Motores térmicos

Tecnología industrial. Motores de combustión: de cuatro y dos tiempos. Turbomotores. Gasolina, Diesel y Semidiesel. Turbocargador. Stirling. Lubricación y Refrigeración. Efectos medioambientales

  • Enviado por: Sergi
  • Idioma: castellano
  • País: España España
  • 16 páginas
publicidad
publicidad

  • CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES TÉRMICOS

  • MOTORES DE EXPLOSIÓN

  • Éste tipo de motores necesitan algún tipo de mecanismo para poder calentar la mezcla y que se produzcan los gases que accionan el movimiento del pistón. Esto se consigue gracias a la bujía, una pieza que se coloca en la parte superior del cilindro y produce una chispa eléctrica, lo que causa la ignición.

    POTENCIA Y RENDIMIENTO

    La potencia se calcula a partir del trabajo según muestra la expresión Pi=Wi·n

    La potencia efectiva en la salida del motor es rendimiento mecánico = Pe/Pi = (Pe/m·Hc)/(Pi/m·Hc)

    Rendimiento indicado es igual al trabajo indicado / calor indicado

    Factores: temperatura exterior, régimen de giro, poder calorífico del combustible y grado de admisión

    Motor de gasolina

    El motor tipo Otto se utiliza como máquina motriz de los automóviles y de las motocicletas pesantes. En este caso, suelen ser de gasolina, ya que los diesel presentan algunas variantes en cuanto a ciclos, potencia producida y rendimiento; como idea básica del funcionamiento se puede aplicar a todo tipo de motores endotérmicos alternativos. El ciclo es un conjunto de fenómenos en serie después de los cuales se vuelve otra vez a las condiciones iniciales.
    Ciclo de cuatro tiempos: por analogía, en un motor endotérmico alternativo el ciclo comportara un conjunto de operaciones que, una vez realizadas, nos remitirán a las condiciones iniciales, de manera que se permita la creación del ciclo siguiente y se obtenga así un funcionamiento continuo. Un ciclo de trabajo se desenvolupa en dos vueltas del cigüeñal del motor.

    Elementos de un motor de 4 tiempos.

    - El combustible: gasolina+aire. Esta mezcla se realiza fuera del cilindro en el carburador.

    - Elemento de ignición: bujía. Es la que produce la chispa que permite la combustión.

    - El pistón: es el elemento mecánico que se mueve con movimiento rectilíneo alternativo gracias a los gases que se hallan dentro del cilindro.

    - El cilindro: es el espacio donde se encuentra el pistón, y donde se realiza el proceso de combustión.

    - La biela y el cigüeñal: son los mecanismos que transforman el movimiento rectilíneo del pistón en circular. El cigüeñal va conectado al eje del cigüeñal.

    - Las válvulas: de admisión y de escape son las que controlan la entrada de aire más gasolina y la salida de los gases de la combustión. La obertura y cierre de las válvulas se controla por otro eje denominado eje de levas.

    Primer tiempo

    Admisión de la mezcla de combustible. Hemos introducido la mezcla combustible en el cilindro.

    Descripción:

    - El pistón desciende desde el PMS (punto muerto superior).

    - La depresión producida en la parte inferior del cilindro por el descenso del pistón genera una aspiración de la mezcla gaseosa preparada en el exterior que penetra en el cilindro pasando por una válvula (de admisión). El motor se comporta, entonces, como un motor aspirante.

    - El pistón llega al PMI (punto muerto inferior) y realiza un recorrido.

    - La válvula de admisión se cierra. Para hacer este recorrido de admisión del pistón, a sido necesaria una primera media vuelta del cigüeñal.

    'Motores térmicos'

    Segundo tiempo

    Compresión de la mezcla. Hacemos volver el pistón al PMS de manera que quede en posición de recuperar el trabajo realizado en el siguiente tiempo (explosión).

    Compresión de los gases:

    - Contra más comprimidos estén los gases de salida, más importante será la presión en la explosión.

    - Esta compresión calienta los gases y se mejora así la combustión.

    Descripción del proceso:

    - La válvula de admisión está cerrada.

    - El pistón asciende partiendo del PMI.

    - En ascender, el pistón comprime la mezcla aspirada durante el primer tiempo.

    - El pistón llega al PMS.

    - Para realizar este recorrido de compresión a sido necesaria otro segunda media vuelta del cigüeñal.

    'Motores térmicos'

    Tercer tiempo

    Explosión y expansión de la mezcla comprimida (tiempo motor). Permite utilizar, con la ayuda del sistema biela-manivela, la energía desprendida por la combustión de la mezcla (mediante una elevación importante de la presión).

    Descripción:

    - La válvula de admisión está cerrada.

    - El pistón está en el PMS.

    - La mezcla se encuentra comprimida al máximo.

    - Hace falta producir una chispa en el interior de la mezcla comprimida.

    - Se produce la explosión.

    - La presión sobre el pistón aumenta considerablemente.

    - El pistón está lanzado hacia la base.

    - En su recorrido, el pistón arrastra el cigüeñal mediante la biela y le permite hacer una tercera media vuelta, con lo cual hay un trabajo.

