motores de combustion interna

MOTORES TRMICOS Motores de Combustin Interna Alternativos

Introduccin. Elementos Constructivos. Clasificacin

Departamento de Ingeniera Energtica y Fluidomecnica Andrs Melgar Bachiller

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INTRODUCCIN A LOS MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA 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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INTRODUCCIN A LOS MOTORES TRMCOS Definicin de Motor Trmico:

Conjunto de mquinas Transforma Energa Trmica en Mecnica Q W Sometiendo a un fluido compresible a un ciclo termodinmico.

MOTOR TRMICO

Combustin Interna

Combustin externa

Se aporta calor mediante un proceso de combustin en el seno del fluido Ciclo abierto

Se aporta el calor al fluido mediante un sistema de intercambio de calor Habitualmente ciclo cerrado

Motor de combustin interna rotativo (Wankell)

Maquina de vapor (ciclo abierto) Motor Stirgling (motor alternativo) pequea potencia

Motor de combustin interna alternativo: Transporte: terrestre y areo (pequea potencia) Energa mecnica y elctrica

Turbina de gas Habitualmente combustin interna. Aviacin y produccin de electricidad

Turbina de Vapor Produccin de electricidad

Turbina de Vapor Turbina de Gas

Motor de Combustin Interna alternativo 0.1 kW 1 kW 10 kW 100 kW 1 MW 10 MW 100 MW 1 GW 10 GW




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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 360ngulo ()

Pre

sin

(bar

)

Combustin Arrastrado

Presin ambiente

Volumen

Pre

sin

Qent

Qsal

Wsal

Went

W bombeo

MOTOR TRMICO

Qent

Qsal

Went Wsal

Foco fro: ambiente

Foco caliente: Combustin

RENDIMIENTO TERMICO DEL MOTOR

comb

ambCarnot

ent

salent

ent

entsalciclo T

T1Q

QQQ

WW




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CARACTERSTICAS PRINCIPALES DE LOS M.C.I.A.

El gran desarrollo de los motores de combustin interna alternativos se debe a una serie de caractersticas entre las que se pueden destacar. Posibilidad de poder quemar combustibles lquidos de elevado poder calorfico (posibilidad de transportar mucha energa con muy poco peso). Esta caracterstica les hace muy importantes en el campo de la automocin

ya que condiciona la autonoma del vehculo. Les permite competir con ventaja frente a los vehculos elctricos los cuales

la energa almacenada en la batera pesa mucho ms. Rendimiento trmico aceptable, dependiente del tamao del motor pero que se mantiene bastante acotado para diferentes grados de carga y regmenes. Esta caracterstica es de gran importancia en todas las aplicaciones en las

que 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 motores

marinos o estacionarios.




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ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS DE LOS M.C.I.A.

CILINDRO Conduce al pistn en su movimiento y es el elemento central del sistema de compresin.

BLOQUE DE CILINDROS Y BANCADA Sobre el bloque se apoyan las dems partes del motor por lo que su rigidez es esencial para el buen funcionamiento del motor. El bloque debe poseer de conductos interiores para llevar el aceite a presin a los diferentes cojinetes que soportan el cigeal as como conductos para llevar el aceite a la culata que a su vez tiene conductos para llevar el aceite al rbol de levas o de balancines. CULATA Es la pieza del motor de diseo ms complejo por la cantidad de funciones y requerimientos que debe cumplir. Puede haber una para todos los cilindros (motores pequeos), o una para cada cilindro o par de cilindros (motores ms grandes).

La culata por lo general tiene que alojar los siguientes elementos: Conductos de admisin y de escape (pipas de admisin y escape): estos

conductos empalman con los colectores de admisin y escape Asientos de Vlvula: suelen ser postizos de material duro y resistente al

choque. Guas de vlvulas: Es la pieza sobre la cual desliza la vlvula, suele ser de

aleaciones especiales y mecanizadas con gran precisin para conseguir un buen centrado y mnimas fugas:




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Circuitos de refrigeracin: tienen que ser de tal manera que minimicen las tensiones trmicas debidas a grandes diferencias de temperatura entre puntos 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 y aceite entre bloque y culata.

