ensayo tipos de motores
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Benemérita universidad Autónoma de Puebla
Ingeniería Mecánica y Eléctrica
DHTICS
Alumno:
Gerardo Stefano Morales Iturrubiates
Matricula:
201209237
Actividad:
Ensayo: Tipos de Motores
Introducción.
El avance tecnológico en las ultimas décadas en lo que se refiere a la mecánica y
en particular al desarrollo de los motores han empezado a generar nuevas
opciones para continuar utilizando esta herramienta sin ocasionar un impacto
ambiental tan marcado como el que hasta en este momento se sigue ocasionando
por la emisión de gases altamente contaminantes.
Esta investigación tiene por objetivo mostrar en primer lugar el funcionamiento de
cualquier motor de combustión, el proceso de su invención, así como también las
nuevas alternativas ecológicas que se están planteando con el fin de reducir las
emisiones contaminantes, son esto se pretende dar a conocer que la tecnología
en la actualidad debe de ir de la mano con el mejoramiento de la calidad ambiental
lo que provoca por consiguiente una mejor calidad de vida.
(Historia de los motores)
Los motores hidráulicos son los más antiguos conocidos (Herón de Alejandría, S. I
a. J.C.), utilizaban como fuerza motriz la energía de una masa de agua que cae
desde cierta altura, llamada salto. Esta energía se transforma en trabajo útil
disponible en el eje de la máquina, que antaño era la rueda hidráulica,
actualmente la turbina.
El motor nace por la necesidad de trabajos que, bien por duración, intensidad,
manejabilidad o mantenimiento, no puede ser realizado por animales.
Cronología del motor:
Alrededor del 600 d. De J.C. aparecen los molinos de viento, que convierten la
energía del viento en movimiento de máquinas.
En 1712 el inventor inglés Thomas Newcomen (1663-1729) construye una
máquina de vapor con pistones y cilindros que resulta muy eficiente,
- En 1770 el militar francés Nicolás-Joseph Cugnot (1725-1804) consigue amoldar
su motor a vapor a su carreta.
-1782. El ingeniero escocés James Watt (1736-1819) construye una máquina a
vapor mucho más eficiente que la máquina de Newcomen.
- El ingeniero franco-belga Etienne Lenoir (1822-1900) construye en 1859 un
motor de combustión interna.
- El alemán Nikolaus Otto (1832-1892) construye un motor de 4 tiempos en 1877.
- Germán W. Daimler construye en 1883 un motor de combustión interna muy
veloz.
- El ingeniero inglés Charles Parsons (1854-1931) diseña el primer generador
electrónico de turbina a vapor.
- 1892. El alemán Rudolf Diesel inventa un motor (llamado motor diesel
posteriormente) que funciona con un combustible que se prende a gran presión.
En la práctica el motor resulta ser mucho más eficiente que los motores de
combustión interna existentes en aquel momento.
- 1903. Los hermanos Orville (1871-1948) y Wilbur (1867-1912) realizan el primer
vuelo con motor con su Kitty Hawk que usa un motor de combustión interna.
- El ingeniero británico Frank Whittle (1907) construye en 1937 el primer motor a
reacción que funciona.
- Hans von Ohain, ingeniero alemán, construye y pilota el Heinkel He 178, primer
avión con motor a reacción. En 1939.
- 1970.Se utiliza el motor a reacción con turboventilador, el más frecuente hoy en
día en los aviones, sustituyendo a los antiguos motores 4 tiempos con hélices.
1.1 - Clases de motores:
Existe una gran variedad de motores distintos, con una finalidad distinta, para un
tipo específico de vehículo, para un determinado uso, unos más caros, más
ecológicos, etc.
Estos son los más importantes:
- Combustión interna: Motor en que la energía suministrada por un combustible
es transformada directamente en energía mecánica.
- Explosión: transforma la energía obtenida por combustión de una mezcla
gaseosa carburada, proveniente del carburador, en energía mecánica utilizada
para propulsar un émbolo que actúa sobre una biela la cual mueve el cigüeñal y a
través de transmisiones provoca el movimiento de las ruedas.
- De reacción o cohete: La acción mecánica se realiza mediante la expulsión de
un flujo gaseoso a gran velocidad, que crea una gran cantidad de movimiento al
ser expulsada por la parte posterior a una velocidad muy elevada.
