Motores de combustión interna
Introducción
En la actualidad existen muchos sistemas que contienen este
tipo de sistemas, es decir, los motores de combustión interna tienen muchos
usos por sus beneficios. Los diferentes tipos de motores de combustión interna
tienen ciclos de intercambio de calor similares ya que su principal función es
generar movimiento por medio de pequeñas explosiones y sus principales fluidos
son gases.
POR EL MODO DE TRABAJO:
• Motor de cuatro tiempos: dos vueltas del cigüeñal, cuatro carreras de pistón, una del árbol de levas, un ciclo de trabajo.
• Motor de dos tiempos: una vuelta del cigüeñal, dos carreras del pistón, un ciclo de trabajo.
POR DISPOSICIÓN DE LOS CILINDROS:
• Motores con cilindros en línea: tiene cilindros dispuestos en línea de forma vertical en un solo bloque.
• Motores con cilindros en V: tiene los cilindros repartido en dos bloques unidos por la base o bancada, y formando un cierto ángulo (60°,90°, etc.).
• Motores con cilindros opuestos: los cilindros van dispuestos en un ángulo de 180° en posición horizontal y en sentido opuesto; y están unidos por la base o bancada.
POR LA DISTRIBUCION O DISPOSICION DE LAS VALVULAS
• SV: no se utiliza desde hace tiempo ya que las válvulas no están colocadas en la culata sino en el bloque del motor, lo que provoca que la cámara de compresión tenga que ser mayor y el tamaño de las cabezas de las válvulas se vea limitada.
• OHV: se distingue por tener el árbol de levas en el bloque motor y las válvulas dispuestas en la culata.
• OHC: se distingue por tener el árbol de levas en la culata lo mismo que las válvulas.
• DOHC: utilizado sobre todo en motores con 3,4 y 5 válvulas por cilindro.
POR EL TIPO DE COMBUSTIBLE:
• Motores a gasolina: se alimentan de aire-combustible.
• Motores a diesel: este se alimenta de aire precalentado y el combustible es inyectado a presión dentro del cilindro.
• Motores a gas: los motores a gas contienen el mismo sistema que un motor a gasolina pero la explosión se genera con más fuerza y además la potencia disminuye un poco, otra diferencia es que las válvulas so construidas en sodio.
• Motores poli combustibles: motores como los diesel, pero que pueden funcionar con diferentes tipos de combustibles.
POR EL TIPO DE INYECCIÓN O ALIMENTACIÓN
• Carburador: es uno de los más utilizados y la forma de alimentación o de carburación se la realiza:
# aire que pasa por la boca del carburador, arrastra el combustible y de allí pasa por el colector de admisión hasta llegar a los cilindros.
• Inyección diesel: Este tipo de motores son sobrealimentados, estos absorben el aire que pasa por unas bujías de precalentamiento y este aire ingresa al cilindro cuando está en el tiempo de compresión es comprimido a una gran presión y espera hasta que llegue al pms, para que el gas-oil sea inyectado y se dé el auto encendido. En este motor tenemos:
Inyección directa.
Inyección indirecta.
• Inyección electrónica: las funciones básicas de un sistema de inyección es controlar la inyección del combustible en el momento preciso y con el caudal y presión adecuado para el funcionamiento del motor. Es este tenemos:
Inyección mono punto.
Inyección multipunto.
POR EL ENCENDIDO
• Por chispa electrónica: es el más utilizado hasta en los motores modernos como es el de inyección electrónica.
Sistema de encendido:
#-Sistema de encendido convencional.
#-sistema de encendido D.I.S (sistema de encendido sin distribuidor)
• Por auto encendido: este se utiliza en los motores a diesel este auto encendido se produce por las elevadas temperaturas y a la elevada presión del aire que ingresa en el cilindro, este también debido a la elevada presión que es inyectado el gas-iol.
POR EL TIPO DE REFRIGERACION
• Sistema de refrigeración por agua: este circula por dentro del motor y el agua es la encargada de recoger el calor que se produce dentro de este.
• Sistema de refrigeración por aire: este sistema es mas utilizado en motocicletas ya que así aprovechan el aire para refrigerar.
SEGÚN EL MODO DE REFRIGERACION
• Motores con cárter húmedo: motores donde existe un cárter que contiene aceite lubricante.
• Motores con cárter seco: en este caso el cárter esta vacía y el lubricante entra al motor mezclado con la gasolina.