PISTN Y SEGMENTOS El pistn transmite la fuerza de los gases a la biela (requerimientos de resistencia mecnica), debe ser lo ms estanco posible al paso de gases de combustin al crter y de aceite del crter a la cmara de combustin, para ello leva 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 BIELA Se encargan de transformar el movimiento alternativo en rotativo que suministre un par til. Suele estar fabricados en fundicin o forjado y en cualquiera de los dos casos posteriormente mecanizado. En algunos casos, como en los pequeos motores de dos tiempos con barrido por crter, el cigeal consta de dos piezas unidas por un buln sobre el que se coloca la biela.




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VLVULAS Son las encargadas de controlar el paso de fluido por la cmara de combustin durante el proceso de renovacin de la carga. La forma ms comn de las vlvulas es la denominada de plato. La vlvula ms solicitada es la de escape por que la temperatura del fluido cuando pasa por ella es muy alta.

SISTEMA DE DISTRIBUCIN Agrupa a todos los elementos mecnicos que provocan la apertura y cierre de las vlvulas, debe estar sincronizado con el movimiento de pistn (cigeal) y completa un ciclo de funcionamiento cada dos vueltas del motor (el rbol de levas gira a la mitad de revoluciones que el cigeal).




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ESQUEMA GENERAL DE UN MOTOR DE COMBUSTIN INTERNA ALTERNATIVO

CRTER

ACEITE

CIGEAL

REFRIGERANTE

PISTN

VLVULA

PIPA

LEVA

BOMBADE

ACEITE APRESIN

SEGMENTOS

BULN

EJE RBOLDE LEVAS

BIELA

TAPA DE BALANCINES

CULATA

BLOQUE MOTOR

CMARA DECOMBUSTIN

TAPA DEL CRTER

JUNTACULATA




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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 combustible

entra en el cilindro ya mezclado con el aire.

Al final de la compresin se dispone de una mezcla de aire y combustible ms o menos homognea.

La combustin se inicia por una causa externa, generalmente una chispa elctrica.

Motor de encendido por compresin (MEC, motor Diesel) El fluido admitido en el cilindro es

solo aire sin combustible. Al final de la carrera de

compresin (mayor que en los MEP) se inyecta en el cilindro el combustible y debida a las altas temperaturas y presiones el combustible se autoinflama.




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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 del motor. Refrigeracin por aire (directa) El calor se transmite

directamente al aire a travs de unas aletas colocadas en el cilindro.

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 usa intercambiador) El motor cede calor al medio

refrigerante (casi siempre agua) que acta como agente intermedio entre el motor y el aire.

Se necesita una bomba para mover el refrigerante.

El refrigerante suele ser agua con alcoholes para evitar la congelacin y aditivos para evitar corrosin.




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SEGN EL NMERO Y DISPOSICIN DE LOS CILINDROS

Tiene influencia sobre el tamao y la relacin de aspecto del motor Cuantos ms cilindro, mas caro y mas complicado. SEGN LA PRESIN DE ADMISIN Motor de aspiracin natural o atmosfrico La presin del aire cuando entra

al cilindro es aproximadamente la atmosfrica o inferior.

Motor sobrealimentado La presin del aire a la entrada

en el cilindro es superior a la atmosfrica.

Esto hace que la masa de aire

introducida en el motor sea mayor que en aspiracin natural, se puede quemar ms combustible (mas potencia)

Es necesaria la utilizacin de un compresor para conseguir esta sobrepresin.


Parmetros Caractersticos.