    - Los gases se expanden y ejercen una presión decreciente sobre el pistón.

    - El pistón llega al PMI.

    'Motores térmicos'

    Cuarto tiempo

    Escape de los gases quemados. Se evacuan los gases y los residuos de la combustión para permitir la renovación del ciclo.

    Descripción:

    - La válvula de admisión sigue cerrada.

    - El pistón asciende partiendo del PMI y se expulsan los gases quemados por una válvula (válvula de escape), que se mantiene abierta.

    - El pistón llega al PMS.

    - Los gases quemados son evacuados.

    - Para realizar el escape, hace falta otra media vuelta del cigüeñal.

    Al final de este tiempo, se cierra la válvula de escape, se abre la de admisión y el ciclo empieza de nuevo. El movimiento de las válvulas de admisión y de escape está sincronizado con la posición del pistón correspondiente, mediante una transmisión conectada por ruedas dentadas de contacto directo o también por una especie de correa dentada.

    En ambos casos el movimiento de giro sale del cigüeñal y se transmite a un eje de levas que actúan sobre las válvulas y producen la obertura y el cierre en el movimiento justo. Para aumentar el ajuste y el hermetismo entre el pistón y el cilindro y para evitar perdidas de presión, los pistones llevan unas anillas elásticas de ajuste con el cilindro.

    La fuerza de estos motores solo se produce en el tiempo de expansión; los tres tiempos restantes en lugar de producirla, la consumen.

    Estos motores, para evitar sacudidas, debido al carácter extraordinariamente variable de los cuatro tiempos, tienen un volante de regulación, formado por una rueda gruesa que está unida al cigüeñal, el cual, con su inercia, elimina las sacudidas y produce un giro más uniforme.

    Este motor, que consta de dos, cuatro o seis cilindros sincronizados por un cigüeñal común, se utiliza a menudo en motocicletas y automóviles.

    Para facilitar el engrase de las partes de fricción, el motor tiene un depósito inferior (cárter), con un cierto nivel de aceite que se controla mediante una varita sonda. Este aceite lubrica el conjunto cuando las bielas de la parte inferior la baten. Las partes de fricción más alejadas se lubrican enviando el aceite a presión mediante una bomba.

    Después de miles de Kilómetros (según las instrucciones de cada fabricante) el aceite utilizado pierde bastante capacidad lubricante y es necesario substituirlo por otro nuevo.

    'Motores térmicos'

    El motor de dos tiempos

    Motores de combustión interna convierten una parte del calor de la combustión de gasolina en trabajo. No hacen falta válvulas y cada dos tiempos hay una carrera de trabajo, lo que significa que cada revolución del motor produce un impulso. A la gasolina hay que añadir aceite para lubricar el émbolo y el árbol de manivela.

    Así funciona un motor de dos tiempos:

    1. tiempo
    La bujía inicia la explosión de la mezcla de aire y gasolina previamente comprimida. En consequencia de la presión del gas caliente baja el pistón y realiza trabajo. También cierra el canal de admisión A , comprime la mezcla abajo en el cárter, un poco mas tarde abre el canal U y el canal de Escape E . Bajo la compresión adquirida el gas inflamable fresco fluye del cárter por el canal U hacia la cámara de explosión y empuja los gases de combustión hacia el tubo de escape. Así el cilindro se llena con mezcla fresca.

    2. tiempo
    El émbolo vuelve a subir y cierra primero el canal U , después el canal de escape E. Comprime la mezcla, se abre el canal de admisión A y llena el cárter con la mezcla nueva preparada por el carburador.

    El árbol de manivela convierte el movimiento de vaivén del émbolo en un movimiento de rotación.

    MOTOR DE DOS TIEMPOS

    'Motores térmicos'

    'Motores térmicos'



    Características de los turbomotores:

    • Se utiliza el gasoil como combustible.

    • Su principio de funcionamiento es la producción de un par en un eje. Sus partes son:

              1) Generador de gas (compresor + cámara de combustión).
              2) Turbina.

    • Se necesita una fuente de energía exterior para el arranque.

    • Sentido único de giro.

    • Mayor zona de utilización respecto de la relación potencia-velocidad que los Diesel.

    • Rendimiento muy variable.


    Diferencias frente a tracción Diesel:

    1) 'Motores térmicos'
    'Motores térmicos'

    2) La potencia másica en los turbomotores es diez veces superior a la de los motores Diesel.


    Los turbomotores se usan cuando tengamos poco peso en el eje y en servicios rápidos de viajeros.

