SDD
4
2
VD Volumen desplazado
rV V
V
D C
C
r Relacin de compresin
MEC r 12, 23, MEP r8 , 10V A X VP C X = f( , L, R) VC Volumen cmara de combustinV Z VT D Z N de cilindros
VT Cilindrada de motor
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Parmetros Caractersticos.
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PARMETROS INDICADOS
Son parmetros relacionados con aspectos termodinmicos del ciclo.
V
P
VPMS VPMI
pmi
VD
=
+
+
VD
Trabajo indicado (Wi): Es el trabajo que se obtiene en el ciclo durante lascarreras de compresin y expansin:
W P dVi
Presin media indicada (pmi):
pmiW
V
i
D
Potencia indicada (Ni):
NW
inpmi Vi
i
1 /
D n i i =1/ 2 en 4T
1 en 2T
Par indicado (Ti):Di Vpmi
2i
T
Rendimiento indicado (i): Expresa "la calidad" con que se transforma laenerga almacenada en el combustible en energa mecnica sobre el pistn.
Cfcc
D
Cfcc
i
Cf
ii
HmVpmi
HmW
HmN
HC Poder calorfico del combustible: Energa que se desprende por unidadde masa de combustible quemado.
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Parmetros Caractersticos.
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PARMETROS EFECTIVOS
Parmetros relacionados con aspectos termodinmicos y mecnicos del ciclo.
Potencia efectiva (Ne): Es la potencia que se tiene en el eje del cigeal. Esde menor valor que la potencia indicada porque esta disminuida por lasprdidas que tienen lugar hasta la salida de fuerza por el cigeal.
Par efectivo (Te):
n2N
Te
e
Presin media efectiva (pme):
iVT2
iVnN
pmeD
e
D
e
Para un motor dado el par y la presin media efectiva estn ligados por lacilindrada.
bar15,10pmelentos2TMEC
bar23,5.5pmeesindustrial4TMECbar16,6pmeautomocinMEC
bar25,8.5pmedeportivosMEP
bar14,8pmeturismosMEP
pmedeRango
max
max
max
max
max
Trabajo efectivo (We): Es el trabajo que se obtiene en el eje del cigealdurante un ciclo de trabajo completo.
Wee
N
n i
Rendimiento efectivo (e): Expresa "la calidad" con que se transforma laenerga liberada por el combustible en energa mecnica en el eje (cigeal).
e ef
e
fcc fcc
N
m
W
m
pme V
m
H H HC C
D
C
0.5,0.30MEC
0.45,0.35esindustrialMEP
0.3,0.25MEP
Rangos
e
e
e
e
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PARMETROS DE PRDIDAS MECNICAS
Parmetros que relacionan la energa mecnica existente en el pistn con laque se tiene en el cigeal a la salida del motor.
Estas prdidas tienen tres orgenes:
Prdidas por friccin. Accionamiento de auxiliares. Prdidas de bombeo.
Potencia absorbida por prdidas mecnicas (Npm):
N N Npm i e
Presin media de prdidas mecnicas (pmpm):
pmpm pmi pme
Par de prdidas mecnicas (Tpm):
T T Tpm i e
Trabajo de prdidas mecnicas (Wpm):
W W Wpm i e
Rendimiento mecnico (m): Es la relacin entre la energa mecnica que seextrae a travs del cigeal y la que se obtiene en el pistn.
me
i
e
i
e
i
e
i
pme
pmi
N
N
T
T
W
W
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RESUMEN DE PARMETROS i, e y pm
iINDICADOS: Energa combustible Energa mecnica sobre el pistn
mMECNICOS: Energa mecnica pistn Energa mecnica cigeal
eEFECTIVOS: Energa combustible Energa mecnica cigeal
mie
Para un motor, conocido el rgimen n, el gasto de combustible, el podercalorfico del combustible y uno de los parmetros, es posible obtener el resto.
N(Potencia)
(Rendimiento)
M(Par)
Pm(Presin media)
W(Trabajo)
inV D
D
cfcc
V
Hm
cfccHm1
n21
i2
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OTROS PARMETROS (I)
Rgimen (n): Es la velocidad angular con que gira el cigeal. Suelenutilizarse los tres tipos de unidades siguientes.
n (rev/s)
rpm (rev/min) (rad/s)21
60
2
60
Velocidad lineal media (Cm): Velocidad media con que se mueve el pistn.
Cm 2 S n
Rango de C
MEP turism
MEP deport sMEC automo
MEC 4T ind
MEC 2T len
m a N
os C 8 16 m / s
ivos C 15 23 mcion C 9 13 m / s
ustriales C 6 11 m / s
tos C 6 7 m / s
max
m
m
m
m
m
,
, /,
,
,
Potencia especfica: (puede ser por unidad de masa o volumen)
Nf (vol) =
N
VD (Potencia por unidad de cilindrada)
Nf (mas) =N
mmotor (Potencia por unidad de masa del motor)
Los MEP presentan mayores Nfque los MEC no sobrealimentados.
Los motores 2T presentan mayores Nfque los motores 4T.
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POTENCIA Y PAR EN FUNCIN DE LOS PARMETROS(Concepto de grado de carga)
La potencia suminstrada por un motor alternativo se puede expresar comosigue:
miCerviaTeCaecfe HFFCVinHFmHmN el par se puede expresar de la misma forma dividiendo por la velocidadangular:
miCerviaTe HFFCVi21
M
Podemos hacer un anlisis de la dependencia de cada uno de estos
parmetros y agruparlos:
Parmetros dependientes del combustible y de las condiciones atmosfricas;Fe Dosado estequiomtricoHc Poder calorfico del combustibleia Densidad del aire.C Depende muy ligeramente del dosado, en los motores donde ese
parmetros es importante (MEP a gas) el dosado relativo no vara.
Parmetros de diseo del motor, algunos se eligen y otros indican el grado dexito en el diseo:i Tipo de motor (2T o 4T).VTCilindrada del motor.e Rendimiento efectivo, este parmetro depende de las condiciones de
funcionamiento.
Parmetros de diseo que se modifican en funcionamiento respecto de su valormximo de diseo, podramos llamarlos parmetros de funcionamiento:
v Rendimiento volumtrico: en los MEP. Se modifica para variar el parque suministra el motor, el valor mximo depende ligeramente delrgimen de giro.
Fr Dosado relativo: en MEC se modifica para variar el par, en MEP variapoco en todos los puntos de funcionamiento.
n Rgimen de giro: este parmetro se fija en el punto de equilibro entre elpar resistente y el par motor.
A la relacin entre el par mximo y el par real que est dando el motor se lesuele denominar grado de carga.
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BIBLIOGRAFA
Muoz, M., Payri, F.Motores de Combustin Interna Alternativos.Servicio PublicacionesE.T.S. Ingenieros Industriales, Universidad Politcnica Madrid, 1994. Cap. 1: CaractersticasFundamentales de los MCIA (pp. 3-25).
