alternativos rotativos de combustión externa de combustión ... · el motor de combustion interna...
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Máquinas y motores térmicos
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1. MOTORES TÉRMICOS
En un motor térmico se transforma la energía química de un combustible, mediante su quemado o
explosión, en energía térmica y esta, a su vez se emplea para producir movimiento(energía mecánica).
2. CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES TÉRMICOS
Alternativos El movimiento alternativo o de vaivén del émbolo o pistón es transformado por la biela-manivela en movimiento circular
Rotativos
Produce directamente movimiento circular
De combustión externa El combustible se quema fuera del motor
Máquina de vapor (trenes) Turbina (Centrales eléctricas)
De combustión interna El combustible se quema en el interior del motor
Motor de cuatro tiempos:
de explosión (coches)
diésel (coches y camiones)
Motor de dos tiempos:
de explosión (motos)
diésel (barcos)
Motor a reacción (aviones)
3. LA MÁQUINA DE VAPOR
Durante toda la historia de la humanidad la forma de transporte terrestre se basó en la fuerza de los
animales y en el mar, en la fuerza del viento para los barcos de vela. Todo cambió en la Revolución
Industrial, con la máquina de vapor que perfeccionó James Watt en 1769. A partir de entonces, los trenes
en el siglo XIX, los coches y barcos, a finales del XIX y durante el siglo XX, y los aviones en el siglo XX, todos
ellos impulsados por motores térmicos, basados en la máquina de vapor, han sido y son los medios de
transporte usados por el hombre. Del mismo modo toda la Industria pasó de usar la fuerza bruta de los
obreros a usar la fuerza de las máquinas, por lo que la producción de bienes se disparó, y con ello la
población mundial.
El funcionamiento es el siguiente: Al quemar combustible se obtiene vapor de agua que recorre un
circuito hasta llegar a un cilindro, en el que empuja a un pistón, que mediante un mecanismo de biela -
manivela, transforma el movimiento lineal alternativo del pistón del cilindro en un movimiento de rotación
que acciona, por ejemplo, las ruedas de
una locomotora. Cuando el pistón alcanza
el extremo del cilindro, se abre la válvula
de salida, y el pistón vuelve hacia la
izquierda empujado por la rueda, el vapor
pasa por el condensador donde es licuado
e introducido de nuevo en la caldera. Al
final de este recorrido del cilindro se cierra
la válvula de salida y se vuelve a abrir la
válvula de entrada, con lo que el ciclo
comienza de nuevo. El efecto final
conseguido es el giro de la rueda.
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4. MOTOR DE CUATRO TIEMPOS: de los motores de combustión interna, el más utilizado es el motor de
cuatro tiempos, tanto de ciclo de Otto (gasolina) como ciclo de diésel. Es el que utilizan la mayoría de los
vehículos. Para que funcione el motor necesita una mezcla de combustible y aire, que proporcione el
oxígeno necesario para la combustión. Se llama de cuatro tiempos porque tiene cuatro fases bien
diferenciadas
La primera vez que sube el pistón lo hace gracias al motor de arranque, que es eléctrico, alimentado por la
batería. Después se mueve por los gases producto de la combustión.
El motor de combustion interna es más eficiente que el de combustion externa pues el poder calorífico del
combustible es mayor, derivados del petróleo frente al carbón, y además el rendimiento es mayor pues hay
menos pérdidas de calor debido a que la combustion se produce dentro del propio motor.
5. DIFERENCIAS ENTRE UN MOTOR DE EXPLOSIÓN Y UN MOTOR DE COMBUSTIÓN DIÉSEL.
La diferencia entre el motor de combustión diésel MEC(Motor de
encendido por compresión) y el motor de explosión de gasolina
MEP(Motor de encendido provocado) es que en el motor de gasol ina
la explosión la provoca una chispa de la bujía, sin embargo en el
motor diésel el combustible se inyecta pulverizado a presión a través
de los inyectores y se inflama por la presión y temperatura existentes
en el interior del cilindro.
