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7/29/2019 INTRODUCCIN A LOS MOTORES DE COMBUSTIN

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MOTORES TRMICOS

Motores de Combustin Interna AlternativosIntroduccin. Elementos Constructivos. Clasificacin

Departamento de Ingeniera Energtica y FluidomecnicaAndrs Melgar Bachiller

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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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MOTORES TRMICOS



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INTRODUCCIN A LOS MOTORES TRMCOS

Definicin de Motor Trmico: Conjunto de mquinas Transforma Energa Trmica en Mecnica QW Sometiendo a un fluido compresible a un ciclo termodinmico.

MOTOR TRMICO

Combustin Interna Combustin externa

Se 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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MOTORES TRMICOS



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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

QQ

Q

WW


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MOTORES TRMICOS



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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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MOTORES TRMICOS



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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

EJ E RBOLDE LEVAS

BIELA

TAPA DE BALANCINES

CULATA

BLOQUE MOTOR

CMARA DECOMBUSTIN

TAPA DEL CRTER

J UNTACULATA


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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 sedispone 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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MOTORES TRMICOS



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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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MOTORES TRMICOS



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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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MOTORES TRMICOSMotores de Combustin Interna Alternativos

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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CONCEPTO DE DOSADO

Dosado (F) es el parmetro que caracteriza la mezcla aire-combustible:

F =Masa Combustible

Masa Aire

mm

mm

f

a

fcc

acc

mcc Masa por Cilindro y Ciclo (Kg)

mGasto 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

uiometricoEsteq1=

le )combustib(exceso deRico1

FF

F er

Coeficiente de exceso de aire ():

1Fr

Rangos usuales de dosado relativo:MEC Fr 0.04 , 0.7MEP automocin Fr 0.9 , 1.3MEP industrial Fr 0.6 , 0.8


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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

Ap D

4

2

Ap rea del pistn

V SD D

4

2

VD Volumen desplazado

rV V

VD 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 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):

pmiWV

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 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

Nn 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

Nm

Wm

pme Vm

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

pmepmi

NN

TT

WW


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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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OTROS PARMETROS (II)

Consumo especfico (gf): Mide (habitualmente en g/Kwh) el consumo decombustible por unidad de potencia extrada. Es un parmetro relacionadocon el rendimiento a travs del poder calorfico del combustible. Puede serindicado (gif) o efectivo (gef).

gmN H

ff

c

1

Rango de g

MEP

MECef

ef

ef

g 320 280 g/ kWh

g 280 180 g/ kWh

,

,

Rendimiento volumtrico (v): Es un indicador del llenado de aire o mezcladel motor, comparndolo con el llenado terico a una temperatura dereferencia.

inVm

C1

inVm

Vm

iaT

a

imT

m

imD

mccv

ia Densidad del aire en las condiciones de referencia.C Relacin entre el volumen ocupado por el aire y el ocupado por la mezcla

admitida.

ff

fha

a

i

a

T

a

MF

18h

291

29

1

Mm

18m

29m

29

m

pp

VVC

Para combustibles de elevado peso molecular (gasolina, gasoleo) y lashumedades habituales en el aire C toma valores prximos a uno.

Grado de carga: para un rgimen de giro dado, el grado de carga expresa larelacin entre el par mximo del motor a ese rgimen y el que estsuministrando el motor en las condiciones de funcionamiento.

En MEP se acta sobre la posicin de la mariposa de admisin y de estamanera se modifica la macc y el sistema de formacin de la mezcla ajusta lamfcc. En MEC se acta sobre la bomba inyectora para modificar directamente lamfcc.

2

iHm

2

iwM ecfccee

Existe una relacin siempre creciente entre el actuador del grado de carga y elpar efectivo. Algunas veces se el grado de carga se define como la posicin del

actuador respecto a su posicin mxima o de plena carga.