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Semejanza
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SEMEJANZA DE MOTORES ALTERNATIVOS
BASES DE LA SEMEJANZA
CONSECUENCIAS DE LA SEMEJANZA
IMPLICACIONES DE LA SUBDIVISIN DE LA CILINDRADA
CONSIDERACIONES FINALES
EJEMPLOS:Subdivisin de la cilindradaCurvas de parEstudio comparativo de motores de automocin
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BASES DE LA SEMEJANZA EN MCIA
FINALIDAD:
Sirve para explicar las tendencias que presentan los MCIA al variar sutamao (al variar su cilindrada).
Teora simple (utiliza aproximaciones) y no exacta pero que es unaherramienta til y rpida para el diseo y eleccin de motores segn laaplicacin que se les quiera dar.
CONDICIONES A CUMPLIR POR MCIA SEMEJANTES:
1. Semejanza geomtrica: La relacin entre dos dimensiones geomtricascualesquiera, en uno de ellos, es igual a la relacin entre las dimensionesgeomtricas respectivas, en el otro (motores iguales pero a escala).
2. Trabajar en iguales condiciones ambientales.
3. Trabajar con iguales reglajes
T agua refrigerante
DosadoPunto de encendido
etc.
4. Poseer la misma velocidad media del pistn Cm.
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Semejanza
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IGUALDAD DE LAS PRESIONES MEDIAS EN MCIA SEMEJANTES(I)
IGUALDAD DE PMI EN MOTORES SEMEJANTES:
pmiW
V
i
D
i ii v ia
H mV
H F m
VH F
c fcc
D
c acc
Dc
El rendimiento volumtrico (v) se ver que se puede hacer dependernicamente de relaciones entre magnitudes geomtricas (1), condicionesambientales (2) y Cm(4). As para motores semejantes v se mantiene.
F es el mismo (3).
ia es la misma (2).
Hces el mismo pues se utiliza el mismo combustible.
ia pesar de variar las prdidas de calor se supone que se mantiene.Posiblemente esta hiptesis es la ms alejada de la realidad.
La pmi se puede considerar igual para motores semejantes.
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IGUALDAD DE LAS PRESIONES MEDIAS EN MCIA SEMEJANTES(II)
IGUALDAD DE PMPM EN MOTORES SEMEJANTES:
Las prdidas de rozamiento (pmpmR) se pueden considerar iguales ya quedependen de manera fundamental de Cm (4) y pmi (se mantiene).
Las prdidas por bombeo (pmpmB) son las mismas pues dependenfundamentalmente del v (se mantiene), Cm (4) y relaciones entredimensiones geomtricas (1).
Las prdidas por accionamiento de auxiliares (pmpmA) se suponen que soniguales porque la variacin de la energa necesaria para el accionamiento deauxiliares ser proporcional a la variacin del tamao.
pmpm pmpmR pmpmB pmpmA
La pmpm se puede considerar igual para motores semejantes
IGUALDAD DE PME EN MOTORES SEMEJANTES:
pme pmi pmpm La pme es igual para motores semejantes.
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CONSECUENCIAS DEDUCIDAS DE LA SEMEJANZA DE MOTORES (I)
Nos referiremos a motores monocilndricos aunque los resultados se puedenextender a motores policilndricos con igual o distinto nmero de cilindros,siempre y cuando se guarde la semejanza cilindro a cilindro.
Para dos motores semejantes 2 y 1, siendo 2 ms grande que 1, se define larelacin de semejanza geomtrica como la relacin entre dos magnitudeslineales geomtricas cualesquiera de ambos motores.
L
L
2
1
1
1.- Relacin entre potencias
N = A pme S n iA
2pme C ie
pmp
As la relacin entre potencias:
N
N=
A
2pme C i
A
2pme C i
e2
e1
p2m
p1m
2
La potencia crece con el cuadrado de , no con el cubo como la cilindrada.
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CONSECUENCIAS DEDUCIDAS DE LA SEMEJANZA DE MOTORES (II)
2.- Relacin entre pares
T =pme i V
2
pme i V
2
pme i V
2
eT
T2
T1
TT
e
e
2
1
3
El par crece como la cilindrada, con el cubo de
3.- Relacin entre el nmero de revoluciones
nC
Cm
m
2S
n
n
2SC
2S
12
1
2
m
1
Los motores son tanto ms lentos cuanto ms grandes son.
4.- Relacin entre potencias por unidad de superficie de pistn:
La potencia por unidad de rea de pistn no vara en motores semejantes:
N
A
pme CN
AN
A
e
p
e
p
e
p
mi
2 1
2
2
1
1
La potencia dividida por el rea del pistn da una idea del xito en el diseo.
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CONSECUENCIAS DEDUCIDAS DE LA SEMEJANZA DE MOTORES (III)
5.- Relacin entre potencias especficas:
Tanto la masa del motor como la cilindrada varan con 3.
V
V
1 1D1
D2
3
N
mN
m
N
VN
V
N
N
e
motor
e
motor
e
D
e
D
e
e
2
2
1
1
2
2
1
1
2
1
2
En motores semejantes conforme aumenta el tamao disminuye la potenciaespecfica. Si se quiere mejorar la potencia especfica en un motor grande hayque acudir a la sobrealimentacin o a los motores de 2T.
6.- Relacin entre el cociente calor cedido al refrigerante - calor aportado:
Calor aportado por el combustible cc, HH fccfcccombap mmQ Vara como lacilindrada.
Calor cedido al refrigerante Qn i
refA h T
Depende fundamentalmente del
rea (A) y del rgimen (n).
nn
11
ap, comb1
ap, comb2
1
2
3
Q
Q
AA
ref
ap comb
ref
ap comb
2
2
1
1
2
1
2,
,
Si el coeficiente de pelcula (h) se mantuviese en motores semejantes, elcociente entre el calor cedido al refrigerante y el calor aportado se mantendraconstante. Ocurre que el coeficiente de pelcula disminuye al aumentar eltamao del motor por lo que los motores ms grandes son ms adiabticos.
Realmente el cociente vara con 10.25
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IMPLICACIONES DERIVADAS DE SUBDIVIDIR LA CILINDRADA(II)
Otras implicaciones de subdividir la cilindrada son:
Al subir el nmero de cilindros el par motor es ms regular.
Al subir el nmero de cilindros el nmero de piezas aumenta, si bien son ms
pequeas.
Al aumentar el nmero de cilindros el rgimen del motor aumenta (loscilindros son ms pequeos).
Al subir el nmero de cilindros la vida de las piezas disminuye al aumentar sudesgaste relativo (mayores regmenes).
Al subir el nmero de cilindros las disposiciones constructivas son mscomplicadas (disposicin de cilindros en V,..etc).
En MEP al subir el nmero de cilindros aumenta la trasmisin de calor atravs de las paredes existiendo menos posibilidades de detonacin.
En MEC al subir el nmero de cilindros aumenta la transmisin de calorprovocando: dificultad en el arranque, marcha dura, ms humos, etc.
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CONSIDERACIONES FINALES SOBRE LA SEMEJANZA
En la prctica Cmy pme no se mantienen al variar la cilindrada. Al aumentarla cilindrada Cm y pme bajan por existir criterios ms conservadores en eldiseo.