El combustible en un motor de explosión es gasolina mientras que en
un motor diésel es gasoil, que es más barato. En un motor diésel la
mezcla de aire y combustible(gasoil) se realiza en el interior del
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cilindro y no fuera, por lo que no necesitan carburador y tampoco necesitan bujías pues la combustión se
produce por las altas presiones y temperaturas en los cilindros, por lo que estos motores son más robustos,
más voluminosos y con mayor vida útil, y por tanto son más caros.
6. PARTES DE UN MOTOR DE CUATRO TIEMPOS.
Los motores alternativos están constituidos por uno o más cilindros en cuyo interior se desliza de forma
alternativa el émbolo o pistón. La parte superior se llama culata y contiene la cámara de compresión (y en
los motores de explosión, las bujías). En la parte inferior se encuentra el cárter que contiene el aceite
lubricante.
El movimiento alternativo del pistón se transmite a la biela, y de ésta al cigüeñal, produciendo así un
movimiento rotatorio que irá a la caja de cambios, diferencial y ruedas.
Las formas comunes de disposición de los cilindros son en V y en línea, con un número de cilindros variable
en función de la potencia del motor. Aunque el más usado en los coches es el de cuatro cilindros en l ínea.
En estos el empuje efectivo sobre el cigüeñal solo se produce en un cilindro en un instante determinado,
pues los otros están en un tiempo diferente cada uno.
Inyector: se encarga de inyectar la gasolina en el
cilindro o en el conducto de admisión. En los
motores antiguos, en vez de inyector, el motor
disponía de un carburador que mezclaba la gasolina
con el aire al paso de éste camino del cilindro.
Cilindro: está constituido por un cuerpo (bloque)
con un hueco de forma cilíndrica, un émbolo o
pistón que se desplaza por dicho hueco, una tapa
(culata) con dos válvulas (de admisión, A, y de
escape, B) y una bujía.
En el cilindro se realiza la combustión de la mezcla
carburante, dando lugar a un movimiento alternativo del pistón.
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El pistón, que tiene forma de vaso invertido, va unido a la biela por medio de un bulón (articulación). Para
asegurar el cierre hermético entre el cilindro y el pistón, éste último va provisto de unos anillos
denominados segmentos, alojados en unas ranuras situadas en su parte superior.
La válvula de admisión tiene la función de permitir la entrada de la mezcla combustible en el cilindro. La
válvula de escape permite la salida de los gases de combustión. Sendos muelles de compresión garantizan
el cierre de estas válvulas. Se abren hacia el interior del cilindro cuando son empujadas por unas levas
situadas en el árbol de levas, el cual está sincronizado con el cigüeñal de forma que la apertura de las
válvulas se produzca en los momentos precisos del ciclo de trabajo. La bujía es un dispositivo formado por
dos electrodos aislados eléctricamente separados sobre 0,5 mm. Su misión es producir una chispa eléctrica
que explosione la mezcla combustible.
Sistema de refrigeración: debido a las altas temperaturas que se alcanzan en los cilindros, hay que
refrigerarlos, lo cual se lleva a cabo bien por aire (dotando a los cilindros de aletas de refrigeración) o bien
por agua, que circula por la doble cubierta del cilindro impulsada por una bomba de agua y refrigerada en
un radiador por medio de una corriente de aire provocada por el propio movimiento de la máquina (caso
de vehículos) y/o un ventilador.
Sistema de lubricación: es necesaria dada la gran cantidad de piezas móviles, tanto para mejorar el
rendimiento como para disminuir el desgaste. Deben lubricarse las paredes del cilindro, las articulaciones
de las bielas, el árbol de levas, las válvulas, los cojinetes del cigüeñal y los engranajes. La lubricación se lleva
a cabo con aceite, el cual se deposita en un depósito situado en la parte inferior del motor denominado
cárter, y es impulsado a presión por medio de la bomba de aceite.
7. MOTOR DE DOS TIEMPOS.
Este ciclo termodinámico se completa en dos carreras del émbolo y una vuelta del cigüeñal.
Este motor carece de válvulas y la entrada y salida de gases se realiza a través de las lumbreras (orificios
situados en el cilindro) El pistón dependiendo de la posición que ocupa en el cilindro en cada momento
abre o cierra el paso de gases a través de las lumbreras.
La lubricación, que en el motor de cuatro tiempos se efectúa mediante el cárter, en el motor de dos
tiempos se consigue mezclando aceite con el combustible.