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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).VT Cilindrada 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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POTENCIA Y PAR EN FUNCIN DEL REGIMEN

miCerviaTe HFFCVi21M

Para un motor dado y en unas condiciones atmosfricas definidas, el pardepende fundamentalmente del producto de los tres rendimientos y del dosadorelativo.

En condiciones de plena carga, ninguno de los cuatro vara mucho cuando semodifica el rgimen. Cabe destacar la cada del rendimiento mecnico a altorgimen y algo similar le ocurre al rendimiento volumtrico en los motores de

aspiracin natural.

Se puede decir que a plena carga el par permanece sensiblemente constanteal variar el rgimen. Las variaciones que puede tener son fundamentalmentedebidas al rendimiento volumtrico y en menor medida al dosado relativo y elrendimiento indicado, a alto rgimen la cada del rendimiento mecnico y elrendimiento volumtrico hace que el par decrezca.

ee Mn2N

En consecuencia la potencia aumenta linealmente con el rgimen de giro y soloa alto rgimen alcanza un mximo cuando el incremento de rgimen nocompensa la cada del par.

Nemax

n

Memax

Diferentes curvas de para paradiferentes grados de cargas:Modificacin de Fr MECModificacin de v MEP


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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 SEMEJ ANZA

CONSECUENCIAS DE LA SEMEJ ANZA

IMPLICACIONES DE LA SUBDIVISIN DE LA CILINDRADA

CONSIDERACIONES FINALES

EJ EMPLOS:Subdivisin de la cilindradaCurvas de parEstudio comparativo de motores de automocin


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Semejanza


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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 SEMEJ ANTES:

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 SEMEJ ANTES:

pmiWV

i

D

i ii v ia

H mV

H F mV

H Fc 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).

iaes la misma (2).

Hc es el mismo pues se utiliza el mismo combustible.

i a 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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Semejanza


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IGUALDAD DE LAS PRESIONES MEDIAS EN MCIA SEMEJANTES(II)

IGUALDAD DE PMPM EN MOTORES SEMEJ ANTES:

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 SEMEJ ANTES:

pme pmi pmpm La pme es igual para motores semejantes.


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Semejanza


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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 iA2

pme C iep

mp

As la relacin entre potencias:

NN

=

A2

pme C i

A2

pme 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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Semejanza


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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 V2

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

2SC2S

121

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:

NA

pme CNANA

e

p

e

p

e

p

m i

21

2

2

1

1

La potencia dividida por el rea del pistn da una idea del xito en el diseo.


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Semejanza


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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.

VV

1 1D1D2

3

Nm

Nm

NVNV

NN

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).

QQ

nn

11

ap,comb1

ap,comb2

1

2

3

QQ

QQ

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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Semejanza


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IMPLICACIONES DERIVADAS DE SUBDIVIDIR LA CILINDRADA(I)

Se parte de dos motores semejantes con igual cilindrada y distinto nmero decilindros. Como los cilindros del motor 2 son ms grandes, el nmero decilindros del motor 1 ser mayor que el nmero de cilindros del motor 2:

L

L 1V =V

2

1

T2 T1

Z Z1 2

Como las cilindradas son iguales:

V

V

A

A

T

T

p

p

2

1

2

1

3 S Z

S Z

Z

Z

1Z

Z

=1

2 2

1 1

2

1

2

1

3

As la relacin entre potencias totales queda:

N

N

Z

Z

Z

Z

e

e

2

1

2

1

2

1

2

p2m

p1 m

A2

C pme i

A2

C pme i

1 1

3

2

Para igual cilindrada, al aumentar el nmero de cilindros aumenta la potencia.


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Semejanza


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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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Semejanza


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CONSIDERACIONES FINALES SOBRE LA SEMEJANZA

En la prctica Cm y pme no se mantienen al variar la cilindrada. Al aumentarla cilindrada Cm y pme bajan por existir criterios ms conservadores en eldiseo.