- Eléctrico: Se dividen en tres categorías fundamentales: Asíncronos, Síncronos,
y de colector. Los dos primeros funcionan solo con corriente alterna, monofásica,
trifásica o polifásica, mientras que el tercer tipo se utiliza tanto con corriente
alterna como continua.
- Térmico: Transforma la energía térmica en energía mecánica.
- Stirling: que obtiene potencia mecánica de la expansión de un gas encerrado a
alta temperatura.
- Diesel: motor que aspira aire puro, sin mezcla de combustible. En el tiempo de
compresión, el aire se comprime, con lo que alcanza una temperatura
extraordinariamente alta.
- De arranque: Motor eléctrico adicional utilizado para efectuar la puesta en
marcha del motor de explosión, mediante un sistema de acoplamiento de
engranajes.
- Émbolo rotativo: trabaja con un ciclo de 4 tiempos que realiza en una rotación
de émbolos, el cual presenta un perfil triangular de lados curvos, en una cavidad
con forma de elipse.
- De émbolos libres: Tiene dos émbolos desprovistos de biela y que se mueven
en un mismo cilindro, uno frente a otro, con movimientos alternativos opuestos,
teniendo lugar la inyección de combustible en la parte central.
- De pólvora: Máquina en la que se prendía una carga de pólvora en el interior de
un cilindro, para poder impulsar el pistón.
- Vapor: El vapor penetra por un cilindro, por debajo de un émbolo, y se condensa
con un chorro de agua fría. Este proceso genera un vacío parcial, y la presión
atmosférica que actúa por encima del émbolo lo hace bajar.
- Hidráulico: utiliza como fuerza motriz la energía de una masa de agua que cae
desde cierta altura llamada salto.
- Eólico: Utiliza el empuje del viento con ayuda de máquinas llamadas
aeromotores.
Funcionamiento de los Primeros Motores.
2.1 Mecanismo de un motor de combustión interna.
Un motor de combustión interna basa su funcionamiento, como su nombre lo
indica, en el quemado de una mezcla comprimida de aire y combustible dentro de
una cámara cerrada o cilindro, con el fin de incrementar la presión y generar con
suficiente potencia el movimiento lineal alternativo del pistón.
.
Este movimiento es transmitido por medio de la biela al eje principal del motor o
cigüeñal, donde se convierte en movimiento rotativo, el cual se transmite a los
mecanismos de transmisión de potencia (caja de velocidades, ejes, diferencial,
etc.) y finalmente a las ruedas, con la potencia necesaria para desplazar el
vehículo a la velocidad deseada y con la carga que se necesite transportar.
Mediante el proceso de la combustión desarrollado en el cilindro, la energía
química contenida en el combustible es transformada primero en energía
calorífica, parte de la cual se transforma en energía cinética (movimiento), la que a
su vez se convierte en trabajo útil aplicable a las ruedas propulsoras; la otra parte
se disipa en el sistema de refrigeración y el sistema de escape, en el
accionamiento de accesorios y en perdidas por fricción.
En este tipo de motor es preciso preparar la mezcla de aire y combustible
convenientemente dosificada, lo cual se realizaba antes en el carburador y en la
actualidad con los inyectores en los sistemas con control electrónico. Después de
introducir la mezcla en el cilindro, es necesario provocar la combustión en la
cámara de del cilindro por medio de una chispa de alta tensión que la proporciona
el sistema de encendido.
En un motor el pistón se encuentra ubicado dentro del cilindro, cuyas paredes le
restringen el movimiento lateral, permitiendo solamente un desplazamiento lineal
alternativo entre el punto muerto superior (PMS) y el punto muerto inferior (PMI); a
dicho desplazamiento se le denomina carrera.
.
Tanto el movimiento del pistón como la presión ejercida por la energía liberada en
el proceso de combustión son transmitidos por la biela al cigüeñal Este último es
un eje asegurado por los apoyos de bancada al bloque del motor, y con unos
descentramientos en cuales se apoyan las bielas, que son los que permiten que el
movimiento lineal del pistón transmitido por la biela se transforme en un
movimiento circular del cigüeñal.