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PARMETROS CARACTERSTICOS DE LOS M.C.I.A. CONCEPTO DE DOSADO

PARMETROS GEOMTRICOS

PARMETROS 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 CombustibleMasa Aire

mm

mm

f

a

fcc

acc

mcc Masa por Cilindro y Ciclo (Kg)

m Gasto Msico (Kg/s)

iZn1x

i=Nmero de ciclos por revolucin

Dosado estequiomtrico (Fe) es el dosado que tiene que haber en una

mezcla aire combustible para que en la reaccin de combustin no sobre aire ni combustible:

22222mn N76.3

4mnOH

2mCOn)N76.3O(

4mnHC

28x76.3324mn

mn12Fe

Es una propiedad del combustible

Para los combustibles usuales Fe 1/14.5 , 1/15.5. Dosado relativo (Fr) o riqueza:

ible)de combust (defecto Pobre1uiometrico Esteq1=

le ) combustib(exceso de Rico 1

FFF

er

Coeficiente de exceso de aire ():

1Fr

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




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PARMETROS GEOMTRICOS

S Carrera ngulo girado cigeal D 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=2RX

PMS PMI D

Ap D4

2

Ap rea del pistn

V SD D4

2

VD Volumen desplazado r V V

VD C

C r Relacin de compresin

MEC r 12, 23, MEP r 8 , 10 V A X VP C X = f( , L, R) VC Volumen cmara de combustin V 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 las

carreras de compresin y expansin:

W P dVi

Presin media indicada (pmi): pmi W

Vi

D

Potencia indicada (Ni): N W

inpmi Vi i 1 / D n i i =

1/ 2 en 4T1 en 2T

Par indicado (Ti): Di Vpmi

2iT

Rendimiento indicado (i): Expresa "la calidad" con que se transforma la energa almacenada en el combustible en energa mecnica sobre el pistn.

C fcc

D

C fcc

i

C f

ii

Hm Vpmi

HmW

HmN

HC Poder calorfico del combustible: Energa que se desprende por unidad

de 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. Es

de menor valor que la potencia indicada porque esta disminuida por las prdidas que tienen lugar hasta la salida de fuerza por el cigeal.

Par efectivo (Te):

n 2NT ee

Presin media efectiva (pme):

i VT2

i VnNpme

D

e

D

e Para un motor dado el par y la presin media efectiva estn ligados por la cilindrada.

bar 15 , 10pme lentos 2T MECbar 23 , 5.5pme esindustrial 4T MEC

bar 16 , 6pme automocin MECbar 25 , 8.5pme deportivos MEP

bar 14 , 8pme turismos MEP

pme de Rango

max

max

max

max

max

Trabajo efectivo (We): Es el trabajo que se obtiene en el eje del cigeal

durante un ciclo de trabajo completo.

We e Nn i

Rendimiento efectivo (e): Expresa "la calidad" con que se transforma la

energa liberada por el combustible en energa mecnica en el eje (cigeal).

e ef

e

fcc fcc

Nm

Wm

pme Vm

H H HC CD

C

0.5 , 0.30 MEC0.45 , 0.35 esindustrial MEP

0.3 , 0.25 MEP Rangos

e

e

e

e




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PARMETROS DE PRDIDAS MECNICAS

Parmetros que relacionan la energa mecnica existente en el pistn con la que 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 se extrae 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

i INDICADOS: Energa combustible Energa mecnica sobre el pistn m MECNICOS: Energa mecnica pistn Energa mecnica cigeal e EFECTIVOS: Energa combustible Energa mecnica cigeal

m ie

Para un motor, conocido el rgimen n, el gasto de combustible, el poder calorfico del combustible y uno de los parmetros, es posible obtener el resto.

N (Potencia)

(Rendimiento)

M (Par)

Pm (Presin media)

W (Trabajo)

i nV DD

c fcc

VHm

c fccHm1

n 21

i 2




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OTROS PARMETROS (I)

Rgimen (n): Es la velocidad angular con que gira el cigeal. Suelen utilizarse los tres tipos de unidades siguientes.

n (rev/s)

rpm (rev/min) (rad/s) 21

602

60

Velocidad lineal media (Cm): Velocidad media con que se mueve el pistn.

Cm 2 S n

Rango de C

MEP turism

MEP deport s

MEC automo

MEC 4T ind

MEC 2T len

m a N

os C 8 16 m / s

ivos C 15 23 m

cion 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) = NVD

(Potencia por unidad de cilindrada)

Nf (mas) = Nmmotor

(Potencia por unidad de masa del motor)

Los MEP presentan mayores Nf que los MEC no sobrealimentados. Los motores 2T presentan mayores Nf que los motores 4T.