• Motor de cuatro tiempos: dos vueltas del cigüeñal, cuatro carreras de pistón, una del árbol de levas, un ciclo de trabajo.
• Motor de dos tiempos: una vuelta del cigüeñal, dos carreras del pistón, un ciclo de trabajo.
POR DISPOSICIÓN DE LOS CILINDROS:
• Motores con cilindros en línea: tiene cilindros dispuestos en línea de forma vertical en un solo bloque.
• Motores con cilindros en V: tiene los cilindros repartido en dos bloques unidos por la base o bancada, y formando un cierto ángulo (60°,90°, etc.).
• Motores con cilindros opuestos: los cilindros van dispuestos en un ángulo de 180° en posición horizontal y en sentido opuesto; y están unidos por la base o bancada.
POR LA DISTRIBUCION O DISPOSICION DE LAS VALVULAS
• SV: no se utiliza desde hace tiempo ya que las válvulas no están colocadas en la culata sino en el bloque del motor, lo que provoca que la cámara de compresión tenga que ser mayor y el tamaño de las cabezas de las válvulas se vea limitada.
• OHV: se distingue por tener el árbol de levas en el bloque motor y las válvulas dispuestas en la culata.
• OHC: se distingue por tener el árbol de levas en la culata lo mismo que las válvulas.
• DOHC: utilizado sobre todo en motores con 3,4 y 5 válvulas por cilindro.
POR EL TIPO DE COMBUSTIBLE:
• Motores a gasolina: se alimentan de aire-combustible.
• Motores a diesel: este se alimenta de aire precalentado y el combustible es inyectado a presión dentro del cilindro.
• Motores a gas: los motores a gas contienen el mismo sistema que un motor a gasolina pero la explosión se genera con más fuerza y además la potencia disminuye un poco, otra diferencia es que las válvulas so construidas en sodio.
• Motores poli combustibles: motores como los diesel, pero que pueden funcionar con diferentes tipos de combustibles.
POR EL TIPO DE INYECCIÓN O ALIMENTACIÓN
• Carburador: es uno de los más utilizados y la forma de alimentación o de carburación se la realiza:
# aire que pasa por la boca del carburador, arrastra el combustible y de allí pasa por el colector de admisión hasta llegar a los cilindros.
• Inyección diesel: Este tipo de motores son sobrealimentados, estos absorben el aire que pasa por unas bujías de precalentamiento y este aire ingresa al cilindro cuando está en el tiempo de compresión es comprimido a una gran presión y espera hasta que llegue al pms, para que el gas-oil sea inyectado y se dé el auto encendido. En este motor tenemos:
Inyección directa.
Inyección indirecta.
• Inyección electrónica: las funciones básicas de un sistema de inyección es controlar la inyección del combustible en el momento preciso y con el caudal y presión adecuado para el funcionamiento del motor. Es este tenemos:
Inyección mono punto.
Inyección multipunto.
POR EL ENCENDIDO
• Por chispa electrónica: es el más utilizado hasta en los motores modernos como es el de inyección electrónica.
Sistema de encendido:
#-Sistema de encendido convencional.
#-sistema de encendido D.I.S (sistema de encendido sin distribuidor)
• Por auto encendido: este se utiliza en los motores a diesel este auto encendido se produce por las elevadas temperaturas y a la elevada presión del aire que ingresa en el cilindro, este también debido a la elevada presión que es inyectado el gas-iol.
POR EL TIPO DE REFRIGERACION
• Sistema de refrigeración por agua: este circula por dentro del motor y el agua es la encargada de recoger el calor que se produce dentro de este.
• Sistema de refrigeración por aire: este sistema es mas utilizado en motocicletas ya que así aprovechan el aire para refrigerar.
SEGÚN EL MODO DE REFRIGERACION
• Motores con cárter húmedo: motores donde existe un cárter que contiene aceite lubricante.
• Motores con cárter seco: en este caso el cárter esta vacía y el lubricante entra al motor mezclado con la gasolina.
Motor OTTO
El motor de gasolina es un motor
alternativo, de combustión interna, con encendido por chispa, de cuatro
tiempos, que convierte la energía química que contiene el combustible en
energía cinética.
