Motores Termicos y Sus Sistemas Auxiliares

A U T O M O C I Ó N MOTORES TÉRMICOS Y SUS SISTEMAS AUXILIARES

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RELACION DE COMPRESIÓN, CILINDRADA

ÍNDICE

PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS ......................................................................01 CILINDRADA ...................................................................................................02 RELACIÓN DE COMPRESIÓN .............................................................................05 RELACIÓN CARRERA / DIÁMETRO .....................................................................06 · MOTORES CUADRADOS ...............................................................................06 · MOTORES SUPERCUADRADOS O DE CARRERA CORTA ......................................07 · VENTAJAS DE MOTORES CUADRADOS Y SUPERCUADRADOS .........................07 · MOTORES DE CARRERA LARGA ....................................................................08 · VENTAJAS DE LOS MOTORES DE CARRERA LARGA ........................................09 VELOCIDAD MEDIA DEL PISTÓN ........................................................................10 RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO ...........................................................................11 BALANCE TÉRMICO DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA .............................13 RENDIMIENTO DEL MOTOR ............................................................................14 NÚMERO DE REVOLUCIONES ..............................................................................14 RELACIÓN ENTRE LAS REVOLUCIONES POR MINUTO DEL CIGÜEÑAL .....................15 (R.P.M.) Y LA CARGA DEL MOTOR PRESIÓN MEDIA EFECTIVA ...............................................................................17


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PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS Los motores alternos de combustión interna se caracterizan por algunos parámetros fundamentales (de los que reflejamos su definición y significado) que representan características peculiares, en base a los cuales se pueden efectuar consideraciones y comparaciones tanto de tipo geométrico como de tipo funcional. -Punto muerto superior (P.M.S.): posición del pistón más cercana a la culata. -Punto muerto inferior (P.M.I.): posición del pistón más lejana de la culata. -Diámetro (d): diámetro interior de la camisa cilindro donde se mueve el pistón. -Carrera (c): distancia recorrida por el pistón en su desplazamiento del P.M.S. y el P.M.I. igual, al doble del radio de la manivela. -Volumen total del cilindro (V1): volumen incluido entre la culata y el pistón cuando éste se encuentra en el P.M.I. -Volumen cámara de combustión (V2): volumen incluido entre la culata y el pistón cuando éste se encuentra en el P.M.S. -Cilindrada V = (V1 – V2): volumen generado en el desplazamiento del pistón del P.M.I. al P.M.S.

P.M.S.

P.M.I.

Parámetros geométricos fundamentales

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A continuación examinaremos los principales parámetros característicos del motor.

CILINDRADA

Cilindrada

Es el parámetro geométrico del volumen (cilindrada) y está determinado por: - El diámetro interior del cilindro donde se desliza el pistón. - La carrera: el espacio recorrido por el pistón en su desplazamiento desde el P.M.S. al P.M.I.. La cilindrada unitaria (cm3), es el volumen generado por el desplazamiento del pistón en una carrera. V = s x c = (π x c x r2 ) = [π x c x (d2 /4)], siendo: V = cilindrada unitaria en cm3 (volumen del cilindro) s = superficie del círculo en cm 2 = π x r2



π = 3,1416 r2 = radio del círculo al cuadrado en cm c = carrera del pistón en cm d = diámetro del pistón en cm

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Para obtener el valor en dm3 o litros: V = (s x c)/1000 = ( π x c x r 2

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)/1000 = [

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π

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c x (d 2 /4)]/1000

Cilindrada unitaria

Ejemplo: Calcular la cilindrada unitaria (volumen) de un cilindro de un motor, con los siguientes parámetros: Carrera del pistón = 90 mm Diámetro = 84 mm V=sxc s = π x r2 s = 3,1416 x (42 mm)2 s = 5541,8 mm2 V = 55416 mm2 x 90 mm V = 498760 mm3 Para transformar los mm3 en cm3 dividir entre 1000. V = 498760 : 1000 = 498,760 cm3 V = 498,760 cm3