  • MOTORES DE COMBUSTIÓN (MEC)

  • Partes Fundamentales: Para la compresión del aire que se pondrá en contacto con el combustible y producirá una potencia, cada motor diesel deberá constar de ciertas partes fundamentales. Debe tener una pieza cilíndrica hueca o cilindro, en el interior del cual se deslizará un movimiento de vaivén una pieza llamada émbolo y que se adapta perfectamente a las paredes internas del cilindro. El movimiento del émbolo realiza carreras. Este émbolo debe estar conectado a un mecanismo que controle su deslizamiento. Para este propósito el motor tiene un árbol o eje que gira en unas guías circulares o cojinetes. Este eje tiene una parte doblemente acodada o manivela articulada a otra pieza recta o biela, la cual a su vez se articula el émbolo. La manivela es un mecanismo también utilizado en otras maquinarias y que tiene por objeto transformar un movimiento rectilíneo de vaivén en movimiento circular. O sea, que el émbolo produce la rotación del eje por intermedio de la biela y la manivela. Este eje puede constar de una o más manivelas según sea el número de cilindros a que atiende, y se denomina así, por su forma cigüeñal. Son además necesarias otras partes fundamentales. Son precisas unas válvulas o lumbreras para permitir la entrada del aire en el interior del cilindro y también para la expulsión de los gases quemados una vez que han realizado su trabajo. También es necesario un pulverizador o inyector de combustible para suministrar el combustible en forma de chorro muy dividido antes de quemarse. El pulverizador trabaja de un modo semejante a los pulverizadores que se emplean en el riego de jardines. Para conseguir que el combustible entre a presión se utiliza una bomba llamada bomba inyectora de combustible.

    Cabe consignar que las partes mencionadas anteriormente son las más esenciales de un motor diesel.

    POTENCIA Y RENDIMIENTO

    La potencia se calcula a partir del trabajo según muestra la expresión Pi=Wi·n

    La potencia efectiva en la salida del motor es rendimiento mecánico = Pe/Pi = (Pe/m·Hc)/(Pi/m·Hc)

    Rendimiento indicado es igual al trabajo indicado / calor indicado

    Factores: temperatura exterior, régimen de giro, poder calorífico del combustible y grado de admisión.

    CARACTERÍSTICAS DE LOS MOTORES DIESEL

    Son análogas a los de explosión. Carece de bujías y se incorporan inyectores de combustible. Debido a las grandes presiones con los que trabaja requieren una construcción más robusta con un mayor dimensionado de cilindros y órganos móviles lo que les hace aptos para trabajos duro. Debido a las mayores temperaturas y presiones que tienen que soportar estos motores necesitan una refrigeración muy eficaz y una mayor calidad en los aceites de engrase.

    CLASIFICACIÓN

    Según aplicación y régimen de funcionamiento en:

    Rápidos 2000 a 4000 rpm. Se usa en vehículos de tracción con cilindradas medias.

    Medios 1000 a 1500 rpm. Navegación y ferrocarriles. Cilindradas media-alta. Utilizan petróleo y gasóleos medios.

    Lentos 200 a 500 rpm. Motores estacionarios en centrales eléctricas y utilizan como combustibles aceites pesados.

    Según el ciclo de funcionamiento estos motores se clasifican en motores de 4T, 2T y semidiesel o de culata incandescente.

    MOTOR DIESEL 2T

    Es similar al de explosión de 2T en cuanto a su forma y funcionamiento, pero al ser diesel la alimentación y combustión se realiza comprimiendo aire energía inyectando combustible al finalizar la combustión. Trabaja en un ciclo de 2T con dos carreras alternativas de su embolo que se transforman en un giro de 360º. El llenado del cilindro no se realiza por precomprensión en el carter como en el de explosión 2T, sino introduciendo directamente el aire en el cilindro a través de la lumbrera de admisión situada a la altura de la de escape, ambas próximas al PMI. Debido a esta forma de llenado y al poco tiempo que se dispone para el evacuado de los gases residuales, el barrido es muy deficiente. Para mejorarlo se necesita acoplar un sistema de bomba que introduce y acelere la entrada de aire a presión que facilite el arrastre de los gases residuales fuera del cilindro y que efectúe el llenado con una carga de aire lo más pura posible. En este motor al efectuar el barrido de los gases quemados solo con aire no se desperdicia combustible por lo que su consumo es inferior al de gasolina. Además tiene más rendimiento térmico debido al mayor grado de compresión con que trabaja. Sin embargo como ocurre con el 4T diesel las cargas de trabajo son mayores lo que exige elementos más robustos que hacen disminuir su velocidad de régimen, por esta razón no pueden nunca desplazar al motor de explosión ligero y rápido en aplicaciones de automoción.

    COMPARACIÓN CON EL 4T DIESEL

    Con respecto al 4T diesel y en mimas condiciones de llenado, el 2t da mayor potencia porque gira a doble numero de revoluciones sin embargo por su forma de llenado y evacuado de gases el rendimiento es inferior al 4T, siendo imprescindible un buen barrido de gases cuestión difícil de conseguir con un motor rápido de que dispone para realizarlo, por eso solo se emplea en motores estacionarios y marinos por su sencillez constructiva de elementos de distribución y otros auxiliares. Resultan más económicos sobre todo los modelos lentos y medios donde se pueden efectuar un buen barrido de gases. La potencia útil de estos motores es grande aunque necesitan parte de ella para mover la bomba de barrido.