Sin embargo Cm y 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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Semejanza


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EJEMPLO DE LA SUBDIVISIN DE LA CILINDRADA (I)

Se tiene un MEP tricilndrico, de 4T, con una cilindrada de 600 cm3 y 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

zz

D

D

zz

e

e

pm

pm

z

z1

2

32

122.

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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Semejanza


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EJEMPLO DE LA SUBDIVISIN DE LA CILINDRADA (II)

Velocidad lineal media del pistn y presin media efectiva.Por ser semejantes los dos motores, la cm y la pme sern iguales enambos.

cm s n ms cm1 1 1 22 16

pme

Ne

V n bar pmeT1

1

12

26093 .

Ventajas e inconvenientes entre los dos motores, donde el motor n2 esms grande y tiene menos cilindros:

z z1 2 D D1 2

Inconvenientes del motor n2:

- ComoV V

Ne Ne

Ne

V

Ne

VT T

T T

2 1

2 1

2

2

1

1

por lo que la potencia especifica del

motor 2 es menor que la del 1

- Como z2 < z1 , el Me2 ser ms irregular que el Me1.

-Como es un MEP, y el motor n2 es ms grande (ms adiabtico), latendencia a la detonacin aumentar en este motor.

Ventajas del motor n2:- Como VT2>VT1 2 >1 ya que tiene menos prdidas de calor.

- Como z2 < z1 , el nmero de piezas del motor n2 ser menor y por tantosu disposicin constructiva ser menos complicada.

- Como D2 > D1 , las piezas del motor n2 sern ms grandes y robustas yentonces la vida de stas ser ms larga (para un igual desgaste

mecnico).


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Semejanza


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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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Semejanza


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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:

2200060

2300060

S S1 2

de donde:

S

S1

2

20003000

1,5

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:

101,2530

3,375 1,53 3

Por lo tanto, se cumple la relacin y los motores son semejantes.


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Semejanza


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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)

1010 (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 0.074350060

8.63 /

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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Semejanza


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PAR (IV)

El planteamiento poda haber sido inverso; si se supone un valor razonable deCm de 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

V0.1104

4 0.004181 m 4181 cm3

3 33

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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Semejanza


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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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Semejanza


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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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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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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 (II)

CICLO DE AIRE A PRESIN LIMITADA

La aportacin de calor se realiza a volumen constante hasta que se alcanzauna determinada presin (Pmax) a partir de aqu el resto de calor se liberamientras baja el pistn de manera que la presin se mantiene constante e iguala la presin mxima.

La presin mxima suele ser la presin mxima que se da en el motor real.

1

1 1

1 11r

Definiciones

1. Grado de combustin a volumen constante P

P3

2 =1 P=cte.

2. Grado de combustin a presin constante V

VA3

3 =1 V=cte.

Este tipo de ciclo es caracterstico de los motores diesel rpidos.


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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

rA31

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 IDEAL DE AIRE (VI)

CONSIDERACIONES FINALES SOBRE EL CICLO IDEAL DE AIRE

Los motores de encendido provocado tienen menor relacin de compresinque los motores de encendido por compresin y dentro de estos ltimos loslentos tienen menor relacin de compresin que los rpidos.

La comparacin de ciclos slo tiene sentido para situaciones similares.

En motores de encendido provocado el calor aportado por unidad de masaes mayor (mayor dosado).

El grado de explosin a volumen constante est muy relacionado con laprimera fase de la combustin en MEC.

En MEC la relacin de compresin mnima viene fijada por razones dearranque en fro y en MEP la relacin de compresin mxima viene fijada porrazones de detonacin (picado de biela).

Las presiones mximas son mayores en los MEC rpidos que en los lentos yson menores an en los MEP.