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La cilindrada total es el producto de la cilindrada unitaria por el número de cilindros del motor (Vt = V x n), siendo: Vt = cilindrada total (volumen total) V = cilindrada unitaria (volumen del cilindro) n = nº de cilindros del motor

Cilindrada total

Ejemplo: Calcular la cilindrada total de un motor de cuatro cilindros con los parámetros anteriores. Para hallar la cilindrada total (Vt ) se multiplica la cilindrada unitaria ( V )  p o r número de cilindros que tenga el motor.

el

Vt = V x n Vt = 498,760 cm3 Vt = 1995 cm3 Vt = 1995 cm3

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RELACIÓN DE COMPRESIÓN Se denomina relación de compresión (ρ), a la relación entre el volumen total cilindro V1 y el volumen de la cámara de combustión V2.

ρ = V 1 /V 2 = (V 2 + V1 – V2) / V2 = 1 + (cilindrada unitaria / V2 )=1 + (V/V2 )

Relación de compresión

Ejemplo: Calcular la relación de compresión de un motor de cuatro cilindros con los parámetros anteriores de cilindrada unitaria (V) y un volumen en la cámara de combustión de 38,2 cm3:

ρ= 1 + (V / V2) = 1 + (498,76 cm3 /38,2 cm3 )= 14,056

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RELACIÓN CARRERA / DIÁMETRO La relación entre la carrera y el diámetro en los motores puede ser de tres tipos: -Motores cuadrados. -Motores supercuadrados o de carrera corta. -Motores de carrera larga.

MOTORES CUADRADOS Son los motores cuya relación carrera del pistón / diámetro del cilindro es igual a uno. Ejemplo: Un motor que tenga una carrera de 80 mm y un diámetro de 80 mm, tendrá una relación de:  80 mm de carrera / 80 mm de ∅ = 1

Motor cuadrado

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MOTORES SUPERCUADRADOS O DE CARRERA CORTA Son los motores cuya relación carrera del pistón / diámetro es inferior a uno (hasta 0,7 veces aproximadamente). Ejemplo: Un motor que tenga una carrera de 80 mm y un diámetro de 90 mm, tendrá una relación de: 80 mm de carrera / 90 mm de ∅ = 0,888

Motor supercuadrado

VENTAJAS DE MOTORES CUADRADOS Y SUPERCUADRADOS Las ventajas que se obtienen en un motor con una carrera del pistón igual o menor que el diámetro del cilindro se resumen en: -Mayor espacio para ubicar las válvulas (particularmente en el caso de cuatro válvulas por cilindro) y la bujía, al ser la culata más amplia; además las válvulas pueden ser más grandes. -La velocidad media del pistón disminuye con igual cilindrada y número de revoluciones. -Se reduce la inercia, ya que el efecto positivo que produce la menor velocidad (a causa de la menor carrera), es mayor que el efecto negativo que produce el aumento de la masa del pistón ( la inercia es proporcional a la masa y al cuadrado de la velocidad ). -El cigüeñal es más rígido ya que las manivelas (muñequillas) son más cortas.

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Ventajas de motor con carrera corta

MOTORES DE CARRERA LARGA Son los motores cuya relación carrera del pistón / diámetro del cilindro es superior a uno (hasta 1,2 veces aproximadamente). Ejemplo: Un motor que tenga una carrera del pistón de 90 mm y un diámetro del cilindro de 80 mm, tendrá una relación de: 90 mm de carrera / 80 mm de ∅ = 1,125

Motor de carrera larga

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VENTAJAS DE LOS MOTORES DE CARRERA LARGA Las ventajas que se obtienen en un motor con una carrera del pistón superior al diámetro del cilindro se resumen en: -Obtener un mayor rendimiento desde el punto de vista térmico de la cámara de combustión. -La cámara de combustión reduce las emisiones contaminantes en el escape, particularmente los HC (hidrocarburos).