Sin embargo Cmy pme s que se mantienen bastante constantes cuando setrata de motores para una misma aplicacin. As, la semejanza puede sermuy til en la eleccin de un motor para una determinada aplicacin entrevarios existentes en el mercado.
En la tabla adjunta se relacionan los parmetros ms caractersticos de losmotores, tomando los valores tpicos en funcin del tipo de aplicacin.
TIPO DE MOTOR S/D Cm(m/s)
pme(bar)
Ne/VT(kW/l)
Ne/Ap(kW/cm2)
gef(g/kWh)
Rgimen(rpm)
MEP automocin 4T(1000 cc, 4 cilindros)
0.9 13 10 40 0.2 300 5800
MEP automocin 4T(2000 cc)
0.9 14 9 35 0.2 300 5500
MEP competicin(400 kW)
0.6 23 12 130 0.5 430 12000
MEC automocin 4Tinyecc. indirecta (45 kW)
1.2 11 9 15 0.22 260 4500
MEC automocin 4T (100 kW)aspiracin natural
1.1 10 8 14 0.18 235 2600
MEC automocin 4T (200 kW)sobrealimentado
1.1 10 12 18 0.25 225 2600
MEC Tractor 4T (45 kW)aspiracin natural
1.2 9 6 13 0.14 225 2500
MEC Tractor 4T (75 kW)aspiracin natural
1.2 8.5 6 11 0.13 225 2400
MEC Traccin ferroviaria 4T(1400 kW) sobrealimentado
1 11 16 13 0.40 215 1500
MEC Industrial 4T (10000 kW)sobrealimentado
1.2 8.5 20 8 0.42 200 520
MEC Barco 2T (35000 kW)sobrealimentado 2.2 6.6 13 2 0.42 190 80 - 150
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EJEMPLO DE LA SUBDIVISIN DE LA CILINDRADA (I)
Se tiene un MEP tricilndrico, de 4T, con una cilindrada de 600 cm3y con unarelacin carrera-dimetro igual a la unidad, que suministra una potencia de 35kW a 7500 rpm. (Motor n1).
Se pretende disear un motor semejante al anterior, bicilndrico y quesuministre la misma potencia. (Motor n2).
Relacin de semejanza.Como ambos motores suministran la misma potencia:
14 60
4 60
2
1
22
2 2
11
1 1
2
1
22
12
2
1
2 N
N
zA
c pme
zA
c pme
z
z
D
D
z
ze
e
pm
pm
z
z1
2
3
2122.
Determinacin de las cotas geomtricas, cilindrada y rgimen demxima potencia del nuevo motor.
V D s z D zT1 12
1 1 13
14 4
D
V
zm sT1
1
1
3 2 14
6410
.
D D m s2 1
2
2
7810 .
V
V
z D s
z D sT
T
2
1
2 22
2
1 12
12
31
V V cmT T2 13732
n n rpm2 11
6147
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ESTUDIO DE SEMEJANZA DE MOTORES A PARTIR DE SUS CURVAS DEPAR (I)
400030002000
101,25 Nm
Te
rpm
30 Nm
1000 5000
3500 5250
Las curvas corresponden a dos motores de aspiracin natural, de 4 Tiempos y4 cilindros cuadrados es decir, D/S=1.
Para ser semejantes deben tener la misma presin media efectiva, pme, y lamisma velocidad lineal media del piston, cm.
Suponiendo que la velocidad lineal media es la misma, se puede decir:
2 2S n S n1 1 2 2
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ESTUDIO DE SEMEJANZA DE MOTORES A PARTIR DE SUS CURVAS DE
PAR (II)
Aplicando la ecuacin anterior en los puntos de par mximo se tiene:
22000
602
3000
60S S
1 2
de donde:
S
S1
2
2000
30001,5
Tambin podemos decir:
T Vpme
L pmee T1 1 13
1
1
4
T Vpme
L pmee T2 22
2
3
2
4
de donde se obtiene la relacin ya conocida:
T
T
L
L
e
e
1
2
1
2
3
3
Tomando el punto de par mximo:
101,25
303,375 1,53 3
Por lo tanto, se cumple la relacin y los motores son semejantes.
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ESTUDIO DE SEMEJANZA DE MOTORES A PARTIR DE SUS CURVAS DE
PAR (III)
Para ver si los valores de par son coherentes con el rgimen de giro y lascaractersticas indicadas, suponemos un valor razonable de presin mediaefectiva, por ejemplo 10 bares.
De la relacin entre el par y la presin media efectiva obtenemos:
VT
pmemT
e2
2
2
3 4 4 101,25 (Nm)
10 10 (Pa)0.001272 1272 cm
5
3
La cilindrada de un motor cuadrado (S = D) responde a la frmula:
V S ZTT
S
S4 V
Z
2
3
4
S m2 0,074
La velocidad lineal media del pistn en el punto de rgimen mximo es:
c S n m sm2 2 2 2 2 0.0743500
608.63 /
La velocidad media del pistn toma valores entre 10 y 20 m/s, por lo tanto, losvalores de par de los motores no son coherentes con el rgimen de giro y lascaractersticas indicadas.
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ESTUDIO DE SEMEJANZA DE MOTORES A PARTIR DE SUS CURVAS DE
PAR (IV)
El planteamiento poda haber sido inverso; si se supone un valor razonable deCmde 13 m/s para el rgimen mximo:
SCm 2 n
S13 m / s
2
3500
60
0.110 m2
La cilindrada de un motor ser:
V ZT T S
V 0.110
44 0.004181 m 4181 cm
33 3
3
24
La presin media efectiva mxima (en el punto de mximo par) es:
pmeT
Ve
T2
2
2
4 4 101,25 (Nm)
0.00418 (m304315 Pa 3.04 bar
3
)
Los valores habituales de pme oscilan entre 9 y 11, en consecuencia la presinmedia efectiva a quedado muy pequea lo que redunda en que los valores depar de los motores no son coherentes con el rgimen de giro y lascaractersticas indicadas.
Las curvas de par de los motores corresponden, o bien a motores de pequeacilindrada con una pme aceptable pero que sin embargo no pueden subir derevoluciones hasta los valores habituales, o a motores grandes acordes con elrgimen de giro que no tienen una buena pme.
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ESTUDIO COMPARATIVO DE MOTORES DE AUTOMOCIN
Algunas conclusiones que se pueden extraer del anlisis de las tablas son:
Los MEC tienen una menor velocidad lineal media que los MEP.
Los MEC tienen una menor pme que los MEP y los motoressobrealimentados tienen mayor pme que los de aspiracin natural.
En los MEP la velocidad lineal media mxima crece con la cilindrada.
BIBLIOGRAFA
Muoz, M., Payri, F.Motores de Combustin Interna Alternativos.Servicio PublicacionesE.T.S. Ingenieros Industriales, Universidad Politcnica Madrid, 1994. Cap. 9: Semejanza de
Motores (pp. 215-227).