    FUNCIONAMIENTO DEL 2T DIESEL

    1º tiempo compresión: el embolo se desplaza del P.M.I. al P.M.S. efectuando su 1ª carrera ascendente y un giro de 180º. Al subir el pistón cierra las lumbreras de admisión y escape y comienza la compresión del aire q termina cuando el pistón llega al P.M.S.

    2º tiempo expansión: cuando el embolo esta en el P.M.S. y el aire se halla comprimido se produce la inyección del combustible. Este en contacto con el aire se inflama y produce la combustión del mismo a presión constante hasta el final de la inyección y a continuación se inicia la expansión o carrera de trabajo antes de que el embole llegue al PMI. Se abren las lumbreras de carga y escape y se inicia la salida de gases residuales y la entrada de aire procedente de la bomba. Este aire al entrar a gran velocidad y por propia inercia de los gases residuales arrastran a estos al exterior a trabes del colector de escape con ellos sale gran parte del aire impulsado por la bomba. El aire continua entrando hasta que el embolo con se movimiento y comienza un nuevo ciclo.

    MOTOR SEMIDIESEL

    Este motor generalmente de 2T tiene una función intermedia entre los de explosión y diesel en cuanto a su relación de compresión y forma de realizar el encendido para la combustión de la mezcla. Pertenece al grupo de motores diesel por su alimentación y funcionamiento en un ciclo de 2T con 2 carreras alternativas de su embolo que produce un giro de 360º en el árbol motriz

    Criterios de diseño: ha sido diseñado con el fin de obtener un motor ligero y económico pero a la vez lo suficientemente robusto para su empleo en trabajos duros como en agricultura, navegación fluvial y pequeñas embarcaciones de pesca. Aprovechando la simplificación de elementos y como trabaja a presiones inferiores al diesel (Rel. Compresión"9. Los elementos constructivos del mismo son más económicos. Tiene una estructura más sencilla y más ligera que el diesel lo que origina un menor peso muerto. No necesita bombas de inyección de gran presión ya que la presión de entrada a suministrar por las mismas es muy inferior con lo cual el trabajo empleado para comprimir el combustible es menor.

    Llenado de aire y escape de gases: el llenado del cilindro con aire y el escape de gases residuales se realiza como en los motores de 2T a trabes de lumbreras situadas lateralmente en el cilindro y próximas al PMI. Como la admisión y el barrido se realizan como en los motores de explosión por precomprensión de aire del barrido en el carter, se elimina por tanto la bomba de barrido y de esta manera se simplifica aun más el sistema

    Sistema de combustión y encendido: la combustión se realiza comprimiendo el aire en una recamara de combustión e inyectando el combustible cuando el pistón esta próximo al PMS. Como se trabaja a presiones medias la temperatura alcanzada al final de la compresión no es lo suficiente elevada para producirla por si misma la inflamación de combustible, por lo cual la inyección se realiza haciendo incidir el chorro de combustible sobre una pieza muy caliente (inflamador de incandescencia) Esta pieza se halla situada en la cámara de combustión a una temperatura de 500 a 600 ºC de forma que al chocar el combustible sobre ella se produce la combustión. Debido a esta forma de encendido se les llama motores de culata incandescente por que el calor producido por las sucesivas combustiones mantiene el elemento a la temperatura adecuada para seguir produciendo la inflamación del combustible.

    Ciclo de trabajo: el funcionamiento se realiza como en un 2T, es decir, en 2 carreras o desplazamientos alternativos de su embolo. Se obtiene así un diagrama teórico similar al 2T con aportación de calor a presión constante y escape a volumen constante. Como en todos los motores 2T la mejora del funcionamiento se consigue inyectando el combustible antes de que el embolo llegue al PMS. La combustión se realiza en su mayor parte a volumen constante acortando el recorrido de descenso del embolo durante la combustión y dando un pequeño adelanto a la lumbrera de escape con respecto a la de carga para obtener una mejor evacuación y barrido de gases residuales. En estas condiciones se obtiene un ciclo mixto que se aproxima más al teórico y con mayor rendimiento térmico.

    Descripción del ciclo de trabajo: 1º tiempo: el embolo es su carrera ascendente cierra en primer lugar la lumbrera de carga y a continuación la de escape iniciando la compresión del aire que dura hasta que ese inicia la inyección del combustible la cual se realiza antes de que el embolo llegue al PMS. Durante este recorrido el embolo crea un vació en el interior del carter cuya depresión abre unas válvulas construidas a base de laminas de acero situadas lateralmente en el carter a través de las cuales entra el aire de la atmósfera debidamente purificado para llenar el recinto del carter.

    2º tiempo: poco antes de que el embolo llegue al PMS se inyecta el combustible haciéndolo incidir sobre el punto incandescente de la precámara. Al inflamarse se produce la combustión del mismo que dura mientras se esta realizando la inyección, de esta forma aumenta la presión en la precámara a volumen constante en su 1ª fase hasta que los gases por dilatación, empiezan a salir por el orificio de la misma, presionando sobre la cabeza del embolo el cual inicia su recorrido de expansión a presión constante hasta finalizar la inyección. Finalizada esta, el embolo continua el descenso hasta el PMI en su carrera de trabajo hasta que el llegar a las proximidades del PMI se abre la lumbrera de escape a través de la cual y por diferencia de presión salen los gases quemados a gran velocidad. A continuación se descubre la lumbrera de carga a través de la cual y debido a la presión del aire dentro del carter, este pasa al interior del cilindro, efectúa el barrido de los gases residuales y lo llena de aire fresco para realizar de nuevo el ciclo. Durante su descenso el embolo comprime el aire contenido en el carter entre 1.2 y 1.6 kg/cm2, suficiente para cerrar las válvulas de admisión y efectuar el llenado del cilindro.