El proceso se inicia con la mezcla homogénea de
gasolina y aire fuera de la cámara de combustión en un elemento llamado
carburador. La mezcla obtenida se hace llegar a dicha cámara, donde es
comprimida. La combustión se inicia por un sistema de encendido externo al
motor (bujía) de control temporizado. En el interior del cilindro se inflama y
quema la mezcla de aire y gasolina. El calor generado por la combustión provoca
un incremento en la presión de los gases, previamente comprimidos originando un
trabajo mecánico a través del pistón, la biela y el cigüeñal.
Los gases quemados son expulsados por el tubo de escape y son sustituidos por
una nueva porción de mezcla tras cada carrera de combustión, todo ello se
produce según el principio de los cuatro tiempos.
Un ciclo Otto es una aproximación
teórica al comportamiento de un motor de encendido por bujía o de explosión. Se
representa en un diagrama p-V como en la figura adjunta. Siendo sus fases las
siguientes:
Admisión (1). El pistón desciende con la
válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de mezcla (aire y
combustible) en la cámara. (Expansión a presión constante puesto que al estar
la válvula abierta la presión es igual a la exterior). E-A.
Compresión (2). El pistón asciende
comprimiendo la mezcla, ambas válvulas permanecen cerradas (Comprensión
adiabática). A-B.
Combustión. Con el pistón en el punto
muerto superior, salta la chispa de la bujía, que inicia la combustión de la
mezcla a volumen prácticamente constante (ya que al pistón no le ha dado tiempo
a bajar). B-C.
Expansión (3). Debido a la combustión
se produce un ascenso brusco de temperatura que empuja al pistón hacia abajo,
realizando trabajo sobre él, las válvulas continúan cerradas. (Expansión
adiabática). C-D.
Escape (4). Se abre la válvula de
escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una temperatura
mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en
la siguiente admisión. El sistema es realmente abierto, pues intercambia masa
con el exterior. No obstante, dado que la cantidad de aire que sale y la que
entra es la misma podemos, desde el punto de vista del balance energético,
suponer que es el mismo aire, que se ha enfriado. Este enfriamiento ocurre en
dos fases. Cuando el pistón se encuentra en el punto muerto inferior, el
volumen permanece aproximadamente constante D-A.
Cuando el pistón empuja el aire hacia el
exterior, con la válvula abierta, A-E, cerrando el ciclo.
Motor
Diesel
Existen motores diesel de 2 tiempos
(utilizados para motores marinos y de tracción ferroviaria) y el de 4 tiempos
(los más usuales en vehículos terrestres por carretera), este ultimo funciona
por el principio de auto encendido o auto ignición, en el que la mezcla aire-combustible
arde por la gran presión y la elevada temperatura alcanzada en la cámara de
combustión, por lo que no es necesario la acción de una chispa para encender
dicha mezcla.
TIEMPO 1
Admisión. En la carrera de admisión,
entra aire del ambiente a través de la válvula de admisión y el pistón es
empujado del punto muerto superior (PMS), al punto muerto inferior (PMI).
TIEMPO 2
Compresión. Durante la carrera de
compresión, el pistón se mueve del punto muerto inferior (PMI), al punto muerto
superior (PMS), comprimiendo el aire admitido y elevando su temperatura a causa
de la alta relación de compresión, que oscila entre los 15:1 a 22:1. El
combustible es atomizado en la cámara de combustión, poco antes de llegar al
punto muerto superior en la carrera de compresión.
Adición de calor. Esta se obtiene a
partir de la quemada del combustible producida casi en el mismo instante en el
que se introduce debido a la alta temperatura del aire comprimido; esta fase no
se considera como tiempo o carrera, debido a que no existe movimiento del
pistón.
TIEMPO 3
Expansión. El pistón es impulsado del
punto muerto superior (PMS), al punto muerto inferior (PMI), expandiendo los
productos de la combustión para producir potencia.
TIEMPO 4
Escape. El pistón se mueve del punto
muerto inferior (PMI), al punto muerto superior (PMS), expulsando los gases de
la combustión después de expandirse, para concluir el ciclo.
El tiempo que transcurre entre la entrada
del combustible y la combustión se llama retardo a la inflamación, el cual
representa el tiempo de giro del cigüeñal que transcurre entre el comienzo de
la inyección y la inflamación del combustible.
Durante este periodo se está inyectando
combustible de forma continua. Este fenómeno produce un “picado”
particular, que aumenta a medida que lo hace el retardo a la inflamación.