Al ser un motor ligero y económico es muy usado en aplicaciones en que no es necesaria mucha potencia
tales como motocicletas, motores fuera borda, motosierras, cortadoras de césped, etc.
Explosión-Escape Admisión-Compresión
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8. AUMENTO DE LA POTENCIA DE UN MOTOR.
Existen diversas formas de aumentar la potencia de un motor:
Aumentar la cilindrada: aumentando el volumen o el número de cilindros; tiene el inconveniente de
aumentar el tamaño y el peso del motor, así como el precio y el consumo.
Aumentar el régimen (número de revoluciones): tiene el inconveniente de someter a los órganos móviles a
mayor esfuerzo y desgaste, por lo que habrán de hacerse más robustos.
Mejorar el llenado: aumentando el diámetro y/o el número de las válvulas de admisión; también
mejorando la aerodinámica de los tubos de admisión.
Sobrealimentación: es el procedimiento más eficaz. Consiste en aumentar la cantidad de de aire admitida
en el cilindro con respecto a la cantidad que entra por la simple aspiración creada por el movimiento del
pistón.
9. CILINDRADA DE UN MOTOR.
Es el volumen del cilindro entre el PMS y el PMI. A más cilindrada, más potencia pero más consumo de
combustible.
Carrera (L): Distancia entre el PMS(punto muerto superior) y el PMI(punto muerto inferior), es decir, es e l
recorrido del pistón entre esos dos puntos.
Régimen de giro del motor (n): número de rpm a las que gira el motor.
Cilindrada unitaria (V): Volumen barrido por el pistón, es decir, la diferencia entre e l volumen l ibre en e l
PMS y el PMI. La cilindrada se mide en cm3
Se puede obtener como:
Siendo:
L = carrera (en cm)
d = diámetro o calibre del cilindro (en cm)
V = cilindrada (en cm3)
Si el motor está formado por más de un cil indro, la cilindrada total será
siendo z el número de cilindros del motor y V la cilindrada unitaria del
mismo.
10. SOBREALIMENTACIÓN. MOTOR TURBO:
La necesidad de aumentar la potencia de un coche, sin tener que aumentar la cilindrada, hace necesario
una sobrealimentación de combustible.
Aumentar la potencia depende de la cantidad de combustible quemado (energía) y del número de
revoluciones. Pero tanto en motores Diésel como en los de gasolina, por mucho que aumentemos el
combustible que hacemos llegar al interior de la cámara de combustión, no conseguimos aumentar su
potencia si este combustible no encuentra aire suficiente para quemarse.
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Así pues, solo conseguiremos aumentar la potencia, sin variar la cilindrada ni el régimen del motor, si
conseguimos colocar en el interior del cilindro un volumen de aire (motores Diésel) o de mezcla (aire y
gasolina para los motores de gasolina) mayor que la que hacemos entrar en una "aspi ración normal".
Para lograr la sobrealimentación, se aumenta la presión del aire mediante un compresor, el cual es
accionado por una turbina movida por los gases de escape. Al conjunto turbina y compresor se le denomina
turbocompresor. Con el aire comprimido entra más cantidad de oxígeno en un mismo volumen.
Al pasar por el compresor el aire no sólo aumenta su presión sino también su temperatura, con lo cual se
dilata ocupando una misma cantidad de aire mayor volumen. Esto reduce la eficacia del turbocompresor.
Por ello, se suele instalar a la salida del compresor un intercambiador de calor, que tiene como misión
enfriar el aire antes de entrar en el cilindro, utilizando el aire exterior como elemento refrigerante. Este
dispositivo se designa con el término inglés “Turbo Intercooler”. El intercooler es un radiador que es
enfriado por el aire que incide sobre el coche en su marcha normal
11. MOTORES A REACCIÓN
Principio de acción reacción
Este principio consiste en que si un cuerpo A hace fuerza sobre un cuerpo B, entonces, ese objeto B, a su
vez, hace fuerza sobre el A, en sentido contrario. A estas fuerzas se les llama acción y reacción.
Se cumple la conservación de la cantidad de movimiento. m1.v1 = m2.v2
Un cohete es un reactor que lleva en un tanque el combustible y en otro el comburente (oxígeno).
