Motores alternativos de combustión interna

Energía mecánica. Ciclo de cuatro tiempos. Lubricación y refrigeración. Potencia. Rendimiento. Turbo

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6.5 MOTOR ALTERNATIVO DE

COMBUSTIÓN INTERNA

La característica principal de un motor de alternativo es que transforma la energía térmica en energía mecánica.

  • Partes de un motor alternativo de combustión interna

La parte estructural fundamental del motor la forman la bancada y el bloque sobre los que van montados los demás elementos del motor.

El pistón va en el cilindro y va unido a la biela mediante un bulón. La biela transmite el movimiento del pistón a la manivela del cigüeñal, el cual está soportado por cojinetes sobre la bancada, transformando el movimiento lineal en rotativo. En la parte superior va la culata y el espacio que queda entre el pistón y la culata es la cámara de combustión. La entrada del fluido(gasolina o gasoil) y la salida de los gases se realizan a través de válvulas que se encuentran en la parte superior de la culata y están sincronizadas mecánicamente.

  • Principio de funcionamiento

El motor realiza un ciclo operativo. Este puede ser de cuatro tiempos o dos tiempos.

El ciclo de cuatro tiempos completo se realiza en cuatro carreras del pistón.

  • Primer tiempo admisión: El pistón desciende desde el punto muerto superior (PMS)haciendo que entre aire y combustible por la válvula de admisión.

  • Segundo tiempo compresión: la válvula de admisión se cierra cuando el pistón llega al punto muerto inferior(PMI), comienza a subir de nuevo comprimiendo la carga.

  • Tercer tiempo expansión: Antes de que finalice la carrera de compresión se produce la inflamación y proyecta el pistón hacia abajo, produciéndose trabajo.

  • Cuarto tiempo escape: Una vez llega al Pise abre la válvula de escape, el pistón asciende expulsando los gases de la combustión.

De los cuatro tiempos anteriores el único que realiza trabajo es el tercer tiempo mediante un mecanismo llamado volante de inercia.

El ciclo de dos tiempos completo se realiza en dos carreras de pistón.

  • Primer tiempo: Cuando el pistón está en el PMS se produce la inflamación, empujando el pistón y abriendo la lumbrera de escape. A medida que el pistón baja empuja los gases de combustión hacia la lumbrera de escape.

  • Segundo tiempo: El pistón comienza a subir desde el PMI entrando la mezcla de aire y combustible y luego cierra la lumbreras de escape. Al subir comprime el fluido.

Existen dos subgrupos de motores, los de encendido por chispa(Ech) y los motores de encendido por compresión(EC).

  • En los motores de encendido por chispa el combustible se mezcla generalmente con el aire antes de entrar en el cilindro. Anteriormente se solía hacer en un carburador pero últimamente se hace con sistemas de inyección. El encendido de la mezcla se produce por una bujía. El combustible es la gasolina.

  • En los motores de encendido por compresión solo entra aire y es comprimido fuertemente ya que al inyectar el combustible(cerca del PMS) se debe inflamar directamente. El combustible es el gasoil.

A los dos tipos de motores se les puede sobrealimentar introduciéndoles mas aire y combustible del que admiten normalmente.

En el estudio teórico de los motores se realizan análisis termodinámicos elementales y se suele simplificar. Los procesos termodinámicos que tienen lugar según el diagrama son los siguientes. El encendido por chispa se utiliza un ciclo termodinámico llamado ciclo Otto.

  • Tramo 1-2. Se realiza la compresión adiabática del fluido de trabajo.

  • Tramo 2-3. Absorción instantánea de calor en el momento de la explosión

  • Tramo 3-4. Expansión adiabática del pistón

  • Tramo 4-1. Extracción instantánea del calor

El ciclo teórico para el motor de encendido por compresiones el ciclo diesel.

  • Tramo 1-2. Compresión adiabática, es decir , sin introducción ni extracción de calor.

  • Tramo 2-3. Absorción de calor que se realiza manteniendo la presión constante.

  • Tramo 3-4. Expansión adiabática.

  • Tramo 4-1. Cesión de calor manteniendo el volumen constante.