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OTROS PARMETROS (II)

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

g mN H

ff

c 1

Rango de g

MEP

MEC ef

ef

ef

g 320 280 g / kWh

g 280 180 g / kWh

,

,

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

inVm

C1

inVm

Vm

ia T

a

im T

m

im D

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

291

Mm

18m

29m

29m

pp

VVC

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

Grado de carga: para un rgimen de giro dado, el grado de carga expresa la relacin entre el par mximo del motor a ese rgimen y el que est suministrando el motor en las condiciones de funcionamiento. En MEP se acta sobre la posicin de la mariposa de admisin y de esta manera se modifica la macc y el sistema de formacin de la mezcla ajusta la mfcc. En MEC se acta sobre la bomba inyectora para modificar directamente la mfcc.

2

iHm2

iwM ecfccee

Existe una relacin siempre creciente entre el actuador del grado de carga y el par 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 como sigue:

miCerviaTeCaecfe HFFCVinHFmHmN el par se puede expresar de la misma forma dividiendo por la velocidad angular:

miCerviaTe HFFCVi21M

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 estequiomtrico Hc Poder calorfico del combustible ia 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 de xito 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 valor mximo de diseo, podramos llamarlos parmetros de funcionamiento:

v Rendimiento volumtrico: en los MEP. Se modifica para variar el par que suministra el motor, el valor mximo depende ligeramente del rgimen de giro.

Fr Dosado relativo: en MEC se modifica para variar el par, en MEP varia poco en todos los puntos de funcionamiento.

n Rgimen de giro: este parmetro se fija en el punto de equilibro entre el par resistente y el par motor.

A la relacin entre el par mximo y el par real que est dando el motor se le suele 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 par depende fundamentalmente del producto de los tres rendimientos y del dosado relativo. En condiciones de plena carga, ninguno de los cuatro vara mucho cuando se modifica el rgimen. Cabe destacar la cada del rendimiento mecnico a alto rgimen 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 constante al variar el rgimen. Las variaciones que puede tener son fundamentalmente debidas al rendimiento volumtrico y en menor medida al dosado relativo y el rendimiento indicado, a alto rgimen la cada del rendimiento mecnico y el rendimiento volumtrico hace que el par decrezca.

ee Mn2N

En consecuencia la potencia aumenta linealmente con el rgimen de giro y solo a alto rgimen alcanza un mximo cuando el incremento de rgimen no compensa la cada del par.

Nemax

n

Memax

Diferentes curvas de para para diferentes grados de cargas: Modificacin de Fr MEC Modificacin de v MEP




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BIBLIOGRAFA

Muoz, M., Payri, F. Motores de Combustin Interna Alternativos. Servicio Publicaciones E.T.S. Ingenieros Industriales, Universidad Politcnica Madrid, 1994. Cap. 1: Caractersticas Fundamentales de los MCIA (pp. 3-25).


Semejanza


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SEMEJANZA DE MOTORES ALTERNATIVOS

BASES DE LA SEMEJANZA CONSECUENCIAS DE LA SEMEJANZA IMPLICACIONES DE LA SUBDIVISIN DE LA CILINDRADA CONSIDERACIONES FINALES EJEMPLOS: Subdivisin de la cilindrada Curvas de par Estudio comparativo de motores de automocin


Semejanza


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BASES DE LA SEMEJANZA EN MCIA

FINALIDAD: Sirve para explicar las tendencias que presentan los MCIA al variar su

tamao (al variar su cilindrada). Teora simple (utiliza aproximaciones) y no exacta pero que es una

herramienta til y rpida para el diseo y eleccin de motores segn la aplicacin que se les quiera dar.

CONDICIONES A CUMPLIR POR MCIA SEMEJANTES: 1. Semejanza geomtrica: La relacin entre dos dimensiones geomtricas

cualesquiera, en uno de ellos, es igual a la relacin entre las dimensiones geomtricas respectivas, en el otro (motores iguales pero a escala).

2. Trabajar en iguales condiciones ambientales.

3. Trabajar con iguales reglajes

T agua refrigeranteDosadoPunto de encendidoetc.