    El Turbocargador

    El turbocargador es un sobre alimentador del tipo centrífugo que se usa en motores de 4 tiempos y en algunos casos en motores de 2 tiempos. El turbocargador aprovecha la energía de los gases de escape del motor para introducir aire a alta presión al múltiple de admisión. Con este dispositivo se logra aumentar la potencia de un motor hasta en un 30%.

    El turbocargador consta de una turbina y un compresor acoplados a una única flecha, soportada en bujes o cojinetes radiales, rodeado por un soporte o cubo y dos cubiertas una del compresor y otra de la turbina

    Funcionamiento del Turbocargador

    Los gases de escape del motor se dirigen hacia la entrada de la turbina (garganta) después se reduce su diámetro (en forma de cuerno) y se descargan los gases hacia las aletas de la turbina, para que gire y esto permite, hacer girar en el otro extremo, al compresor, que introduce aire a presión al cilindro. A pesar de no existir ningún acoplamiento mecánico entre el motor y el turbocargador, la velocidad de este se acopla automáticamente a la marcha y a los requerimientos del motor.

    Las principales ventajas del uso de turbocargadores en motores a diesel son:

    Combustión más eficiente

    Ahorro de combustible

    Aumento de la potencia

    No consume potencia del motor

    5) No disminuye la potencia del motor con el aumento de la altura sobre el nivel del mar

    Una precaución que se debe tener en un vehículo turbocargado, es el no acelerarlo antes de apagar el motor, ya que esto puede dañar el turbocargador.

    Diferencias principales entre el motor a gasolina y el Diesel

    ð Un motor a gasolina succiona una mezcla de gas y aire, los comprime y enciende la mezcla con una chispa. Un motor diesel sólo succiona aire, lo comprime y entonces le inyecta combustible al aire comprimido (no tiene bujía). EL calor del aire comprimido enciende el combustible espontáneamente.

    ð Un motor diesel utiliza mucha más compresión que un motor a gasolina. La alta compresión se traduce en mejor eficiencia.

    ð Los motores diesel utilizan inyección de combustible directa, en la cual el combustible diesel es inyectado directamente al cilindro. Los motores a gasolina generalmente utilizan carburación en la que el aire y el combustible son mezclados un tiempo antes de que entre al cilindro, o inyección de combustible de puerto en la que el combustible es inyectado a la válvula de succión (fuera del cilindro).

    Una gran diferencia entre un motor diesel y un motor a gasolina está en el proceso de inyección. La mayoría de los motores de autos utilizan inyección de puerto o un carburador en lugar de inyección directa. en el motor de un auto, por consiguiente, todo el combustible es guardado en el cilindro durante el choque de succión, y se quema todo instantáneamente cuando la bujía dispara. Un motor diesel siempre inyecta su combustible directamente al cilindro, y es inyectado mediante una parte del choque de poder. Esta técnica mejora la eficiencia del motor diesel.

    La mayoría de motores diesel un tapon de luz de algún tipo que no se muestra en la figura. Cuando el motor diesel está frío, el proceso de compresión no debe elevar el aire a una temperatura sufcientemente alta para encender el combustible. El tapón de luz es un alambre calentado eléctricamente (recuerde los cables calientes que hay en una tostadora) que ayuda a encender el combustible cuando el motor está frío.

    El combustible diesel y la gasolina, son diferenes. Huelen diferente. El combustible diesel es más pesado y aceitoso. El combustible diesel se evapora mucho más lento que la gasolina -su punto de ebullición es más alto que el del agua. El combustible diesel se evapora más lento porque es más pesado. Contiene más átomos de carbón en cadenas más largas que la gasolina. Toma menos tiempo refinar para crear el combustible diesel, ya que es generalmente más barato que la gasolina.

    El combustible diesel tiene una densidad de energía más alta que la gasolina. En promedio, un galón de combustible diesel contiene aproximadamente 147x106joules, mientras que un galón de gasolina contiene 125x106joules. Esto, combinado con la eficiencia mejorada de los motores diesel, explica porqué los motores diesel poseen mejor kilometraje que el equivalente en gasolina.

    Algunas aplicaciones de los motores diesel:

    Camiones, Autobuses, tractores, excabadoras , plantas de construcción de maquinaria y equipos mineros: Los motores diesel tiene todas estas aplicaciones. La razón principal es el ahorro de combustible, ya que estos motores gastan menos combustible y a un precio más económico que los combustibles utilizados en los motores de explosión.