OTROS:
Revistas de Motociclismo del 1996Autocatlogo 1995 y 1996
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Ciclos Termodinmicos
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CICLOS TERMODINMICOS EN LOS MOTORES DE COMBUSTININTERNA ALTERNATIVOS
INTRODUCCIN
CICLO IDEAL DE AIRE
CICLO TEORICO AIRE COMBUSTIBLE
CICLO REAL EN MEC Y EN MEP
MEDIDA DE PARMETROS INDICADOS
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Ciclos Termodinmicos
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INTRODUCCIN (I)
EVOLUCIN DEL FLUIDO EN EL MOTOR ALTERNATIVO
V
P
VPMS VPMI
+
VD
RENOVACIN DE LA CARGAAdmisin
Escape
CICLO TERMODINMICO BSICOCompresinCombustinExpansin
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Ciclos Termodinmicos
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INTRODUCCIN (II)
CICLO TERICO
Ciclo termodinmico bsico en el que se hacen ciertas hiptesis simplificadoraslas cuales permiten la realizacin de clculos ms fcilmente y sirven demodelos de referencia o comparacin.
Prdidas de calor Proceso de combustin Propiedades del fluido Proceso de renovacin de la carga
1. CICLO IDEAL DE AIREBase terica muy simple, el rendimiento se puede calcular apartir de frmulas
2. CICLO TERICO AIRE COMBUSTIBLE
Se consideran las propiedades del fluido ms prximas a larealidad, el rendimiento hay que calcularlo con mtodosnumricos.
3. CICLO REALSe analiza a partir del diagrama indicador (medidas depresin en el cilindro).
ndice de calidad de un ciclo
Indica la aproximacin entre un ciclo real y uno terico, se define como:
KW
WR
teorico
R
teorico
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CICLO IDEAL DE AIRE (I)
HIPTESIS
1. Calor especifico del fluido constante.2. Sucesin de procesos similar a las del motor real.3. La misma relacin de compresin volumtrica que en el motor.4. La misma aportacin de energa por unidad de masa que en el proceso
real.5. La misma presin y temperatura al inicio de la compresin que en el
proceso real.
CICLO AIRE A VOLUMEN CONSTANTE
La aportacin de calor al fluido se hace instantneamente en el punto muertosuperior al final de la carrera de compresin.
11
1r
Conclusiones principales:
1. El rendimiento aumenta con la relacin de compresin.2. El rendimiento slo depende de la relacin de compresin.3. El rendimiento aumenta con la cual disminuye con el dosado.
Este ciclo suele ser representativo de los motores de encendido provocado.
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CICLO IDEAL DE AIRE (III)
CICLO DE AIRE A PRESIN CONSTANTE
Es una particularizacin del anterior en el que ALFA es 1 y todo el combustiblese quema a presin constante.
1
1 1
11r
Este tipo de ciclo es caracterstico de los motores diesel lentos.
EXPRESIONES RELACIONADAS CON LOS CICLOS
Calor aportado a volumen constante Q
C T rv
1
1
1
Calor aportado a presin constante 1rTC
Q 1
1v
Trabajo obtenido en el ciclo 111rTC
W 1
1v
Temperatura mxima del ciclo TT
rA3
1
1
Presin mxima del ciclo P
P
r3
1
1
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CICLO IDEAL DE AIRE (IV)
COMPARACIN DE LOS DIFERENTES CICLOS
a)Mismo calor aportado y misma relacin de compresin.
El ciclo con mejor rendimiento es el de volumen constante despus el depresin limitada y el de peor rendimiento el de presin constante. Sin embargo
el de presin constante es el que tiene una menor presin mxima.
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CICLO IDEAL DE AIRE (V)b) Misma presin mxima y mismo calor aportado
Para un mismo calor aportado y con limitacin de presin mxima el ciclo conmejor rendimiento es el de presin constante y es el que puede tener mayorrelacin de compresin.
c) Misma presin mxima y misma temperatura mxima
El ciclo con mejor rendimiento es el de presin constante, tambin es el demayor trabajo ya que tiene ms rea.
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CICLO TERICO AIRE COMBUSTIBLE
En este tipo de ciclo el calor especfico aumenta con la temperatura con lo cualempeora el rendimiento.Si Cv crece aportando el mismo calor obtenemos una menor temperatura finalcon lo cual el rendimiento disminuye.
Q = Cv (Tf - Ti)Cv cte < Cv aire < Cv aire-combustible
Cv=cteCv=f(T)
Cv=f(T,F)
P1=1 barT1=320 K
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CICLO REAL EN MEP(II)
Prdidas de tiempo
En el proceso de combustin existe un frente de llama que tiene querecorrer toda la cmara de combustin para que la combustin secomplete.
El tiempo que tarda en recorrerse toda la cmara dependefundamentalmente de:
Naturaleza del combustible y dosado.Forma y tamao de la cmara de combustin.Nmero y posicin de las bujas.Condiciones operativas del motor.
La potencia y el rendimiento mximo se obtienen cuando la combustinest centrada respecto del punto muerto superior.
Combustin progresiva
Debido a que las condiciones de presin y temperatura a lo largo delperiodo de combustin varan, el rendimiento del proceso tambin vara,dando lugar a una prdida.
Prdidas de calor
Es necesario refrigerar la cmara de combustin y esto provoca lasprdidas de calor. La mayor transmisin de calor se produce durante el
proceso de expansin y escape, siendo muy poco lo que se producedurante la compresin. Durante el proceso de admisin el calor setransmite de las paredes al fluido (ganancia de calor).
Prdidas de escape
La vlvula de escape se abre antes del PMI intencionadamente paramejorar el proceso de renovacin de la carga. Lo que se pierde en elproceso de expansin se recupera en el proceso de renovacin de lacarga, por lo que en cierto modo no se pueden considerar comoprdidas.
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CICLO REAL EN MEP(III)
EFECTO DE LA VARIABLES OPERATIVAS
Punto deencendido
Tiene una gran influencia sobre la potencia y el rendimiento, para que lacombustin se mantenga centrada al aumentar el rgimen de giro esnecesario aumentar el avance.
0 Rgimen de giro
A regmenes bajos las prdidas de calor y por fugas aumentan.
Para la misma velocidad de combustin, al aumentar el rgimen de giro,la combustin dura ms angularmente por lo que hay que avanzar elinicio de la combustin para que esta permanezca centrada.
ejemplo:
Si la combustin dura 3ms, a 2000 rpm angularmente esto es:
t360 2000
600 003 36. esto
supone un avance de 18 para que la combustin est centrada en el PMS.
Si el rgimen de giro es 4000 rpm
t
360 4000
60 0 003 72. lo cual supone un avance de 36 para
conseguir el mismo centrado de la combustin.
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CICLO REAL EN MEC (I)
Caractersticas del proceso de combustin en MEC
En los MEC existe un retraso desde que se inicia la inyeccin de combustiblehasta que se inicia la combustin.
El tiempo de retraso va seguido de un aumento brusco de la presin debidoa que se quema gran parte del combustible inyectado durante el tiempo deretraso.
Posteriormente el resto del combustible se quema en un proceso decombustin ms lento durante el proceso de expansin.
La duracin angular de cada una de estas tres fases varan con el diseo ylas condiciones operativas.