Estos son diagramas teóricos ya que hay diferencias notables entre los reales y se llaman diagramas indicados y este es un ejemplo.

  • Lubricación y refrigeración de un motor

Debido al rozamiento de las piezas móviles en contacto , en un motor es necesaria una adecuada lubricación.

La lubricación se realiza mediante un circuito de aceite a presión. El aceite se hala en el cárter. Desde allí lo toma la bomba de aceite y se distribuye a todas las partes que lo necesitan.

La refrigeración del motor suele estar realizada por aire o por agua.

La refrigeración por aire es utilizada en pequeños motores. El motor está provisto de aletas que aumentan su superficie de refrigeración. En estos motores una corriente de aire enfría el cilindro. Puede ser mediante un ventilador o por el movimiento del vehículo.

En la refrigeración por agua , los cilindros están rodeados por una cámara de agua que al calentarse pasa al radiador para enfriarse.

  • Balance energético

Una de las pérdidas más importantes la constituyen los gases de escape. Estos gases son expulsados a altas temperaturas y existen métodos para aprovechar esa energía y aumentar la potencia y no el rendimiento. Otra pérdida es la que ocasiona el agua de refrigeración. Y por ultima todos los elementos calientes del motor.

Se cumple que: Poder calorífico del combustible = trabajo obtenido + pérdidas

Pérdidas = pérdidas agua refrigeración + pérdidas gases escape + pérdidas radiación calorífica.

  • Potencia y rendimiento

La potencia es:

Pi = Wi · n

Donde W(i) es el trabajo indicado y n el numero de ciclos por tiempo. Por otra parte, la potencia efectiva P(e) es la que se obtiene a la salida del motor. Otra relación sería: nm = Pe / Pi

Siguiendo con los parámetros adimensionales seria W la cantidad de trabajo y Q la cantidad de energía consumida. y seria:

Nt =Wi /Qi

Esto nos viene a decir que un motor tiene un rendimiento de un 30% y que no se aprovecha toda la energía utilizada.

  • Sobrealimentación. Fundamento del motor Turbo.

Un motor funciona porque quema una mezcla de aire y combustible. Podemos deducir que a mayor cantidad de combustible mayor energía, y, por consiguiente, mayor potencia para el motor. Para aumentar la potencia del motor aumente es necesario que entre mas aire y eso es lo que hace el turbo meter aire comprimido.

Aumentar la presión es fácil ya que se consigue con un compresor. El problema esta en dar la energía necesaria al compresor y se soluciona aprovechando la energia que poseen los gases de combustión.

Una turbina es el dispositivo inverso a el compresor, disminuye la presión de los gases cediendo trabajo. Este trabajo se aprovecha para el compresor. De esto estas maquinas procede el nombre de turbo-compresor.

Hay un factor muy importante que no hemos tenido en cuenta y es que en el tubo de escape el aire sale a alta temperatura y esto es perjudicial para aumentar la potencia. Este problema se soluciona con un intercambiador de calor y de ahí proviene el término inglés Turbo intercooler.

  • Aplicaciones

Los motores alternativos tienen muchas aplicaciones. Los motores de encendido por chispas son menos pesados y tienen costes más bajos y por eso se utilizan para automóviles, motocicletas o aviones. Los motores diesel se utilizan para potencias más grandes y más economía de combustible. Se aplican a camiones, autobuses, trenes y barcos , pero, actualmente se montan en automóviles gracias a los avances que se han dado.

Principios de funcionamiento

de los circuitos frigoríficos

En la vida moderna, los equipos de refrigeración tienen un papel destacado como la conservación de los alimentos y en la medicina.

El principio de funcionamiento de los ciclos de refrigeración y de las bombas de calor está en el ciclo de Carnot. Es un ciclo termodinámico reversible, que opera entre dos focos térmicos: uno a temperatura caliente Tc y otro a temperatura fría Tf.

El ciclo de Carnot permite hacerse una idea del máximo rendimiento teórico, esto se resume en lo que se denomina corolarios de Carnot.

Aquí se muestran cada una de las etapas del ciclo de Carnot.