4. Poseer la misma velocidad media del pistn Cm.


Semejanza


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IGUALDAD DE LAS PRESIONES MEDIAS EN MCIA SEMEJANTES(I)

IGUALDAD DE PMI EN MOTORES SEMEJANTES:

pmi WV

i

D

i i i v ia H m

VH F m

VH Fc fcc

D

c acc

Dc

El rendimiento volumtrico (v) se ver que se puede hacer depender

nicamente de relaciones entre magnitudes geomtricas (1), condiciones ambientales (2) y Cm (4). As para motores semejantes v se mantiene.

F es el mismo (3). ia es 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.


Semejanza


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IGUALDAD DE LAS PRESIONES MEDIAS EN MCIA SEMEJANTES(II)

IGUALDAD DE PMPM EN MOTORES SEMEJANTES: Las prdidas de rozamiento (pmpmR) se pueden considerar iguales ya que

dependen de manera fundamental de Cm (4) y pmi (se mantiene). Las prdidas por bombeo (pmpmB) son las mismas pues dependen

fundamentalmente del v (se mantiene), Cm (4) y relaciones entre dimensiones geomtricas (1).

Las prdidas por accionamiento de auxiliares (pmpmA) se suponen que son

iguales porque la variacin de la energa necesaria para el accionamiento de auxiliares 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 SEMEJANTES: pme pmi pmpm La pme es igual para motores semejantes.


Semejanza


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CONSECUENCIAS DEDUCIDAS DE LA SEMEJANZA DE MOTORES (I)

Nos referiremos a motores monocilndricos aunque los resultados se pueden extender 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 la

relacin de semejanza geomtrica como la relacin entre dos magnitudes lineales geomtricas cualesquiera de ambos motores.

LL

2

11

1.- Relacin entre potencias

N = A pme S n i A2

pme C ie p m p 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.


Semejanza


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CONSECUENCIAS DEDUCIDAS DE LA SEMEJANZA DE MOTORES (II)

2.- Relacin entre pares

T = pme i V2

pme i V2

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

n CC

m

m

2S

nn

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 i2

1

2

2

1

1

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


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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 potencia especfica. Si se quiere mejorar la potencia especfica en un motor grande hay que 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 c c , HH fccfcccombap mmQ Vara como la cilindrada.

Calor cedido al refrigerante Qn i

ref A h T Depende fundamentalmente del rea (A) y del rgimen (n).

QQ

nn

11ap, 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, el cociente entre el calor cedido al refrigerante y el calor aportado se mantendra constante. Ocurre que el coeficiente de pelcula disminuye al aumentar el tamao del motor por lo que los motores ms grandes son ms adiabticos.

Realmente el cociente vara con 10.25


Semejanza


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IMPLICACIONES DERIVADAS DE SUBDIVIDIR LA CILINDRADA(I)

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

LL

1

V = V

2

1

T2 T1

Z Z1 2

Como las cilindradas son iguales:

VV

AA

T

T

p

p

2

1

2

1

3 S Z S Z

ZZ

1 ZZ

= 1 2 21 1

2

1

2

1 3

As la relacin entre potencias totales queda:

NN

Z

Z

ZZ

e

e

2

1

2

1

2

1

2

p2m

p1

m

A2

C pme i

A2

C pme i

1 13

2

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


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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 (los

cilindros son ms pequeos). Al subir el nmero de cilindros la vida de las piezas disminuye al aumentar su

desgaste relativo (mayores regmenes). Al subir el nmero de cilindros las disposiciones constructivas son ms

complicadas (disposicin de cilindros en V,..etc). En MEP al subir el nmero de cilindros aumenta la trasmisin de calor a

travs de las paredes existiendo menos posibilidades de detonacin. En MEC al subir el nmero de cilindros aumenta la transmisin de calor

provocando: dificultad en el arranque, marcha dura, ms humos, etc.


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CONSIDERACIONES FINALES SOBRE LA SEMEJANZA

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

Sin embargo Cm y pme s que se mantienen bastante constantes cuando se

trata de motores para una misma aplicacin. As, la semejanza puede ser muy til en la eleccin de un motor para una determinada aplicacin entre varios existentes en el mercado.