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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(I)

Perdidas de

calor

Perdidas

de tiempo

Ciclo ideal sin

transmisin de

calor

Ciclo ideal con

transmisin de calor

Ciclo real

conadelanto en

apertura de

valvula de

escape

Perdidas

de calor

Perdidas

de escape

Ciclo real con

adelanto en

apertura de

valvula de

escape

Causas de las diferencias:

FugasEn motores nuevos y puestos a punto son muy bajas.

Combustin incompletaRetencin de HC en huecos, depsitos y lubricante.Apagado de llama.

Pared T Combustin

T Mnima de combustin

T Pared

Distancia de apagado

(inquemados)


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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: t 360 200060

0 003 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 MEP(IV)

Presin de admisin

Al aumentar la presin de admisin aumenta la presin media indicada ypor tanto la potencia.

1/4

2/4

3/4

4/4

La modificacin de la presin de admisin se da en los casos desobrealimentacin y de regulacin de la carga, esto ltimo slo en MEP.

Presin de escape

Influye en el proceso de renovacin de la carga de manera que alaumentar la presin de escape se aumentan los residuales y esto haceque la combustin se desarrolle ms lentamente.

Relacin combustible aire (dosado)

Mejora la potencia hasta valores del dosado relativo del orden de 1.15 yel rendimiento es mejor para valores del orden de 0.9


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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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CICLO REAL EN MEC (II)

Prdidas de tiempo en MEC

Las prdidas de tiempo en MEC son ms variables que en los MEP puesel proceso de combustin se ve muy modificado en funcin de lasvariables operativas: rgimen y grado de carga fundamentalmente.

MEP

MEC

MEC

MEP

No hay que olvidar que en estos diagramas los dos ciclos tienen la misma

relacin de compresin pero realmente en MEC la relacin decompresin es aproximadamente el doble que en MEP.


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MEDIDA DE PARMETROS INDICADOS

En la actualidad se utilizan captadores piezoelctricos para medir la presin, laadquisicin de datos est sincronizada con un codificador angular que generala seal de disparo de la adquisicin (1xVuelta) y la seal de reloj (NxVuelta).

La seal de disparo indica el inicio de la adquisicin y es necesario saber enque posicin angular est respecto de alguna referencia generalmente el PMS.

La seal de reloj dispara cada una de las adquisiciones individuales de datos,con lo que sabiendo el incremento angular de la seal de reloj se sabe la

distancia angular entre cada dato.

De esta manera slo se registra una seal, la de presin pero se sabe a queposicin angular corresponde cada dato y consecuentemente se conoce elvolumen en el interior del cilindro.

N Vuelta

1 Vuelta

Captador presin(piezoelctrico)

Captadores de posicin(magnticos u pticos)

Seal 1 Vuelta

Referencia Angular


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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

OBJ ETIVOS 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

OBJ ETIVOS

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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REFRIGERACIN POR LQUIDO

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 1 Bomba2 Bloque3 Culata4 Termmetro5 Termostato6 Radiador7 Refrigerador aceite8 Electroventilador9 Termointerruptor

10 Vaso de expansin

Fluido refrigerante: agua. Anticongelante. Circuito presurizado para subirlas temperaturas de ebullicin.

Bomba de impulsin centrfuga: Tamao reducido. Grandes caudales con alturas

reducidas. Caudal de refrigerante: punto de

corte de las curvas.

aprox. 2l min

kWen mxima potencia.

Presin: 0.5 a 1.5 bar.

Sistema de regulacin para cargas parciales.

Termostato: distribuye el agua entreel circuito bsico y el bypass.

Puesta en marcha: circuito bsicocerrado.

Apertura del termostato: 80 - 85C Apertura completa: 90C


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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

VENTAJ AS 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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BALANCE TRMICO DE UN MOTOR:

Q Q Q Q Q Q Qt N r g res a ra

Q t: Calor equivalente introducido en elmotor debido al combustible suministradopor unidad de tiempo ( m Hf c).Q n: Calor equivalente a la potencia

efectiva obtenida del motor.Q r: Calor transmitido al refrigerante.