Este movimiento circular debe estar sincronizado principalmente con el sistema de
encendido y con el sistema valvular, compuesto principalmente por el conjunto de
válvulas de admisión y de escape, cuya función es la de servir de compuerta para
permitir la entrada de mezcla y la salida de gases de escape
Normalmente las válvulas de escape son aleadas con cromo con pequeñas
adiciones de níquel, manganeso y nitrógeno, para incrementar la resistencia a la
oxidación debido a las altas temperaturas a las que trabajan y al contacto
corrosivo de los gases de escape.
La mayoría de los motores de combustión interna trabajan con base en un ciclo de
cuatro tiempos, cuyo principio es el ciclo termodinámico de Otto (con combustible
gasolina o gas) y el ciclo termodinámico de Diesel (con combustible A.C.P.M.). Por
lo tanto, su eficiencia está basada en la variación de la temperatura tanto en el
proceso de compresión isentrópico1, como en el calentamiento a volumen (Otto) o
presión constante (Diesel).
El ciclo consiste en dos carreras ascendentes y dos carreras descendentes del
pistón. Cada carrera coincide con una fase del ciclo de trabajo y recibe el nombre
de la acción que se realiza en el momento, así:
Admisión Compresión
Combustión - Expansión
Escape
2.2 Funcionales pero ¿Ecológicos?
El investigador Luis Seguessa, titular de la Fundación Códigos con sede en Punta
del Este, Uruguay, recientemente ha informado que las nieves eternas del Ártico
dejarán de serlo en poco más de 10 años. Otros investigadores amplían la cifra
(hasta el 2040) pero nadie duda que eso ocurrirá en el futuro cercano, y con ello
una serie terrible de consecuencias.
La causa es conocida de todos: los responsables son los motores de combustión
interna que mueven todas nuestras máquinas, desde nuestros automotores hasta
nuestras enormes termoeléctricas.
Seguessa, asimismo, indicó que entre los meses de septiembre y octubre de este
año ocurrieron los peores desprendimientos en el Ártico de que tengamos
memoria. Para Seguessa: “la desaparición del Ártico es la antesala del fin, ya que
las grandes cantidades de metano que se encuentran allí en forma de hidratos se
escaparán y ocasionarán más calentamiento aún y al final explosiones
incontrolables para el hombre”. Y continúa: “está muy instaurado en la mente de
las personas y en el mundo científico en general que son las emisiones de gases
las que provocan el calentamiento global; porque esa es la parte visible del
asunto, sin embargo nosotros insistimos en que esto es cierto, pero que el mayor
responsable del debilitamiento de la capa de ozono es el consumo de oxígeno, y
es por eso que ya se han encontrado desiertos de oxígeno en el mar”.
Según Seguessa, son los motores de combustión interna (que impulsan a los
automóviles y otros medios de transporte) los mayores responsables en el asunto
por requerir una gran cantidad de oxígeno para poder funcionar: “un vehículo
consume entre 50 y 100 litros de aire promedio por segundo.
Teniendo en cuenta la actual población automotora (560 millones de unidades en
todo el globo), son 20,000 millones de litros de aire que se consumen por segundo
en el planeta y que se devuelven a la atmósfera a medio quemar y en forma
explosiva.
Y casi el 20 por ciento de ese consumo (cuatro mil millones de litros por segundo)
es oxígeno puro que es tomado de la capa de ozono. La cifra es tan grande que
no le da tiempo ni a la cubierta vegetal del planeta ni a la plataforma marina para
poder reponer esta pérdida”.
Y el sabio nos alerta: “si se sigue debilitando la capa de ozono debido al consumo
masivo por parte de los motores de combustión interna, se escapará el metano
haciendo que los gases que están a medio combustionar comprimidos en la
atmósfera se hagan más volátiles aún”.
Por lo tanto, Seguessa plantea que es necesario cambiar la tecnología que
propulsa los medios de transporte para evitar así “las lamentables pérdidas y
cataclismos del planeta”.
También alertó que en el 2012 el sol llegará a su punto máximo de energía
liberada, y que esto puede encender el azufre comprimido en la atmósfera si se
sigue debilitando la capa de ozono.