    Intalaciones Fijas de fuerza: se utilizan en elavadoras de agua, servicios ferroviarios, intalaciones de fuerza en minas, perforación de pozos petrolíferos e intalaciones provisionales de emergencia.

    Usos navales: Los motores diesel son muy utilizados en servicios marítimos de varias clases, tales como propusión de barcos de pasajeros, lanchas rápidas a motor, transbordadores, remolcadores, barcos de guerra y rompehielos. Las principales razones para emplear estos motores es como siempre el bajo costo de sus combustibles en comparación con el vapor.

  • EL MOTOR STIRLING

  • El motor Stirling fue inventado originalmente por Robert Stirling, en 1816. Nació como competencia a la máquina de vapor, ya que intentaba simplificarla. Perdió el interés después del desarrollo del motor de combustión interna y se ha retomado el interés estos últimos años debido al gran número de características favorables que presenta.

    Un motor de Stirling es un motor de ciclo cerrado, lo cual implica que el fluido de trabajo (un gas perfecto idealmente) está encerrado en el motor y los pistones lo desplazan en las diversas etapas del ciclo. Además, utiliza una fuente de calor externa y por tanto se pueden utilizar un gran número de fuentes: Energía nuclear, combustibles fósiles, calor de desechos, energía solar, etc. Al ser un proceso de combustión externa, el proceso de combustión se puede controlar muy bien, por lo que se reducen las emisiones.

    Descripción del Funcionamiento

    El elemento más destacado del motor es el llamado regenerador. Este tiene la propiedad de poder absorber y ceder calor en las evoluciones a volumen constante del ciclo. El regenerador es un medio poroso, con conductividad térmica despreciable. Divide al motor en dos zonas: zona caliente y zona fría. El fluido se desplaza de la zona caliente a la fría a lo largo de los diversos ciclos de trabajo, atravesando el regenerador.

    Para explicar el ciclo de trabajo, se aportan las siguientes figuras.

    En primer lugar se parte de una situación 1. Los elementos: cilindro, pistón fluido, desplazador. Todo el gas está en la zona fría, y el pistón en la posición inferior.

    'Motores térmicos'

    Cuando el pistón pasa de la posición 1 a la 2, se realiza una compresión isotérmica a la temperatura más baja. El proceso está representado en el diagrama presión-volumen superior.

    'Motores térmicos'

     

    Si se mantiene fijo el pistón y se mueve el desplazador, se hace pasar todo el fluido a la zona caliente, obteniendo un proceso isócoro en el que aumenta la presión sin cambiar le volumen.

    'Motores térmicos'

    En este momento, se puede obtener una expansión isotérmica a la temperatura superior, haciendo bajar juntos el pistón y el desplazador.

    'Motores térmicos'

    Moviendo el desplazador a la posición inicial, se obtendrá otro proceso isócoro que finalizará el ciclo termodinámico reflejado en el diagrama 1-4.

    Teóricamente, los movimientos de pistón y desplazador son discontinuos, lo cual es imposible desde el punto de vista dinámico. En la realidad se utiliza un conjunto biela-manivela, que aproxima los movimientos de las partes.

    'Motores térmicos'

    En este caso, el área del ciclo real es inferior al teórico

    APLICACIONES:

    Refrigerador:

    El ciclo de refrigeración Stirling es el inverso del motor de aire caliente, pues la fuente de calor no es un quemador, sino que, lo que uno desea enfriar. Las aplicaciones en este campo son numerosas:

    • Medio para enfriar equipos electrónicos e imanes superconductores en investigación

    • Secado de materiales por congelación

    • Medio enfriador para licuar helio, hidrógeno y nitrógeno

    • Aparatos de refrigeración varios (containers para trasladar productos congelados).

    Automóvil

    Dentro del sector del automóvil, se han efectuado muchas investigaciones y se ha invertido mucho dinero. Sin embargo, los resultados obtenidos no son los esperados. Una de las mayores dificultades para utilizar motores Stirling en vehículos es que son muy lentos, no reaccionan inmediatamente (cuando montas en el coche, éste no arranca hasta pasados unos segundos)

    En algunos casos, el fluido de trabajo es calentado por radiación solar. La radiación calienta un caloducto que transfiere el calor a los tubos de un intercambiador de calor. La zona derecha del motor incorpora tanto el pistón de trabajo como el desplazador. Al moverse el desplazador. Transfiere el gas desde la zona fría a la zona caliente. Esto lo hace atravesando el regenerador. El enfriamiento en la zona fría es por agua de refrigeración.

    'Motores térmicos'

     

    El movimiento de los pistones (el desplazador y el pistón) se logra por medio de resortes con gas comprimido (el mismo gas de trabajo). La conversión del movimiento alternativo del pistón de trabajo a energía útil se logra por medio de una bobina alternadora (fija) e imanes permanentes acoplados al pistón de trabajo.

    Este sistema permite que el gas de trabajo (típicamente H2) esté sellado.

  • EL MOTOR ROTATIVO WANKEL

  • Funcionamiento

    Los motores Wankel utilizan un engranaje cicloidal, una antigua e inusual forma de engranaje usada en relojes, Sopladores de las Raíces, compresores del tornillo y bombas.