Q g: Calor equivalente al estado trmicoperdido en los gases de escape.Q res: Calor equivalente que corresponde a

la combustin incompleta (residuales).Q a: Calor transmitido al aceite.Q ra: Calor transmitido por radiacin al

ambiente.Q pm:Calor equivalente a las prdidas

mecnicas.

Q Qa raQres

Qg

Qr

QN

Qn=40%

Qg

Qr

QresQres

30%

30%

Qt=100%

Qa

QraQpm


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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:

i mejorando aspectos termodinmicos del ciclo. m disminuyendo 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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PNb

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 i es constante cuando semantiene el rgimen de giro:

gm

cte coniff

i i

m H1H

n=ctef 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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4.- Mtodo de arrastre

Tras hacer funcionar el motor, ste es arrastrado sin combustin por unadinamo-freno. El par que la dinamo-freno da al motor es el par de prdidasmecnicas

Normalmente es posible determinar las prdidas ocasionadaspor cada elemento auxiliar de manera sencilla.

No se considera la influencia de la presin de los gases.

5.- Mtodo de deceleracin libre

Se estabiliza al motor en aquel rgimen por debajo del cual se quieranconocer las prdidas y tras esto se corta el suministro de combustible o elencendido, frenndose el motor nicamente por las prdidas mecnicas. Sise registra la deceleracin angular durante el periodo de frenado, y seconoce el momento de inercia del conjunto I, es posible determinar el par deprdidas mecnicas y la presin media de prdidas mecnicas para cadargimen aplicando la siguiente ecuacin:

T Ipm pmpm= 2

i VI

D

Cuando no se conoce el momento de inercia del conjunto es posible utilizarun volante postizo de momento de inercia conocido IC y repetir el ensayoaadiendo esta inercia, obtenindose el par y el momento de inercia:

T I

T I I

pm

pm C

( ) I, Tpm

Sencillo y rpido. Se obtienen con un slo ensayo las prdidas para el rango de

regmenes por el que pasa el motor mientras se va frenando. Es necesario un dispositivo de adquisicin rpida. No tiene mucha precisin y es necesario conocer el momento

de inercia del motor.


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Combustin


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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


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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 mecnica mediante 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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Combustin


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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 normal tiene lugar en el frente de llama que es la

superficie que separa la zona fresca de la zona quemada.

MezclaQuemada

MezclaFresca

P T

Frente de llama


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Combustin


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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 360ntC

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


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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 elevacinde 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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Combustin


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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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Combustin


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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.

CCL depende de:

Temperatura de combustin TC (mucho)

Presin (poco)

Composicin de la mezcla

Los factores que afectan a CCL son los que afectan a TC:

Residuales T CC CL Humedad T CC CL

Dosado es 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 CLF 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):

FSRCC

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

qP

Tq

+

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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Combustin


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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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Para que la mezcla se autoinflame es necesario que se den una serie de

prerreacciones qumicas. Estos fenmenos requieren un tiempo que sedenomina tiempo de retraso o induccin, ste es menor cuanto mayoresson la presin y la temperatura. Transcurrido el tiempo de retraso si lacombustin normal no ha concluido se producir la autoinflamacin.

La intensidad de la detonacin est muy ligada a la masa de mezcla quesufre la autoinflamacin. Esta viene caracterizada fundamentalmente por el% de mezcla que se autoinflama y por el grado de carga del motor.

La detonacin es un fenmeno que limita las prestaciones del motor:obliga a veces a mantener avances a la combustin menores a los que danla mxima potencia en unas condiciones de funcionamiento dadas.

Elegido

CU20

Lmite Detonacin

En la geometra CU20 no se puede tener el avance

ptimo por detonacin.

Elegido

LAB8

Lmite Detonacin

En la geometra LAB8 se permite el avance ptimo.

Los motores actuales llevan acelermetros que en caso

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