Es menester que los gobiernos y los ciudadanos tomemos cartas en el asunto
pues la tecnología para revertir el problema ya existe: el transporte eléctrico, de
preferencia masivo es la mejor manera de trasladar personas y mercancías.
La bicicleta también es una buena opción cuando se trata de recorridos cortos y
planos. Es por todo esto que no podemos dejar de insistir a nuestro gobierno
respecto a la necesidad, a la urgencia, de modificar el caótico sistema de
transporte de nuestro país.
Motores de Nueva Generación.
3.1 Motores Híbridos
El término propulsión híbrida es utilizado para referirse a vehículos con más de
una fuente de propulsión. Los sistemas híbridos pueden incorporar varios tipos de
acumuladores de energía y/o conversores de energía.
El objetivo del desarrollo de las tecnologías híbridas es combinar dos fuentes de
energía, de manera que las cualidades de cada sistema sean utilizadas bajo
condiciones de generación variables, de tal forma que las ventajas globales del
desarrollo del sistema híbrido pesen más que el costo de su configuración.
En este trabajo se presenta una clasificación de los vehículos híbridos, una
descripción de la tecnología incluyendo ventajas y desventajas de este tipo de
vehículos, experiencias realizadas, una comparación con motores convencionales
y por último una descripción del sistema híbrido del tipo turbina-eléctrico.
Aquellos híbridos que combinan un motor de combustión interna (MCI) y un motor
eléctrico son los únicos sistemas híbridos que han tenido un desarrollo serio.
Existen dos tipos básicos de sistema: híbridos en serie e híbridos en paralelo.
Utilizan el MCI acoplado a un generador, el que produce electricidad para el motor
eléctrico que acciona el giro de las ruedas. Es llamado híbrido en serie pues el
flujo de energía se mueve en línea directa. Al estar el MCI desacoplado de la
tracción, es posible que opere a una velocidad constante en una vecindad próxima
a su punto óptimo de operación en términos de eficiencia y emisiones, mientras
carga la batería.
Una desventaja del sistema es que la energía debe ser convertida varias veces,
siendo la eficiencia mecánica entre el MCI y el eje de tracción difícilmente superior
al 55% (esto incluye la eficiencia de almacenamiento de la batería). Otra
desventaja es que requiere un motor más grande y pesado que en el sistema en
paralelo, lo que no presenta graves consecuencias en buses para transporte
público.
La tecnología híbrida fue diseñada para operar en zonas urbanas, donde existan
problemas de polución ambiental, por lo que el sistema híbrido es muy adecuado
para cumplir con el objetivo de reducción de emisiones contaminantes
atmosféricas, especialmente en buses de transporte público. Operando
únicamente como vehículo eléctrico, con la energía guardada en las baterías,
tienen una autonomía de 80 a 200 km.
Sistema de frenos regenerativo:
Al desacelerar o frenar, el motor eléctrico actúa como generador, recuperando la
energía cinética desde las ruedas, convirtiéndola en electricidad que puede ser
guardada en la batería. Frenos de fricción tradicionales son requeridos, así como
un sistema de control electrónico que permita maximizar la recuperación de
energía y pueda operar el sistema dual de frenos. Sistemas comerciales en uso
permiten recuperar alrededor de un 30% de la energía cinética típicamente
perdida como calor en frenos de fricción. La energía recuperada al freno puede
reducir el consumo energético en 15% en conducción en ciudad.
Generador:
Un generador sincrónico de corriente alterna produce la electricidad para cargar
las baterías. Funciona también como motor de partida para el motor diesel.
Motor eléctrico:
Un motor sincrónico de corriente alterna, compacto, de bajo peso y alta
eficiencia.
Inversor:
El inversor cambia la corriente continua de la batería en corriente alterna para
mover el motor eléctrico, y cambia la corriente alterna del generador en corriente
continua para cargar la batería. También varía la frecuencia de la corriente,
dependiendo de las revoluciones del motor eléctrico para maximizar la eficiencia.
El inversor debe ser enfriado por agua.
Divisor de potencia (híbridos en paralelo):
El sistema híbrido en paralelo necesita de un divisor de potencia, que utiliza un
engrane planetario que distribuye el giro del motor C.I entre la tracción y el
generador. Controlando las revoluciones del generador, el divisor funciona
también como una transmisión continua y variable.