MEPMEC
MEC
MEP
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Ciclos Termodinmicos
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BIBLIOGRAFA
Taylor, C. F., The Internal Combustion Engine in Theory and Practice. The MIT Press, 1982.Cap. 2: Air Cycles (pp.22-39). Cap. 4: Fuel-Air Cycles (pp. 67-106). Cap. 5: The Actual Cycle(pp. 107-146).
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Refrigeracin y Lubricacin
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REFRIGERACIN Y LUBRICACIN
OBJETIVOS DE LA REFRIGERACIN
REFRIGERACIN POR LQUIDO
REFRIGERACIN POR AIRE
COMPARACIN ENTRE TIPOS DE REFRIGERACIN
PERDIDAS MECNICAS
TIPOS DE LUBRICACIN
LUBRICACIN A PRESIN
PROCEDIMIENTOS PARA LA DETERMINACIN DE LAS PRDIDASMECNICAS
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OBJETIVOS DE LA REFRIGERACIN
La refrigeracin en los motores de combustin interna alternativos vieneimpuesta por exigencias mecnicas. Desde el punto de vista del ciclo es unaprdida y por lo tanto tiene una influencia negativa en el rendimiento
Disminucin de las prdidas de calor: - Aumento del rendimiento- Motores adiabticos
OBJETIVOS
Acotar la temperatura, lubricacin, dilataciones.
Cilindro: 200 C
Pistn: 200 a 350 C
Culata: 300 C
Vlvula de escape: 700 C
Segmentos: 225 C
Estos valores dependen del tamao del motor y de las condicionesoperativas, por ejemplo la temperatura de las distintas zonas del pistn varacon el rgimen de giro o con la presin media efectiva:
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Radiador: Intercambiador agua-aire ambiente. A bajas velocidades:electroventilador.
REFRIGERACIN POR AIREEl calor transmitido a las paredes se refrigera con el aire por medio de unaleteado en la superficie externa del motor.
En motores estacionarios y de automocin se necesita:
Soplante Carcasa envolvente Elemento de regulacin del
caudal de aire.
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COMPARACIN ENTRE LA REFRIGERACIN POR AIRE FRENTE A LADE POR LQUIDO
VENTAJAS Menor nmero de averas.
Ms autnomo.
Menor inercia trmica.
Menos sensible a variaciones de la temperatura exterior.
INCONVENIENTES
Temperaturas de funcionamiento ms elevadas: v, NOx,problemas de autoencendido.
Problemas trmicos: juegos en fro.
Tamao del motor mayor.
Potencia de accionamiento de la soplante elevada.
Ms ruidos por:
Mayores juegos para compensar dilataciones. Construccin menos rgida (cilindros independientes).
Soplante. Aletas.
Suciedad en aletas: menor refrigeracin y peligro de incendio.
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LUBRICACIN Y PERDIDAS MECNICAS
IMPORTANCIA DE LAS PRDIDAS MECNICAS
Las necesidades derivadas de disminuir las emisiones de CO2 (efectoinvernadero) y el precio de los combustibles fsiles han trado consigo eldesarrollo de una importante lnea de investigacin: egef.
e i m e
i
m
La disminucin del consumo se puede llevar a cabo:
imejorando aspectos termodinmicos del ciclo. mdisminuyendo las prdidas mecnicas.
TIPOS DE PRDIDAS MECNICAS
Por friccin o rozamiento: Debidas al rozamiento entre partes mviles(denotadas por R). pmpmR f (C L CP G pmi + C CI m2 )
Por bombeo: Ocasionadas por el proceso de renovacin de la carga enmotores de 4T (denotadas por B). De accionamiento de auxiliares: Son las prdidas asociadas al
movimiento de aquellos dispositivos arrastrados por el motor: Alternador,bombas, direccin asistida, etc. (denotadas por A).
LA LUBRICACIN EN LOS MCIA (requerimientos)
CONJUNTO DESPLAZAMIENTO TEMPERATURA PRESIN VELOCIDADRELATIVA
Pistn-camisa alternativo alta moderada altaPistn-biela oscilante moderada muy alta bajaBiela-cigeal rotativo baja alta altaCigeal-bloque rotativo baja alta altaLevas-empujadores rotativo baja muy alta bajaVlvula de escape alternativo muy alta baja moderada
El sistema de lubricacin, debe de engrasar las distintas partes del motor yhacer frente a las distintas exigencias que se presentan en cada una de laspartes e incluso refrigerar cuando sea necesario.
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TIPOS DE LUBRICACIN:
Por barboteo: Mediante cucharillas y anillos se proyecta aceite delcarter hacia aquellas superficies que se quieren lubricar.
A aceite perdido: Utilizada en motores pequeos de 2T, la mezclaarrastra en suspensin aceite. Presenta problemas porcontaminacin.
A presin: Es el sistema ms utilizado, ya que cubre las exigentesnecesidades de lubricacin en los motores actuales.
LUBRICACIN A PRESIN
En el circuito de engrase se pueden distinguir 4 partes fundamentales:
Bomba: Suministra la presin al aceite. Conductos de engrase: Por ellos circula el aceite. Filtro: Elimina las impurezas del aceite.
Refrigerador: Mantiene la T del aceite dentro de unos lmites.
B
M
rbol de balancines
rbol de levas
Manmetro
Cigeal
Vlvula de retencin
Vlvula de descargadel circuito
Bomba
Filtro enserie
Filtro en paralelo
Vlvula de descargadel filtro
Taladros en elcigeal
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BOMBA: Son bombas volumtricas habitualmente de engranajes, a la salidade la bomba se coloca una vlvula de descarga para evitar sobrepresiones
con el aceite frio o a regmenes elevados.
La bomba de engranajes posee un gasto msico (mbomba ) proporcional a lasrevoluciones con que gira (nb):
m K nbomba b
FILTRO: Puede estar dispuesto en el circuito de las siguientes formas:
En serie con el circuito:
- El filtro es atravesado por todo el aceite.- Introduce prdidas de carga muy grandes alcolmatarse.
En paralelo con el circuito:
- El filtro no es atravesado por todo el aceite.- Introduce pocas prdidas de carga.
En serie con el circuito y en paralelo con una vlvula de descarga: recogelas ventajas de las dos disposiciones anteriores.
REFRIGERADOR: Se suele colocar en paralelo entrando en funcionamientomediante una vlvula termosttica cuando la T del aceite es alta.
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P
Nb
Gasto de aceite
nb
Potencia absorbidaantes de que acte lavlvula de descarga
Potencia absorbidadespues de que acte
la vlvula de descarga
Caida de presinen el circuito
Presin mximaen el circuito
Caudal que circulapor el motor
Caudal que circula por la
vlvula de descarga
P
Nb
ACEITE FROACEITE CALIENTE
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PROCEDIMIENTOS PARA DETERMINAR LAS PRDIDAS MECNICAS
Se busca fundamentalmente la dependencia de pmpm con Cm.