Para reducir este fenómeno es necesario que
la combustión se inicie con el menor intervalo de tiempo respecto a la
inyección, por lo que se usa un combustible con un alto grado de “cetano” así como
una buena pulverización del mismo, con relaciones de compresión elevadas y
cámaras de alta turbulencia.
Sistemas
auxiliares
Sistema de lubricación: El uso de la
lubricación en un motor hace parte del buen funcionamiento del mismo, la función
principal de este sistema es evitar el desgaste excesivo de los
componentes móviles.Los cuales se encuentran en constante contacto y movimiento.
En algunos casos la fricción es una ventaja (fricción del embrague y fricción del
frenado).
Sistema de enfriamiento: El sistema de
enfriamiento mantiene el motora su temperatura más eficiente, en todas las
velocidades y condiciones de operación. Al quemarse el combustible en el motor
se produce calor, parte del cual debe ser eliminado antes que dañe las partes
del motor. Esta es una de las tres tareas que lleva a cabo el sistema de
enfriamiento. También ayuda a poner al motor a la temperatura de operación
normal tan rápido como sea posible.
El
sistema de arranque tiene dos circuitos separados pero relacionados. Uno es el circuito
de control de baja corriente. El otro es el circuito del motor de alta
corriente. Ambos operan con el voltaje de la batería. Cualquier
tipo de motor de arranque tiene dos componentes básicos, una armadura y un
ensamble de campo.
Sistema de encendido: La
finalidad del sistema de encendido es encender la mezcla comprimida de aire y combustible
de las cámaras de combustión del motor. Esto debe ocurrir en momento correcto
para que se inicie la combustión, el sistema de encendido entrega una chispa
eléctrica que salta un espacio en los extremos dé los electrodos de las bujías,
que sobresalen dentro de las cámaras de combustión.
Tipos de sistemas de encendido• Encendido
convencional (por ruptor).• Encendido electrónico por descarga decondensador.•
El encendido electrónico sin contactos tambiénllamado "encendido transistorizado"•
El sistema de encendido DIS (Direct IgnitionSystem)
Motor a
propulsión a chorro
PROPULSIÓN A CHORRO
La propulsión a chorro tiene como principio básico la presurización de un recipiente el cual contiene algún elemento llamado masa reactiva, misma que reacciona a la impresión o aplicación de energía. El motor "Jet" trabaja con los mismos principios que el cohete: el aire entra por la parte delantera del motor y es quemado con parafina. El gas que se forma se expande rápidamente y es impulsado fuera por detrás de los motores en un chorro que impulsa el avión hacia adelante con gran fuerza.
La propulsión a chorro tiene como principio básico la presurización de un recipiente el cual contiene algún elemento llamado masa reactiva, misma que reacciona a la impresión o aplicación de energía. El motor "Jet" trabaja con los mismos principios que el cohete: el aire entra por la parte delantera del motor y es quemado con parafina. El gas que se forma se expande rápidamente y es impulsado fuera por detrás de los motores en un chorro que impulsa el avión hacia adelante con gran fuerza.
MOTOR DE REACCIÓN
Los motores de reacción son aquellos tipos de motores en los que la propulsión se realiza mediante la reacción de una masa de gases, procedentes de unas cámaras de combustión, que salen al exterior en sentido contrario a la marcha del avión animados de una gran velocidad. Toda clase de propulsión que podamos imaginar ha de realizarse por reacción, es decir, como aplicación del teorema fundamental de la conservación de la cantidad de movimiento.
La diferencia fundamental entre un grupo moto-propulsor ordinario, con motor de cilindros y hélice, y un motor de reacción, es que, en el primero, los gases procedentes de la combustión tienen como misión mover un mecanismo propulsor (hélice), y éste, a su vez, lanzando hacia atrás una masa de aire, produce la necesaria reacción para el movimiento de avance; mientras que en los motores de reacción, los gases, procedentes de las cámaras de combustión, son lanzados al exterior, provocando ellos mismos la reacción o tracción de avance.
Los motores de reacción son aquellos tipos de motores en los que la propulsión se realiza mediante la reacción de una masa de gases, procedentes de unas cámaras de combustión, que salen al exterior en sentido contrario a la marcha del avión animados de una gran velocidad. Toda clase de propulsión que podamos imaginar ha de realizarse por reacción, es decir, como aplicación del teorema fundamental de la conservación de la cantidad de movimiento.