En la tabla adjunta se relacionan los parmetros ms caractersticos de los

motores, 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 4T inyecc. 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


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 una relacin carrera-dimetro igual a la unidad, que suministra una potencia de 35 kW a 7500 rpm. (Motor n1). Se pretende disear un motor semejante al anterior, bicilndrico y que suministre la misma potencia. (Motor n2). Relacin de semejanza.

Como ambos motores suministran la misma potencia:

1 4 60

4 60

2

1

22

2 2

11

1 1

2

1

22

12

2

1

2 NN

zA

c pme

zA

c pme

zz

DD

zz

e

e

pm

pm

zz

1

2

32

122.

Determinacin de las cotas geomtricas, cilindrada y rgimen de

mxima potencia del nuevo motor.

V D s z D zT1 12

1 1 13

14 4 D V

zm sT1

1

13 2 1

46 4 10 .

D D m s2 1

227 8 10 .

VV

z D sz D s

T

T

2

1

2 22

2

1 12

12

31 V V cmT T2 13732

n n rpm2 11 6147


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 en ambos.

cm s n ms cm1 1 1 22 16

pmeNe

V nbar pme

T

11

1

2

2 60

9 3 .

Ventajas e inconvenientes entre los dos motores, donde el motor n2 es

ms grande y tiene menos cilindros: z z1 2 D D1 2

Inconvenientes del motor n2:

- Como V VNe Ne

NeV

NeV

T 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), la

tendencia 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 tanto su disposicin constructiva ser menos complicada. - Como D2 > D1 , las piezas del motor n2 sern ms grandes y robustas y entonces la vida de stas ser ms larga (para un igual desgaste mecnico).


Semejanza


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ESTUDIO DE SEMEJANZA DE MOTORES A PARTIR DE SUS CURVAS DE

PAR (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 y 4 cilindros cuadrados es decir, D/S=1. Para ser semejantes deben tener la misma presin media efectiva, pme, y la misma 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


Semejanza


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PAR (II) Aplicando la ecuacin anterior en los puntos de par mximo se tiene:

2 200060

2 300060

S S1 2

de donde:

SS

1

2

20003000

1,5

Tambin podemos decir:

T V pme L pmee T1 1 13

11

4

T V pme L pmee T2 2 2 23

2 4

de donde se obtiene la relacin ya conocida:

TT

LL

e

e

1

2

1

2

33

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.


Semejanza


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PAR (III)

Para ver si los valores de par son coherentes con el rgimen de giro y las caractersticas indicadas, suponemos un valor razonable de presin media efectiva, 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)10 10 (Pa)

0.001272 1272 cm

53

La cilindrada de un motor cuadrado (S = D) responde a la frmula:

V S Z T T S S 4 V

Z

23

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 0.074 350060 8.63 /

La velocidad media del pistn toma valores entre 10 y 20 m/s, por lo tanto, los valores de par de los motores no son coherentes con el rgimen de giro y las caractersticas indicadas.


Semejanza


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PAR (IV) El planteamiento poda haber sido inverso; si se supone un valor razonable de Cm de 13 m/s para el rgimen mximo:

S Cm 2 n

S 13 m / s

2 350060

0.110 m2

La cilindrada de un motor ser:

V Z T T S V 0.1104 4 0.004181 m 4181 cm 3 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 (m

304315 Pa 3.04 bar

3

)

Los valores habituales de pme oscilan entre 9 y 11, en consecuencia la presin media efectiva a quedado muy pequea lo que redunda en que los valores de par de los motores no son coherentes con el rgimen de giro y las caractersticas indicadas. Las curvas de par de los motores corresponden, o bien a motores de pequea cilindrada con una pme aceptable pero que sin embargo no pueden subir de revoluciones hasta los valores habituales, o a motores grandes acordes con el rgimen de giro que no tienen una buena pme.