    El motor Wankel se  diferencia enormemente de los motores convencionales. Conserva el producto, la compresión, la potencia, y el ciclo familiar del extractor pero utiliza, en vez de un pistón, de un cilindro, y de válvulas mecánicas, un rotor triangular que gira alrededor del excéntrico.
        Sigue habiendo los tres apexes, o las extremidades, de este rotor en contacto constante, ajustado con las paredes del combustor-chamber. La única otra pieza móvil es el cigüeñal.
        Las dimensiones de volumen y la posición de estos compartimentos son alteradas constantemente por la rotación a la derecha del rotor y la rotación más rápida del excéntrico.
        El ciclo de cuatro tiempos generalmente ocurre con la frecuencia simple de la válvula y del movimiento del motor de dos-tiempos.
        El rotor abre el acceso de la mezcla de combustible y aire, que entran como en el motor convencional (1-4). El rotor continúa, cerrando el acceso de la mezcla pasando más allá de él; entonces la compresión comienza (5-9), seguido por la ignición (9), la combustión , y la extensión para el movimiento de potencia hasta que el sello del ápice en la extremidad del triángulo abre el acceso del escape (10-12). El ciclo de escape entonces ocurre, otra vez sin un mecanismo que sincronice la apertura de la válvula (13-18) y todo vuelve a comenzar..

     



       En todo el ciclo completo de cuatro tiempos el rotor sólo a girado una vuelta, mientras que el eje a dado tres, ya que los engranajes estan a una razón uno a tres.
        En cada una de las caras del rotor sucede lo mismo,  mientras en una cara ocurre la admisión (1-2-3-4) a un tercio de vuelta del rotor (una vuelta completa del eje), en la otra cara se hace la correspondiente compresión (5-6-7-8), salta la chispa ( 9 ) y se inicia la explosión (10-11-12), seguida por el escape (13-14-15-16), en tanto ocurre esto en las otras caras esta ocurriendo la admisión, compresión y explosión, así con todo esto el motor Wankel es como un motor de tres cilindros que ejecutan el ciclo de cuatro tiempos en una sola vuelta de rotor que son tres del eje de salida.

    Desventajas del Motor Wankel

        En el motor los tiempos del ciclo ocurren siempre en el mismo sitio del estator; la admisión y compresión que pueden ser cosideradas fases frías ocurren en la parte superior (Figura 3), mientra que la explosión y el escape, que son fases calientes, ocurren en la parte inferior. Esto implica que un lado del motor alcance temperaturas de 150 ºC y al otro supere los 1000 ºC, lo que provoca problemas de refrigeración por un desequilibrio térmico.
        Otro problema que se ha presentado es el de estanquidad. Cada uno de los tres lóbulos giratorios debe ser impermeable respecto a los otros dos para que no perturben las fases del ciclo. Para esto en el vértice del motor se colocan muelles de berilio u otro material siguiendo los bordes del estator, esta pieza es la que más fallas a tenido.
        El problema de la estanquidad en los vértices se agrava por que la "fuerza centrífuga" y el empuje del engranaje de l rotor se aunan para hacer que el segmento se apriete con gran fuerza sobre la pared curvada del estator, con presión variable en cada vuelta.
        Tiene una baja eficacia en el uso de combustible y además como la punta de la combustión del rotor es muy exacta, si el motor está desincronizado la combustión puede llegar a ocurrir antes de que el rotor este en su posición adecuada, lo que podría producir es que la ignición empuje el rotor contra el ciclo del motor dañándolo.

    Ventajas del motor Wankel

        Este  motor tiene un 40 por ciento menos de piezas y la  mitad de volumen y   peso de un motor comparable a pistones.
        Es de diseño simple, hay muy poca vibración y no hay problemas con la disipación de calor, los puntos calientes, o la detonación, que son consideraciones en el motor convencional del intercambio.
        Los motores de Wankel, la mayoría de los cuales son enfriados por líquido, son capaces de ejecutarse en las velocidades inusualmente altas por períodos del tiempo largos.
        El motor exhibe una curva excepcionalmente alta de relación de transformación de potencia-peso y una buena curva del esfuerzo de torsión a todas las velocidades del motor.
        La ventaja más grande es que dentro del compartimento del rotor están ocurriendo los cuatro ciclos simultáneamente, dando un empuje constante.
        También, el rotor da una mitad de vuelta de revolución por cada rotación completa del eje, comparada con una rotación del eje para un movimiento completo del pistón. Esto da más esfuerzo de torsión por ciclo de la ignición y también requiere menos revoluciones por minuto para obtener la misma potencia que en un motor de pistón.
        Dentro del Wankel, tres compartimentos son formados por las caras del rotor y la pared de la cubierta.
        También este motor necesitaría una gasolina de setenta octanos lo que presenta ya una
    simplificación en la producción de los combustibles.
     