Ventajas de motor con carrera larga

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VELOCIDAD MEDIA DEL PISTÓN Por cada vuelta (revolución) del cigüeñal el pistón recorre un espacio que corresponde a dos carreras del mismo. La velocidad media del pistón se puede indicar con la siguiente fórmula: u = (2C/1000) x (n/60) Donde: u = velocidad media del pistón en m/s. C = carrera en mm. n = velocidad de rotación del motor en r.p.m. En los motores para automóviles el valor de la velocidad media del pistón es aproximadamente de 10 a 15 m/s (metros por segundo) y difícilmente se superan los 20 a 22 m/s incluso en el caso de coches de competición, a causa del elevado esfuerzo mecánico que se deriva.

Límite de velocidad del pistón

Las fuerzas alternas de inercia (que derivan del movimiento alterno del pistón) y las fuerzas centrífugas (que origina la rotación del cigüeñal) son las que provocan las fuerzas mecánicas que se pierden al aplicarse contra el bloque del motor en lugar de aprovecharse sobre el cigüeñal.

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Las fuerzas alternas de inercia se consideran proporcionales a la velocidad media del pistón y a la cilindrada unitaria. Por lo tanto entre dos motores con igual cilindrada unitaria y que funcionen con el mismo régimen de rotación, el motor con mayor velocidad media del pistón (mayor carrera) está sujeto a fuerzas de inercia más elevadas y por lo tanto a un mayor esfuerzo perdido sobre el bloque, o lo que es lo mismo, a igual velocidad media del pistón el motor con mayor cilindrada es el que pierde más esfuerzo sobre el bloque por poseer mayor masa los pistones.

Esfuerzo de los pistones en función de la carrera

RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO Las prestaciones del motor dependen entre otros factores de la cantidad de aire utilizado. Cuanta más cantidad de aire introducido en los cilindros, más cantidad de combustible puede quemarse, por consiguiente cuanta más energía se transforme en el motor más trabajo útil puede obtenerse.

Rendimiento volumétrico

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El rendimiento volumétrico o coeficiente de llenado ηV, nos indica la relación entre la masa de aire efectiva que entra en el cilindro y la masa que teóricamente puede introducirse. La masa de aire efectiva que entra en el cilindro dependiendo del régimen de rotación del cigüeñal, se mide con pruebas efectuadas en el banco de potencia, la teórica se calcula en base a la cilindrada unitaria y al régimen de rotación del cigüeñal, teniendo en cuenta la densidad atmosférica. El rendimiento volumétrico de un motor varía con las revoluciones del cigüeñal ya que la resistencia que el fluido encuentra en los conductos de admisión depende de su forma y es mayor al aumentar la velocidad del fluido mismo.

Dispositivo para aumentar el rendimiento volumétrico: Colectores largos y cortos

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BALANCE TÉRMICO DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA Se le denomina balance, porque la suma del trabajo y de las pérdidas (salidas) debe ser igual al trabajo que puede desarrollar la energía suministrada (entradas). De toda la energía térmica del combustible empleada sólo se utiliza una parte para producir trabajo útil, mientras que el resto se consumirá según el siguiente gráfico: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Poder calorífico del combustible. Calor transformado en trabajo. Calor contenido en los gases de escape. Calor transmitido por los gases a las paredes. Calor dado por las resistencias pasivas. Calor perdido con los gases de escape. Calor perdido en el líquido refrigerante. Calor perdido por irradiación.

Balance térmico

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RENDIMIENTO DEL MOTOR Es la relación existente entre el trabajo útil desarrollado por el motor en un ciclo de funcionamiento y la energía térmica del combustible consumida para desarrollar dicho trabajo.

Comparación de vehículos con distintos rendimientos.

NÚMERO DE REVOLUCIONES Se elige el número de revoluciones en base al uso del motor. El funcionamiento con varias velocidades de rotación es una característica de los motores para vehículos. Es obvio que entre dos motores de igual cilindrada, que funcionen con regímenes distintos pero que tengan el mismo grado de llenado del cilindro, es más potente el motor más veloz. De hecho en este caso la cantidad de aire y de combustible introducidos es proporcional al número de revoluciones. Revoluciones elevadas se adoptan, en los límites permitidos por las características del motor, cuando se desean potencias elevadas junto con reducidas dimensiones y peso. Al contrario, un elevado régimen de rotación hace aumentar la velocidad media del pistón y por consiguiente, el esfuerzo del motor. Podemos afirmar que un mayor número de revoluciones del motor mejora la relación peso/potencia, pero reduce la duración. La siguiente tabla refleja los valores indicativos del número máximo de revoluciones de algunos tipos de motor. Motor