1.- Mtodo del diagrama indicador
Diagrama indicador pmi
Par resistente pmepmpm = pmi - pme
Tambin del diagrama indicador se puede obtener la pmpmB, ydesconectando sucesivamente los auxiliares se puede obtener la pmpmA. Ases posible determinar las prdidas por rozamiento:
pmpmR pmi pme pmpmB pmpmA
Mtodo exacto. Permite desglosar los componentes de las prdidas. Necesidad de instrumentacin para recoger el diagrama
indicador.
2.- Mtodo Morse
Estando el motor en funcionamiento, se desconecta la combustin en uno delos cilindros midindose la potencia en banco motor. Esta operacin se repitepara cada uno de los cilindros:
Sin combustin en el cilindro 1: Ne
I N N N Ne2 e3 e4 pm1
Sin combustin en el cilindro 2: NeII N N N Ne1 e3 e4 pm2
Sin combustin en el cilindro 3: NeIII N N N Ne1 e2 e4 pm3
Sin combustin en el cilindro 4: NeIV N N N Ne1 e2 e3 pm4
Sumando resulta: N N N N NeI
eII
eIII
eIV
pm 3Ne
Mtodo sencillo.
No se considera la influencia de la presin de los gases.
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3.- Recta de Willans
Se basa en la hiptesis de que gifo lo que es igual ies constante cuando semantiene el rgimen de giro:
gm
cte coniff
i i
m H1
H n=cte
f C C
As:
m cte Nf i = cte pmi V2
n
= cte pmi = cte pme+pmpmD
Si se representa grficamente el gasto de combustible frente a la pmeutilizando como parmetro el rgimen de giro, es posible determinar lasprdidas mecnicas asociadas a cada rgimen:
2500 rpmmf (kg/h)
12
3
8
6
4
2
10864
16
10
14
2 1 0 2pmpm (bar)
2000 rpm
1500 rpm
1000 rpm
pme (bar) Mtodo muy laborioso. La hiptesis de mantenimiento del rendimiento indicado a
rgimen fijo no es buena:- En MEP las variacin de las prdidas de bombeo con elgrado de carga es importante poco preciso en MEP.- En MEC la hiptesis slo deja de cumplirse a grados decarga altos por el aumento del dosado.
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COMBUSTIN EN MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA ALTERNATIVOS
INTRODUCCIN
DESCRIPCIN DE LA COMBUSTIN EN MEP
PARMETROS CARACTERSTICOS DE LA COMBUSTIN EN MEP
COMBUSTIN NORMAL Y ANORMAL EN MEP
VELOCIDADES DE COMBUSTIN
DIAGRAMAS DE PRESIN EN CMARA Y CALOR LIBERADO
AUTOINFLAMCIN, AUTOENCENDIDO Y TIPOS DE COMBUSTIN
ANORMAL
GEOMETRAS DE CMARAS DE COMBUSTIN EN MEP
DISPERSIN CICLICA
DESCRIPCIN DE LA COMBUSTIN EN MEC
PARMETROS CARACTERSTICOS DE LA COMBUSTIN EN MEC
FASES DE LA COMBUSTIN EN MEC
CAMARAS DE COMBUSTIN EN MECCOMPARACIN MEC-MEP
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COMBUSTIN EN MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA ALTERNATIVOS
Proceso de oxidacin del combustible por el aire, que provoca la conversinde la energa qumica que posee el combustible en energa trmica. Esteproceso tiene lugar dentro del cilindro, suponiendo un incremento de presinque permite extraer energa mecnicamediante el movimiento del pistn.
Motor de encendido provocado (MEP)
Habitualmente formacin de la mezclafuera del cilindro.
La combustin se inicia por una causaexterna, habitualmente el salto de unachispa.
La combustin se realiza sobre una mezclade aire y combustible homognea.
La relacin aire-combustible utilizada esten el entorno de la estequiomtrica.
Motor de encendido por compresin (MEC)
El motor admite aire sin combustibleinyectndose combustible (chorro) al finalde la carrera de compresin.
La mezcla se autoinflama comoconsecuencia de la propia compresin.
La combustin se desarrolla sobre unamezcla heterognea.
Siempre trabajan con mezclas con excesode aire.
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DESCRIPCIN DE LA COMBUSTIN EN MEP
En MEP se habla de combustin homognea o premezclada ya que lamezcla que se encuentra en el cilindro es homognea: posee en cualquierpunto el mismo dosado. El sistema de formacin de la mezcla se encuentrafuera de la cmara de combustin.
En MEP la combustin normaltiene lugar en el frente de llamaque es la
superficie que separa la zona frescade la zona quemada.
MezclaQuemada
MezclaFresca
PT
Frente de llama
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PARMETROS CARACTERSTICOS DE LA COMBUSTIN EN MEP
Son parmetros caractersticos:
Tiempo de combustin (tC):Es el tiempo que tarda el frente de llama enrecorrer la cmara de combustin. A este tiempo se le puede asociar unintervalo angular llamado ngulo de combustin C():
c 360 n tC
Gradiente de presin (dP/d o dP/dt): Expresa la velocidad con quecambia la presin a lo largo del ciclo (bar/ bar/s).
Presin mxima de combustin (Pmax):Es el mximo valor de la presindentro de la cmara de combustin a lo largo del ciclo (bar).
El proceso de combustin supone un desarrollo de presin por en cima del
desarrollo de presin asociado al motor arrastrado (sin combustin).
Sin comb.
Con comb.
Pmax
c
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COMBUSTIN NORMAL Y ANORMAL EN MEP
La combustin en MEP puede ser:
Combustin por avance del frente de llama: La zona quemadatrasmite calor al frente de llama, entonces la mezcla que integra elfrente se inflama, pasando a engrosar la zona quemada, provocandoque avance el frente de manera suave y comprimiendo la mezclafresca.
T
x
Tq
TC
Tsq
1 2 3
4
t C
Frente de llama
Zona 1: Umbral elevacin de temperatura.Zona 2: Calentamiento.Zona 3: Combustin.
Zona 4: Prerreaciones.
La presin es la mismapara las dos zonas
Combustin por autoinflamacin: La combustin se origina comoconsecuencia del alto estado trmico (P, T) que adquiere la zonafresca. Es una combustin brusca y rpida. Si la masa de mezclaautoinflamada es grande la autoinflamacin es muy perjudicial para elmotor hablndose de combustin detonante o picado de bielas.
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VELOCIDADES DEL FRENTE, DE COMBUSTIN Y DE ARRASTRE
Velocidad del frente(CF): Es la velocidad con que el frente de llama barre lacmara de combustin (velocidad absoluta).
Velocidad de expansin(CA): Es la parte de la velocidad del frente que esconsecuencia de la expansin de la zona quemada contra la zona fresca(velocidad de arrastre).
Velocidad de combustin (CC): Es la parte de la velocidad del frente que esconsecuencia del trasvase de masa desde la zona fresca a la zona quemadafruto de la combustin (velocidad relativa).