Los gases al calentarse se dilatan y salen a gran velocidad. Cuanta más velocidad de salida tengan los gases
producidos por la combustión, más velocidad tendrá el cohete. Se cumple:
Mgas · Vgas = Mcohete · Vcohete
HISTORIA DEL AUTOMÓVIL.
Motor de combustión interna: Nikolaus
August Otto estableció en 1861 el
principio de funcionamiento de los
motores de cuatro tiempos.
Karl Benz y Mercedes Benz,
construyeron el primer automóvil
equipado con un motor de gasolina de
4 tiempos, comenzando así la industria
automovilística.
Henry Ford, en 1908, el primer
fabricante de automóviles a precios
moderados, mediante la creación del
trabajo en serie en cadenas de montaje.
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Los reactores toman el oxidante del medio exterior, conformando el grupo motores rotativos de aviación.
Se pueden clasificar dependiendo de su constitución en:
● Aerorreactores con compresor: destacan el turborreactor, el turbo-fan y el turbohélice.
● Aerorreactores sin compresor: entre los que figuran el estatorreactor y el pulso-reactor.
Turborreactor: el aire entra aspirado por las hélices de un compresor. Después pasa a la cámara de
combustión, donde se inyecta queroseno. La mezcla arde por la alta temperatura y l os gases salen por la
parte de atrás a gran velocidad. El empuje es debido a la reacción provocada por estos gases. Al salir los
gases hacen girar una turbina que, a su vez, hace girar el compresor delantero. Estos motores alcanzan
grandes velocidades dos o tres veces por encima de la velocidad del sonido.
Turbofan: lo usan la mayoría de
los aviones comerciales y es
mucho más silencioso que el
anterior. Tiene un ventilador que
aumenta el flujo de aire de
entrada al motor y además
refrigera el turborreactor. El
avance del avión se debe al
empuje del ventilador y al de los
gases que salen por la tobera
final.
Turbopropulsor: Es muy parecido al
turborreactor. La diferencia está en que
la turbina de la parte posterior hace
girar al compresor y a una hélice
delantera exterior. La propulsión se
debe a dos causas: a los gases que salen
por la parte posterior y al empuje de la
hélice. Mejora su rendimiento a bajas
velocidades.
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Estatorreactor: es un motor de reacción que carece de compresores y turbinas, pues la compresión se
efectúa debido a la alta velocidad a la que ha de funcionar. El aire ya comprimido, se mezcla con el
combustible inyectado se somete a un proceso de combustión en la cámara de combustión. La expansión
de los gases se produce por la tobera de escape. El régimen de trabajo de este motor es continuo y necesita
siempre grandes velocidades, de lo contrario pueden salir los gases por la entrada y el avión entrar en
barrena. Los usan aviones experimentales y aviones espía.
Pulsorreactor: posee válvulas(compuertas), que permiten la entrada del aire y se cierran cuando explota la
mezcla. La combustión se produce a pulsos. Estos motores de instalan en aviones que soportan poco p eso y
suelen volar a baja cota. Se usa para el motor de arranque de aeroplanos.
El combustible que usan los aviones es el queroseno, pues soporta las temperaturas tan bajas que existen a
miles de metros de altura, sin congelarse.
EJERCICIOS
Ejercicio 1. Según los datos del fabricante, el motor del Citroen Xsara RFY tiene l as siguientes
características: Nº de cilindros : 4 Calibre 86 mm, Carrera 86 mm Relación de compresión 10,4/1. Calcular:
La cilindrada del motor
Ejercicio 2. El motor de un vehículo consta de 4 cilindros con un diámetro de 82,5 mm y una carrera de 93
mm para cada uno de ellos. Calcular: La cilindrada del motor.
Ejercicio 3. El motor de un automóvil consta de 4 cilindros. Conociendo que el diámetro de cada pistón es
de 80,5 mm, la carrera de 97,6 mm y la relación de compresión de 10:1, calcule: La cilindrada total
Ejercicio 4. a) Explique cómo transcurre el ciclo de funcionamiento de un motor de explosión de dos
tiempos. b) Indique al menos dos ventajas de este tipo de motores