La diferencia fundamental entre un grupo moto-propulsor ordinario, con motor de cilindros y hélice, y un motor de reacción, es que, en el primero, los gases procedentes de la combustión tienen como misión mover un mecanismo propulsor (hélice), y éste, a su vez, lanzando hacia atrás una masa de aire, produce la necesaria reacción para el movimiento de avance; mientras que en los motores de reacción, los gases, procedentes de las cámaras de combustión, son lanzados al exterior, provocando ellos mismos la reacción o tracción de avance.
Turbina de
gas
El principio de operación en una
turbina de gas obedece al siguiente esquema: el aire entra al compresor donde
se incrementa su presión y temperatura, posteriormente se mezcla con el
combustible y ocurre la combustión.
Los gases calientes se expanden hasta
presión atmosférica y producen trabajo en la turbina.
El compresor opera con una parte de la
energía que desarrolla la turbina (aproximadamente un 65%), y la energía
restante, es la energía mecánica disponible en el eje de la turbina.
Un generador eléctrico se conecta al eje de
la turbina y produce electricidad. El calor de los gases de combustión se
recupera mediante calderas recuperadoras de calor, HRSG.
La combustión se lleva a cabo con un alto exceso
de aire, por lo que los gases de escape a la salida de la cámara de combustión,
con una alta temperatura, poseen altas concentraciones de oxígeno (hasta un
16%). La alta temperatura del ciclo se registra en este punto (la salida de la
cámara de combustión), a mayor temperatura mayor la eficiencia del ciclo y con
la tecnología disponible hasta el momento se pueden lograr temperaturas de
hasta 1300 ºC. Posteriormente, después de expandirse, los gases de escape
abandonan la turbina a una temperatura entre 450 y 600 ºC.
Se debe poner especial atención al hecho de
que los álabes de la turbina, en el ciclo abierto, se exponen directamente a
los gases de escape por lo que los productos de combustión no deben contener
constituyentes que causen corrosión.
A medida que la tecnología avance permitirá
una mayor temperatura a la entrada de la turbina, con una relación de presión
también mayor. Mayor temperatura y relación de presión resultará en una mayor
eficiencia y potencia.
Así la tendencia general en las turbinas de
gas es avanzar en una combinación de alta temperatura y presión. Aunque estos
avances aumentan los costes de fabricación de la máquina, el alto valor, en
términos de una mayor potencia y alta eficiencia, proporcionará beneficios
económicos netos.
Las características de operación de las
turbinas de gas dependen de las condiciones del aire ambiental, la calidad del
combustible, el suministro de agua de enfriamiento, la inyección de agua y la
altitud principalmente.
El consumo de combustible puede disminuir
precalentando el aire comprimido con el calor de los gases de escape de la
turbina usando un recuperador o un regenerador, el trabajo de compresión puede
reducirse y la potencia aumentar con el uso de interenfriamiento y
preenfriamiento, y los gases de escape utilizarse en un HRSG para producir
vapor y generar trabajo en un ciclo combinado.
Rendimiento
Parece importante empezar definiendo el
concepto de eficiencia o rendimiento que vamos a utilizar indistintamente a lo
largo de todo el artículo. Así pues, entendemos el rendimiento de un
motor como el trabajo realizado por cada unidad de energía consumida.
Si el trabajo realizado por el motor
(generación de movimiento) fuese igual a la energía química del combustible utilizado
para producirlo, la eficiencia de ese supuesto motor sería de un 100% (eficiencia
perfecta).
Obviamente, ningún proceso puede tener
una eficiencia superior al 100% porque eso sería tanto como decir que se
estaría creando energía nueva. El primer principio de la termodinámica
(conservación de la energía) niega esta posibilidad.
Por otro lado, cuando el trabajo realizado
es menor que la energía consumida, la pérdida o diferencia entre ambos
valores se transforma en calor, que podemos considerar como energía inútil
y por lo tanto perdida.
Conclusión
Los procesos termodinámicos de los motores de combustión interna
por lo general constan de procesos isotérmicos o adiabáticos, es importante conocer
de que constan los procesos de intercambio de calor y su funcionamiento mecánico
así como los diferentes usos que se le da a cada tipo de motor para conocer sus
eficiencias, sus ventajas y desventajas, y de esa manera mejorar los
mantenimientos de cada uno
bibliografía
Anderson Carbajalel 30 de Octubre de 2014
MateoLeonidez, 17 de diciembre del 2011
Nilson GR, 13 de sep de 2015
Energisa, 2011
Diariomotors, 22 de septiembre 2017
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