El rendimiento de un ciclo seria:  = Qf / Wciclo =Qf / Qc-Qf = Tf / Tc - Tf

Dónde Qf es el calor que se extrae delo foco frío, y Wciclo el trabajo que hay que aportar en la compresión

sin embargo el ciclo de Carnot es ideal y por tanto no puede llevarse a cabo en la realidad. Fundamentalmente, hay dos tipos de refrigeración: los de vapor y los de gas.

  • Sistemas de refrigeración de vapor

En este caso se utilizan fluidos criogénicos como el diclorofluorometano, que están sometidos a sucesivas condensaciones y evaporaciones para conseguir el descenso de la temperatura.

Proceso 1-2. Compresión de una mezcla de liquido y vapor convirtiéndolo en vapor saturado. La temperatura aumenta de Tf a Tc y la presión aumenta consumiendo trabajo.

Proceso 2-3. Cesión de calor desde el refrigerante hacia Tc. El vapor saturado entra en el condensador y sale como liquido saturado. Tf y la presión permanece constante.

Proceso 3-4. Expansión en una turbina desde liquido saturado hasta una mezcla de líquido y vapor .Se produce trabajo y la presión y temperatura disminuye de Tc a Tf

Proceso 4-1. Absorción de calor por parte del refrigerante que entra en el evaporador como una mezcla de líquido y vapor que va aumentando la cantidad de vapor. La temperatura permanece constante Tc

  • Sistemas de refrigeración de gas

En estos sistemas se emplea el aire como elemento refrigerante y la disposición que se utiliza normalmente para realizar este ciclo es el siquiente:

Desde 1 a 2 el gas se expande desde una presión P1 a una presión P2 en una turbina y produce un trabajo que es aprovechable. De 2 a 3 el aire qué está a una presión P2 pasa por un intercambiador de calor, manteniendo la presión y aumentando su temperatura. De 3 a 4 el gas se comprime en un compresor desde la presión P2 a una presión P1 , y aumentando su temperatura. Por ultimo, el gas pasa por un enfriador a presión constante y vuelve a tener las mismas condiciones que poseía al comienzo del ciclo. El ciclo sería:

= q2 / q1-q2 = 1 /T4 - T1 -1/T3 - T2

  • Aplicaciones

Una aplicación inmediata es la conservación de los alimentos, medicina, industrias metalúrgicas, químicas, y actualmente muy usado el aire para confort humano.

6.7. Elementos fundamentales

de un equipo frigorífico

En la figura 6.24 volvemos a ver el esquema de un equipo frigorífico donde están todos los elementos fundamentales.

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El compresor es el encargado de aspirar los vapores fríos y descargarlos a una

mayor presión y temperatura a la entrada del condensador.

El condensador es un intercambiador de calor, el fluido refrigerante cede calor al medio ambiente exterior. A la entrada entra vapor y a la salida liquido saturado a la misma presión. Los condensadores pueden ser de aire que funcionan de forma natural o ayudada con un ventilador, o los de agua que son de tubos concéntricos a contracorriente y de inmersión.

Los elementos de expansión como la turbina reducen la presión del liquido a la salida del condensador hasta el evaporador.

El evaporador permite que el fluido refrigerante absorba calor a una mezcla constante

6.8. Bomba de calor. Aplicaciones

El objetivo consiste en aportar calor a un recinto que se encuentra atemperatura Tc, desde un foco cuya temperatura Tf es inferior. En la figura 6.25 se muestra el esquema de una bomba de calor. La fórmula sería:

 = Qc/Wciclo

donde Qc es el calor que se cede.

Como Wciclo = Qc - Qf, en una bomba de calor  será siempre mayor que uno.

Las fuentes de calor que se utilizan para transferir energía al fluido a su paso por el evaporador pueden ser aire ambiental, agua, etc.

Estos equipos también pueden usar como refrigeradores sise incluye una válvula reversible que invierta las funciones del evaporador y del condensador. Si pretendemos calentar el intercambiador debe actuar como condensador y si queremos enfriar debe actuar como evaporador. Estos sistemas se utilizan para los aparatos de aire acondicionado reversible o climatizadores.