    Usos

        El motor Wankel tuvo que esperar más que los motores a pistones para que su funcionamiento se adecuara con la tecnologia existente, por esto el motor en los años 70 tuvo sus primeros prototipos, como Mazda que ofreció su modelo RX apagado y encendido. Actualmente  Mazda ofrece el RX-7, que utiliza dos rotores que trabajan sincrónicamente para la mayor potencia, y los cargadores gemelos de turbo para el retroceso, agregado más bien que la aplicación tradicional del rotatorio para la economía. Con sus cargadores gemelos de turbo  el motor puede generar 255 caballos de fuerza con 1,3 litros de capacidad (comparada con la dislocación de Chevrolet Camaro de 3,8 litros para 200 caballos de fuerza con cilindros, o 285 caballos de fuerza en los 5,7 litros V8).
        Mazda no es la única compañía que maximiza el diseño de Wankel. El motor rotatorio del motor B, de Leva & Trade;del rand es un prototipo del registro Technologies, es una ramificación del diseño rotatorio que elimina el engranaje complejo de Wankel. Este motor representa nueve años de trabajo y ofrece la última tecnología en materiales: hierro y cerámica de altas temperaturas de fundido.
        El objetivo del proyecto de la Leva & Trade;del rand era diseñar un motor rotatorio diesel de destacada simplicidad, potencia y eficacia. Las tecnologías del registro han logrado esto manejando una relación de transformación de peso-a-caballos de fuerza de cerca de 3/4 libra a un caballo de fuerza (comparados a seis libras por caballos de fuerza en un motor de pistón), y teniendo un total de siete piezas móviles para reducir al mínimo la fricción (seis paletas y un rotor).
        El motor también maneja el esfuerzo de torsión máximo en solamente 1.700 revoluciones por minuto.
        La versión diesel del motor está siendo diseñada por Alliant Techsystems y la universidad de Virginia Occidental, y será el primer motor rotatorio diesel en el mundo.
      Estos éxitos no significan que el Wankel está sin problemas. Los motores RX-7 generalmente se consideran confiables por los primeros seis años, pero luego los sellos comienzan a fallar y las piezas necesitan ser substituidas, para mantener los compartimentos aislados el uno del otro.

  • LUBRICACIÓN Y REFRIGERACIÓN

  • Debido al continuo rozamiento de las piezas móviles en contacto en un motor es necesaria una adecuada lubricación. Si no existiera esta, el material se desgastaría rápidamente calentándose en exceso llegando al gripaje del pistón y la camisa del cilindro. Las partes más importantes a lubricar son las paredes del cilindro, las articulaciones de bielas, cojinetes del cigüeñal, árbol de levas, taques, válvulas, balancines y engranajes.

    La lubricación se realiza por un circuito de aceite a presión. El aceite a presión. El aceite esta en el cárter. Desde allí lo coge la bomba de aceite y lo distribuye a presión a todas las partes que lo necesiten. La combustión producida origina una gran cantidad de calor que eleva la temperatura de sus paredes hasta el extremo de que si no fueran refrigeradas se fundiría. La refrigeración normalmente es realizada por aire o agua:

    ð aire: utilizada en pequeños motores. En estos el bloque motor tiene aletas que aumentan la superficie de refrigeración en las que el aire las enfría. Esta corriente la genera el movimiento del vehículo o es forzada.

    ð agua: los cilindros y culata están rodeados por una cámara de agua que al calentarse pasa al radiador donde se enfría por el aire.

  • EFECTOS MEDIOAMBIENTALES DE LOS MOTORES TÉRMICOS

  • Los principales efectos medioambientales, producidos por los motores térmicos, son los causados por los gases que se emiten a la atmósfera produciendo así: El efecto invernadero y en menor medida la lluvia acida, producida por los sulfuros que se emiten.

    Efecto invernadero, término que se aplica al papel que desempeña la atmósfera en el calentamiento de la superficie terrestre. La atmósfera es prácticamente transparente a la radiación solar de onda corta, absorbida por la superficie de la Tierra. Gran parte de esta radiación se vuelve a emitir hacia el espacio exterior con una longitud de onda correspondiente a los rayos infrarrojos, pero es reflejada de vuelta por gases como el dióxido de carbono, el metano, el óxido nitroso, los clorofluorocarbonos (CFC) y el ozono, presentes en la atmósfera. Este efecto de calentamiento es la base de las teorías relacionadas con el calentamiento global.

    Lluvia ácida, dícese de la precipitación, normalmente en forma de lluvia, pero también en forma de nieve, niebla o rocío, que presenta un pH del agua inferior a 5,65. Ésta implica la deposición de sustancias desde la atmósfera durante la precipitación. Las sustancias acidificantes pueden presentar un carácter directamente ácido o pueden adquirir dicha condición por transformación química posterior. Las principales fuentes emisoras de estos contaminantes son las centrales térmicas.

    Bibliografía

    Tecnología Industrial II Ed. Edebé (Bachillerato)

    Enciclopedia Encarta: Biblioteca de Consulta 2004

    Páginas Web

    De cuatro tiempos

    De dos tiempos

    De cuatro tiempos

    De encendido por compresión (MEC)

    De encendido provocado

    De dos tiempos

    De combustión interna

    De combustión externa

    Motores Térmicos