Baterías:
Se utilizan las baterías diseñadas para vehículos eléctricos, requiriendo una alta
densidad de energía, peso liviano y una larga vida.
Ultra-capacitores:
Se ha desarrollado también la tecnología de Ultra capacitores para el
almacenamiento de la energía. Al no depender de reacciones químicas (como las
baterías) pueden ser cargados y descargados rápidamente. El Ultra capacitores
entrega la energía almacenada en él, como un pulso eléctrico poderoso. Se
encuentran en etapa de desarrollo comercial.
No necesitan de carga externa: Al contrario de los autos eléctricos, los híbridos no
necesitan una carga externa, por lo que no tienen los problemas de autonomía de
los vehículos eléctricos. El único abastecimiento que necesita es combustible,
como los vehículos diesel convencionales - pero en una menor cantidad.
Evitan marchas en vacío: Los vehículos híbridos encienden y apagan el MCI
según lo requerido. Cuando el vehículo está parado o se encuentra a bajas
velocidades, el motor se apaga completamente. Los sistemas convencionales
requieren que el motor sea diseñado para responder a los peak de demanda, sin
embargo el vehículo usualmente opera a niveles significativamente menores, lo
que implica que los motores sean mayores de lo necesario para la mayor parte de
la operación, consumiendo por lo tanto más combustible y generando mayores
emisiones. En los sistemas híbridos, los peak de demanda pueden ser satisfechos
por la potencia de las baterías en combinación con el motor.
Menores emisiones: La reducción de emisiones, comparado con un vehículo
tradicional, es del orden de 90% para NOx, 70% para VOC, 30% para CO y 100%
para material particulado.
Comparación de la marcha con MCI convencional: Un bus híbrido en serie permite
al motor diesel trabajar de forma constante bajo condiciones óptimas, reduciendo
consumo y emisiones.
Emisiones: Los híbridos no son vehículos de cero emisiones, emiten
contaminantes a la atmósfera. Más aún, como la performance de emisiones de un
motor de combustión tiende a deteriorarse con el tiempo, las emisiones de
contaminantes probablemente aumentaran con la antigüedad del vehículo.
Costo: Los vehículos híbridos, al tener dos sistemas de generación a bordo, son
más complejos y costosos de construir.
Baterías: Las baterías están sujetas a altas cargas específicas, que incrementan
las pérdidas internas y hacen necesario el uso de equipos auxiliares para el
sistema de baterías.
3.2 Energías Renovables.
La dificultad para el acceso a la energía es un problema que se repite en todo el
mundo. En el caso de Latinoamérica, sólo en Argentina, cerca de 2 millones de
personas no tienen acceso a la electricidad. Dentro de este grupo se encuentran
unas 700 escuelas, que, en su mayoría, son albergues para estudiantes y
maestros.
Para intentar paliar esta falencia, la oficina local de Greenpeace presentó el Plan
Energía Solidaria que apunta a brindar energía a 125 escuelas de todo el país, lo
que equivale a unos cinco mil alumnos que tendrán acceso no sólo a los servicios
básicos (iluminación, refrigeración, bombeo de agua) sino que también podrán
acceder a medios de comunicación que, en la actualidad, se consideran
condiciones esenciales para la educación moderna (medios audiovisuales,
telefonía, Internet).
El acceso a la energía se dificulta debido al aislamiento y a los altos costos que
supone extender las redes de distribución. En este caso, la mejor opción es
brindar el servicio a través de fuentes renovables como es el caso de las energías
solar y eólica.
La Argentina posee condiciones excepcionales para aprovechar las energías
renovables lo que aseguraría el abastecimiento para todos los ciudadanos que no
tienen acceso a este servicio.
La actual actividad energética tiene enormes impactos: lluvias ácidas,
contaminación de mares y suelos, destrucción de bosques, residuos radiactivos y
el agotamiento de recursos no renovables.
Para Greenpeace, la adopción de energías alternativas es la única salida con la
que cuenta el mundo para paliar el avance del cambio climático y abandonar la
dependencia de los combustibles fósiles: carbón, petróleo y gas.
Las energías renovables -solar, eólica, geotérmica, biomasa, minihidroeléctrica y
oceánica- se regeneran, son tan abundantes que perdurarán por miles de años y
su impacto sobre el entorno es mínimo.