C C CF C A
MezclaFresca
CFMezcla
Quemada
FRENTE
MezclaQuemada
MezclaFresca
Cc
Combustin
COMBUSTIN
MezclaFresca
CAMezcla
Quemada
TP
Expansin
EXPANSIN
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VELOCIDAD DE COMBUSTIN LAMINAR
LLAMA LAMINAR LLAMA TURBULENTA
La velocidad de combustin laminar(CCL) es aquella con la que progresa elfrente en ausencia de turbulencia.
CCLdepende de:
Temperatura de combustinTC(mucho)
Presin (poco)
Composicin de la mezcla
Los factores que afectan a CCLson los que afectan a TC:
Residuales T CC CL Humedad T CC CL
Dosadoes el factor que ms influye. Se define un dosado relativo demxima temperatura (FrTmax), ste es ligeramente rico (1.05) siendo eldosado para el cual la velocidad de combustin laminar es mxima:
Si Fr rTmax r C CL< F F T C
Si Fr rTmax r C CL> F F T C
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VELOCIDAD DE COMBUSTIN TURBULENTA
La turbulencia es el parmetro que ms afecta al proceso de combustin,dando lugar a un incremento del ritmo de propagacin del frente de llama. Ala velocidad de combustin en rgimen turbulento se le denomina velocidadde combustin turbulenta (CCT).
Se define el FSR (flame speed ratio):
FSRC
C
CT
CL 1 C = FSR CCT CL
Los factores que afectan a la velocidad de combustin turbulenta sonaquellos que afectan a la velocidad de combustin laminar y al grado deturbulencia.
CC
FSRCT
C L
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DIAGRAMAS DE PRESIN EN CMARA Y CALOR LIBERADO
Se pueden distinguir tres fases en la combustin:
1FASE (C1): Corresponde con el tiempo desde que salta la chispahasta que se separan los desarrollos de presiones con y sincombustin. Ocupa aproximadamente 15% del ngulo de combustin.
2FASE (C2): Ocupa aproximadamente un 80% del ngulo total decombustin, siendo una combustin muy rpida y turbulenta.
3FASE (
C3): La combustin se hace ms lenta y concluye.
C1 C2 C3
Sin Combustin(motor arrastrado)
Con Combustin
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AUTOINFLAMACIN EN MEP
Combustin por autoinflamacin La mezcla fresca se inflama por s mismapor estar sometida a altas presiones y temperaturas que son ocasionadascomo consecuencia de la compresin sufrida por la mezcla fresca. Es unacombustin rpida y brusca("descontrolada").
Habitualmente, la combustin por autoinflamacin en MEP se ve precedidapor la combustin normal, ya que al avanzar el frente de llama comoconsecuencia de la combustin normal se produce la compresin de la zonafresca. Se podra hablar as de un % de combustin normal y un % decombustin por autoinflamacin.
sqq
PT
qPT
q
+
La combustin por autoinflamacin es casi instantnea, mucho ms rpidaque la combustin normal, provocando elevados gradientes de presin,con aparicin de ondas de presin a menudo audibles, hablndose entoncesde detonacin o picado de bielas.
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Detonacin
Fraccin de MezclaQuemada por Autoinflamacin
La detonacin es un fenmeno muy peligroso, ya que las vibracionesinducen mayor transmisin de calor a travs de las paredes, pudiendodestruir el motor si el fenmeno es intenso y se mantiene de maneraprolongada.
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ENCENDIDO SUPERFICIAL
Se ocasiona por la aparicin, en determinadas situaciones, de puntoscalientes que son fuentes de encendido, generando frentes de llama encualquier instante del ciclo.
Puntos calientes:
- Electrodo central de la buja.
- Depsitos.
- Zonas mal refrigeradas.
Tipos de encendido superficial:
- Anterior al encendido normal Preencendido.
- Posterior al encendido normal Post-encendido.
Post-encendido Mayores gradientes de presiones.
Preencendido Avance Tendencia a detonar
El preencendido con detonacin es muy peligroso ya que la detonacin
realimenta el efecto de incremento del avance, pudindose llegar adetonaciones de efectos destructivos (wild ping).
El preencendido sin detonacin no es tan peligroso aunque suponemarcha dura (rumble).
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TIPOS DE COMBUSTIN ANORMAL EN MEP
COMBUSTIN ANORMAL
ENCENDIDO SUPERFICIALAUTOINFLAMACIN
PREENCENDIDO POSTENCENDIDO
DETONACIN (KNOCK)
ENCENDIDO SUPERFICIALCON DETONACIN
ENCENDIDO SUPERFICIALSIN DETONACIN
AUTOINFLAMACIN PERSISTENTE (RUN ON)El motor contina girando con el encendido
cortado
ENCENDIDO SUPERFICIAL CRECIENTEAparece cada vez antes en el ciclo, lo que
puede llevar a la destruccin del motor.
PICADO INTENSO (WILD PING)Detonacin como consecuencia
del encendido superficial.
MARCHA DURA (RUMBLE)Ruido sordo distinto al de ladetonacin provocado porfrentes de llama mltiples.
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COMBUSTIN EN MEC
El combustible es inyectado en el interior de la cmara de combustin al finalde la carrera de compresin.
Tan pronto como se inyecta el combustible, se forman las primeras gotasque se evaporan ymezclan con el aire, y debido a las altas P y T empiezanlas prerreacciones qumicas que van a dar lugar despus de un ciertotiempo (llamado tiempo de retraso) a la aparicin de llama porautoinflamacin .
La localizacin del punto donde se inicia la combustin es aleatoria, nodependiendo la inflamacin de la mezcla de un aporte exterior de calor como
ocurra en MEP (encendido provocado), sino que se trata de un fenmeno deautoinflamacin que es consecuencia del elevado estado trmico (P,T) queexiste en la cmara en las cercanas del PMS (encendido por compresin).
El desarrollo de la combustin en MEC depende fundamentalmente de lascondiciones localesde dosado y temperaturade cada punto de la cmarade combustin.
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La llama suele aparecer cuando la distribucin del aire y combustible no estodava homognea, por lo que coexistenlos procesos deformacin de lamezclay de combustin. La duracin de la combustin es mayor en MECque en MEP.
El proceso de combustin est ntimamente ligado a la distribucin delcombustible en el aire, por lo que es necesario:
Buenas caractersticas del sistema de inyeccin.
Elevada turbulenciaen la cmara de combustin.
El diseo de la cmara de combustinen MEC tiene una gran importancia,ya que adems de favorecer la correcta combustin, tiene tambin la misinde propiciar la formacin de una mezcla adecuada. Se distinguen dos tiposfundamentales de cmaras:
Cmara abierta (inyeccin directa). El papel principal en ladistribucin de combustible lo juega el sistema de inyeccin.
Cmara dividida (inyeccin indirecta). El papel principal lo juega laturbulencia obtenida con geometras complejas de la cmara decombustin.
Las relaciones de compresintienen valores entre 12 y 23. Tienen que sermayores que un cierto valor para garantizar el arranque en fro.
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1 FASE: TIEMPO DE RETRASO
El perodo desde que se inicia la inyeccin hasta que se produce laautoinflamacin posee dos contribuciones:
Una asociada a la preparacin de la mezcla aire-combustible en elcilindro (0.1 ms).