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 motores

sobrealimentados 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 Publicaciones E.T.S. Ingenieros Industriales, Universidad Politcnica Madrid, 1994. Cap. 9: Semejanza de Motores (pp. 215-227). OTROS: Revistas de Motociclismo del 1996 Autocatlogo 1995 y 1996


Semejanza


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Ciclos Termodinmicos


Pgina 1

CICLOS TERMODINMICOS EN LOS MOTORES DE COMBUSTIN

INTERNA 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 CARGA

Admisin Escape

CICLO TERMODINMICO BSICO

Compresin Combustin Expansin




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INTRODUCCIN (II)

CICLO TERICO Ciclo termodinmico bsico en el que se hacen ciertas hiptesis simplificadoras las cuales permiten la realizacin de clculos ms fcilmente y sirven de modelos de referencia o comparacin.

Prdidas de calor Proceso de combustin Propiedades del fluido Proceso de renovacin de la carga

1. CICLO IDEAL DE AIRE Base terica muy simple, el rendimiento se puede calcular a

partir de frmulas 2. CICLO TERICO AIRE COMBUSTIBLE Se consideran las propiedades del fluido ms prximas a la

realidad, el rendimiento hay que calcularlo con mtodos numricos.

3. CICLO REAL

Se analiza a partir del diagrama indicador (medidas de presin en el cilindro).

ndice de calidad de un ciclo

Indica la aproximacin entre un ciclo real y uno terico, se define como:

K WW

R

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 muerto superior al final de la carrera de compresin.

1 11r 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 alcanza una determinada presin (Pmax) a partir de aqu el resto de calor se libera mientras baja el pistn de manera que la presin se mantiene constante e igual a la presin mxima. La presin mxima suele ser la presin mxima que se da en el motor real.

11 1

1 11r

Definiciones

1. Grado de combustin a volumen constante PP3

2 =1 P=cte.

2. Grado de combustin a presin constante VVA3

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 combustible se quema a presin constante.

1

1 111r

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

EXPRESIONES RELACIONADAS CON LOS CICLOS

Calor aportado a volumen constante QC T

rv

1

1 1

Calor aportado a presin constante 1rTC

Q 11v

Trabajo obtenido en el ciclo 111rTC

W 11v

Temperatura mxima del ciclo TT

rA31

1

Presin mxima del ciclo PP

r31

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 de presin 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 con mejor rendimiento es el de presin constante y es el que puede tener mayor relacin de compresin. c) Misma presin mxima y misma temperatura mxima

El ciclo con mejor rendimiento es el de presin constante, tambin es el de

mayor 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 compresin

que los motores de encendido por compresin y dentro de estos ltimos los lentos 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 masa

es mayor (mayor dosado). El grado de explosin a volumen constante est muy relacionado con la

primera fase de la combustin en MEC. En MEC la relacin de compresin mnima viene fijada por razones de

arranque en fro y en MEP la relacin de compresin mxima viene fijada por razones de detonacin (picado de biela).

Las presiones mximas son mayores en los MEC rpidos que en los lentos y

son 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 cual empeora el rendimiento. Si Cv crece aportando el mismo calor obtenemos una menor temperatura final con 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 con adelanto 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: Fugas

En motores nuevos y puestos a punto son muy bajas. Combustin incompleta

Retencin 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 que recorrer toda la cmara de combustin para que la combustin se complete.

El tiempo que tarda en recorrerse toda la cmara depende

fundamentalmente 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 combustin

est centrada respecto del punto muerto superior.

Combustin progresiva Debido a que las condiciones de presin y temperatura a lo largo del periodo 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 las

prdidas de calor. La mayor transmisin de calor se produce durante el proceso de expansin y escape, siendo muy poco lo que se produce durante la compresin. Durante el proceso de admisin el calor se transmite de las paredes al fluido (ganancia de calor).

Prdidas de escape

La vlvula de escape se abre antes del PMI intencionadamente para mejorar el proceso de renovacin de la carga. Lo que se pierde en el proceso de expansin se recupera en el proceso de renovacin de la carga, por lo que en cierto modo no se pueden considerar como prdidas.