Cada uno de estos tipos podría aplicarse en distintos lugares del continente según
las ventajas naturales con las que cuente y permitiría cubrir todas las necesidades
que cada población requiera.
Es necesario tener en cuenta que algunos tipos de energía son menos sucios pero
no pueden considerarse como renovables, éste es el caso de las grandes
hidroeléctricas, el gas y la energía nuclear.
En el caso de las hidroeléctricas su funcionamiento daña regiones agrícolas,
alteran ecosistemas, destruyen el patrimonio cultural y desplazan comunidades.
El gas es considerado un combustible de transición ya que, aunque es menos
sucio que los combustibles fósiles, su creciente uso lo ha convertido en un
obstáculo para las energías renovables.
Además, su almacenamiento puede provocar accidentes de gravedad, tal como
sucedió en México cuando en 1984 una explosión en la planta de Pemex, en el
Estado de México, provocó la muerte de 650 personas e hirió a 2.500 y doce años
más tarde, en el mismo lugar, otra explosión mató a 4 personas e hirió a 1.000. En
ese mismo año, en Chiapas, en el centro procesador de gas natural más grande
del país, un desperfecto mató a 6 trabajadores y lesionó a 30.
Por último, los riesgos de una fuga en las plantas de procesamiento de energía
nuclear recrean en peligro de Chernóbil que, luego de su estallido en 1986,
provocó 200.000 muertes y en los últimos veinte años a esa cifra se sumaron
60.000 personas más debido a enfermedades provocadas por la contaminación
nuclear.
La adopción de las energías renovables no sólo asegura su suministro para las
generaciones futuras sino que, además, garantiza la protección del medio
ambiente.
Conclusiones.
Con esta investigación podemos concluir que los motores se han convertido en
una herramienta fundamental para el funcionamiento de diversos mecanismos. Se
puede decir que hoy en día los motores se han convertido en el motivo de diversos
avances científicos, algunos de los cuales han sido de gran impacto que han
causado incluso una de las mayores revoluciones que el mundo ha conocido; la
revolución industrial llego a ser un detonante para la industria y el desarrollo de los
motores fue un gran aliciente para que esto pudiera ser realidad con la
transformación de los procesos de manufactura y producción, y sobre todo el uso
de menos potencial humano aunado a la gran capacidad de producción que
empezaron a tener las empresas.
Por otra parte la invención del motor ocasiono la transformación de nuestra forma
de trasladarnos de un destino a otro, un invento que cambio nuestra vida de
manera completa: el automóvil, este se ha convertido en el principal medio para
movernos y hoy en día el ser humano no podría imaginar su vida sin este.
Todo este avance tecnológico en los últimos años se ha olvidado de una parte
importante la ecología, nuestros motores son una principal fuente de
contaminantes a la atmosfera, causante principal del ya conocido calentamiento
global, pero en los últimos años la conciencia ecológica ha llegado hasta los
desarrolladores de estos, generando con esto nuevas soluciones para hacer ahora
que nuestro motores además de ser completamente funcionales sean
completamente ecológicos, con esto se pretende mantener la continuidad de esta
herramienta.
Como ingenieros mecánicos eléctricos tenemos un compromiso aun mayor que
consiste precisamente en buscar y aplicar las alternativas más favorables y sobre
todo que sean ecológicas en el desarrollo e innovación de esta herramienta ya que
en nuestras manos están los avances tecnológicos del futuro.
Referencias.
Pourbaix, J. Motores diesel (1996) México: Alfaomega: Marcombo, 1996
Traducción de: II-mouteurs diesel 8o ed. Francesa
http://gasure.udea.edu.co/docs/Historia%20de%20los%20motores%20de
%20combustin%20interna.pdf (Recuperado el día 23 de octubre de 2012 a las
21:35 Hrs.)
http://www.infoplc.net/files/documentacion/motion_control/
infoplc_net_8448173104.pdf (Recuperado el día 2 de octubre de 2012 a las 1:42
Hrs.)
http://autos.terra.com/noticias/como_funciona_un_vehiculo_hibrido/aut473
(Recuperado el día 3 de octubre de 2012 a las 22:16 Hrs.)