Otra necesaria para que se desencadenen las prerreaccionesqumicasanteriores a la autoinflamacin.
Inyeccin Atomizacin Vaporizacin Prerreacciones Autoinflamacin
Preparacin Mezcla Retraso Qumico
Tiempo de Retraso
Tiempo preparacin mezcla
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2 FASE: COMBUSTIN PREMEZCLADA
En esta fase se quema aquella parte del combustible inyectado que ha sidovaporizada y mezclada con el aire.
Los parmetros que caracterizan esta fase son: la elevada velocidad decombustin y el gran aumento de la presin, y est ntimamente ligadacon el tiempo de retraso.
tr Combustin suave
tr
combustible evaporado y mezclado
combustible inyectado
Marcha dura (Pmax)
Al aumentar la combustin premezclada P
ruido
emisiones de NOx
Factores que influyen:
- Tipo de cmara: Abierta o dividida. El tr suele ser menor en cmaradividida por lo que la marcha es menos dura.
- Combustible inyectado durante el retraso
Tiempo retraso
Ley de inyeccin
- Combustible gasificado durante el retraso
Finura gotas chorro
Turbulencia
Prop. fsicas combustible
- Combustible encuentra oxgeno
Penetracin del chorro
Turbulencia
La calidad de la micromezcla (finura de gotas) y de la macromezcla(repartodel combustible en el seno del aire) son condiciones contrapuestas, por lo que
hay que acudir a soluciones de compromiso.
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3 FASE: COMBUSTIN POR DIFUSIN
Perodo que va desde el punto de presin mxima hasta donde acaba lacombustin.
En esta fase se quema todo aquel combustible no quemado en la 2 fase, yaqul que se inyecta con posterioridad a la conclusin de la 2 fase, si lainyeccin no ha terminado.
Pueden darse dos casos:
- La inyeccin termina antesde la conclusin de la 2 fase: La cantidadde combustible que queda por inflamarse y la capacidad de mezclarsecon el oxgeno marca la velocidad de combustin.
- La inyeccin contina tras la conclusin de la 2 fase: El proceso deinyeccin es el que condiciona fundamentalmente la velocidad decombustin.
En motores grandes que giran a bajo rgimen (r
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CMARAS DE COMBUSTIN EN MEC
Las cmaras de combustin tienen una gran influencia en el desarrollo de lacombustin, y su geometra tiene que compaginar:
- No originar elevadas presiones mximas ni gradientes de presin.
- No alargar la combustin
Humos
Las cmaras de combustin se pueden clasificar fundamentalmenteatendiendo al lugar donde se inyecta el combustible, en dos tipos:
- Cmara abierta o inyeccin directa: el combustible se inyectadirectamente en el volumen entre culata y pistn.
- Cmara divida o inyeccin indirecta: el combustible se inyecta enuna precmara independiente al volumen entre culata y pistn.
Se pueden utilizar dos procedimientos complementarios en el diseotanto en inyeccin directa como indirecta:
- Efecto inyeccin sobre pared caliente
Retraso fisico
Retraso quimico ,
con lo que se disminuyen los gradientes de presin, ya que lacantidad de combustible que se quema en la primera fase esmenor.
- La estratificacin de la mezcla: concentracin de combustible enuna zona, lo que evita un aumento excesivo de la presin, ya queno existe suficiente oxgeno para quemar el combustible. Hay quetener en cuenta que con este procedimiento luego aumenta laproduccin de humos, aunque un buen diseo puede favorecer questos se quemen en la cmara de combustin antes de salir por lavlvula de escape.
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Cmara abierta con turbulencia
Cmaras de combustin labradas en el pistn.
El aire alcanza velocidades del orden de 250 m/s con los siguientesprocedimientos:
- En la pipa de admisin, por su propia geometra, o con deflector en lavlvula (v) (efecto swirl).
- Movimiento del pistn, debido a la geometra de ste, en la carrera decompresin (efecto tumble).
El efecto de la turbulencia (movimiento del aire a alta velocidad) mejora elmezclado y consecuentemente reduce el tiempo de retraso, pero presenta elproblema de grietas trmicas en la cabeza del pistn.
Cmara abierta con efecto de pared caliente
El chorro incide sobre una zona caliente de la cmara:
- Parte se evapora rpidamente tr
- Otra parte escurre en forma lquida a lo largo de la pared, con lo que esnecesario que el aire est lamiendo con gran velocidad esta zona.
Pmax y dP/d menos marcha dura inters en motoressobrealimentados.
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CMARA DIVIDIDA O INYECCIN INDIRECTA
La cmara est dividida en dos compartimentosEspacio Muerto
Precamara
Existen diferencias apreciables de presin entre los compartimentos.
Mezcla encomendada a la turbulencia ocasionada por el fluido cuandoatraviesa el estrechamiento que une los dos compartimentos.
Sistema de inyeccin sin elevadas exigencias. Inyector de orificio nicocolocado en la precmara.
Dado que en gran parte la segunda fase de la combustin se realiza en laprecmara, las presiones y gradientes pueden ser ms elevados en sta, noafectando a la vida del motor.
La precmara desemboca tangencialmente en el cilindro, siendo el volumen
de sta al menos un 50% del volumen total de la cmara de combustin.
Una parte de la precmara es de acero especial postizo, poco refrigerado ysituado en zona caliente para funcionar como pared caliente.
La velocidad del aire entre los dos compartimentos llega a ser del orden de500 m/s, lo que supone una prdida de un 5% de la potencia del motor.
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VENTAJAS E INCONVENIENTES
Ventajas de la I.I. frente a la I.D.
- Posibilidad de poder usar combustibles de peor calidad.
- Inyectores de orificio nico con menores presiones de inyeccin ycondiciones del chorro menos crticas. Toleran mayor grado desuciedad.
- Posibilidad de aumentar el dosado, sin produccin de emisiones
intolerables, con lo que aumenta la potencia especfica.
- Toleran mayores regmenes.
Inconvenientes
- Culata ms cara y difcil de conservar. Problemas de grietas trmicas.
- Peor arranque en fro, ya que es menos adiabtico, por lo que se
disean con r>17. Se suele colocar una buja de precalentamiento en laadmisin o unos calentadores en la precmara.
- Turbulencia influenciada por el rgimen, por lo que es difcil obtenerpares elevados a bajas revoluciones.
- Peor rendimiento del motor por:
- Mayores prdidas de la potencia del motor por crear la alta
turbulencia.
- Mayores prdidas de calor.
Los motores de I.D. proporcionan resultados excelentes cuando estncorrectamente mantenidos y funcionando con combustibles adecuados.
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COMPARACIN MEP Y MEC
Comparando el diagrama de presiones de un MEC con el de un MEP, seobservan las siguientes diferencias:
Las presiones mximasde combustin son mayoresen los MEC.
El gradiente de presines mayoren los MEC, lo que les da parte delruido caracterstico que los diferencian de los MEP.
El ngulo de avance a la inyeccin es menor que el avance alencendido.
El ngulo de combustinen MEC es mayorcomo consecuencia deque el proceso de combustin se prolonga durante parte importante dela carrera de expansin.
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