Tipo de empleo

Ciclo Otto (4 tiempos)

Turismo Competición Vehículos Vehículos industriales

Ciclo Diesel (4 tiempos)

Régimen de rotación r.p.m. máximo 5000÷6000 12000÷14000 4000÷5000 1800÷2500

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RELACIÓN ENTRE LAS REVOLUCIONES POR MINUTO DEL CIGÜEÑAL (R.P.M.) Y LA CARGA DEL MOTOR Las fuerzas motrices que hacen girar al cigüeñal, dependen de la presión que los gases realizan en la cabeza del pistón al quemarse, mientras que las que se oponen a su rotación, son los rozamientos internos del motor y la resistencia exterior (todos los órganos auxiliares y la resistencia que opone el vehículo al desplazarse), que se llaman carga resistente y que es un par resistente aplicado al cigüeñal. La regulación de la carga resistente y de la velocidad del motor es una cuestión de equilibrio entre las fuerzas que producen la rotación del cigüeñal y las que se oponen a ella. Establecido el régimen de rotación, si varía la carga resistente se desequilibra el esfuerzo del motor y esto debe compensarse con una variación proporcional de las fuerzas motrices, para que no cambie el régimen de rotación.

Repercusión de las variaciones de la carga

En el motor Otto la regulación de la cantidad de combustible se realiza simultáneamente a la del aire, mediante una válvula de mariposa. En el motor Diesel sólo se regula el combustible, variando el caudal de la bomba de inyección. Se denominan puntos de funcionamiento con aceleración parcial a todo el conjunto de posibles combinaciones de fuerzas producidas por el motor (cargas) y de revoluciones, incluidas entre el funcionamiento al mínimo (fuerza producida por el motor prácticamente

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nula y régimen de revoluciones mínimo) y el funcionamiento con plena aceleración (máxima fuerza para todos los regímenes de rotación del cigüeñal).

Carga parcial

Durante el funcionamiento del motor con plena aceleración, variando la carga resistente obtendremos el régimen de rotación del cigüeñal en el que el motor suministra la máxima potencia. Si, a partir de estos valores aumentamos la carga resistente, el régimen de revoluciones del cigüeñal y la potencia del motor disminuyen; si por el contrario se reduce la carga resistente, el régimen de revoluciones del motor aumenta pero la potencia desarrollada por el mismo disminuye.

Variaciones de la potencia en función de la carga

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PRESIÓN MEDIA EFECTIVA La presión media efectiva (abreviada con p.m.e.) es un parámetro fundamental para valorar las prestaciones del motor. De hecho, multiplicándola por el área del pistón, se obtiene la fuerza media que cada pistón desarrolla en la manivela del cigüeñal. P = F / S de donde F = P x S = p.m.e. x S P = Presión. F = Fuerza. S = Superficie. p.m.e. = Presión media eficaz en Kg/cm2. La presión media efectiva es por lo tanto proporcional al par motriz del motor y, para un régimen determinado de rotación, a la potencia suministrada. La presión media efectiva mide los efectos activos (empuje de los gases durante las fases de combustión y de expansión) y los pasivos (pérdidas de calor, pérdidas por fricción, rendimiento volumétrico, etc.) que se verifican durante un ciclo operativo, tanto en cuatro como en dos tiempos, de un ciclo Diesel o un ciclo Otto. La tabla indica los valores medios de presión media efectiva de algunos tipos de motores aplicados en los vehículos.

Motor Ciclo Otto

Ciclo Diesel (4 tiempos)

Tipo de alimentación Aspirado (4 tiempos) Sobrealimentado(4 tiempos) 2 tiempos Aspirado Sobrealimentado

p.m.e. kg/cm 2 8 ÷ 13 9 ÷ 16 6 ÷ 8 7 ÷ 12 9 ÷ 14

Presión media efectiva para algunos tipos de motor

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