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CICLO REAL EN MEP(III)

EFECTO DE LA VARIABLES OPERATIVAS

Punto de encendido

Tiene una gran influencia sobre la potencia y el rendimiento, para que la combustin se mantenga centrada al aumentar el rgimen de giro es necesario 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 el inicio de la combustin para que esta permanezca centrada. ejemplo: Si la combustin dura 3ms, a 2000 rpm angularmente esto es: t 360 2000

600 003 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

600 003 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 y por tanto la potencia.

1/4

2/4

3/4

4/4

La modificacin de la presin de admisin se da en los casos de sobrealimentacin 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 al aumentar la presin de escape se aumentan los residuales y esto hace que la combustin se desarrolle ms lentamente.

Relacin combustible aire (dosado) Mejora la potencia hasta valores del dosado relativo del orden de 1.15 y el 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 combustible

hasta que se inicia la combustin. El tiempo de retraso va seguido de un aumento brusco de la presin debido

a que se quema gran parte del combustible inyectado durante el tiempo de retraso.

Posteriormente el resto del combustible se quema en un proceso de

combustin ms lento durante el proceso de expansin. La duracin angular de cada una de estas tres fases varan con el diseo y

las 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 pues el proceso de combustin se ve muy modificado en funcin de las variables 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 de compresin 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, la adquisicin de datos est sincronizada con un codificador angular que genera la 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 en que 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 que posicin angular corresponde cada dato y consecuentemente se conoce el volumen 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).

MOTORES TRMICOS Motores de Combustin Interna Alternativos Refrigeracin y Lubricacin


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REFRIGERACIN Y LUBRICACIN

OBJETIVOS 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 PRDIDAS MECNICAS



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OBJETIVOS DE LA REFRIGERACIN

La refrigeracin en los motores de combustin interna alternativos viene impuesta por exigencias mecnicas. Desde el punto de vista del ciclo es una prdida y por lo tanto tiene una influencia negativa en el rendimiento Disminucin de las prdidas de calor: - Aumento del rendimiento - Motores adiabticos OBJETIVOS 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 condiciones operativas, por ejemplo la temperatura de las distintas zonas del pistn vara con 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 Bomba 2 Bloque 3 Culata 4 Termmetro 5 Termostato 6 Radiador 7 Refrigerador aceite 8 Electroventilador 9 Termointerruptor 10 Vaso de expansin

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

Bomba de impulsin centrfuga:

Tamao reducido. Grandes caudales con alturas

reducidas. Caudal de refrigerante: punto de

corte de las curvas.

aprox. 2 l minkW

en mxima potencia.

Presin: 0.5 a 1.5 bar.

Sistema de regulacin para cargas parciales.

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

Puesta en marcha: circuito bsico cerrado.

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



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Radiador: Intercambiador agua-aire ambiente. A bajas velocidades: electroventilador.

REFRIGERACIN POR AIRE El calor transmitido a las paredes se refrigera con el aire por medio de un aleteado 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 LA DE POR LQUIDO

VENTAJAS

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 el motor debido al combustible suministrado por 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 trmico

perdido 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 raQresQg

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 (efecto invernadero) y el precio de los combustibles fsiles han trado consigo el desarrollo de una importante lnea de investigacin: e gef.

e i m ei

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 en motores 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 alta Pistn-biela oscilante moderada muy alta baja Biela-cigeal rotativo baja alta alta Cigeal-bloque rotativo baja alta alta Levas-empujadores rotativo baja muy alta baja Vlvula de escape alternativo muy alta baja moderada El sistema de lubricacin, debe de engrasar las distintas partes del motor y hacer frente a las distintas exigencias que se presentan en cada una de las partes e incluso refrigerar cuando sea necesario.



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TIPOS DE LUBRICACIN:

Por barboteo: Mediante cucharillas y anillos se proyecta aceite del carter hacia aquellas superficies que se quieren lubricar.

A aceite perdido: Utilizada en motores pequeos de 2T, la mezcla

arrastra en suspensin aceite. Presenta problemas por contaminacin.

A presin: Es el sistema ms utilizado, ya que cubre las exigentes

necesidades 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 descarga del circuito

Bomba

Filtro en serie

Filtro en paralelo

Vlvula de descarga del filtro

Taladros en el cigeal



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BOMBA: Son bombas volumtricas habitualmente de engranajes, a la salida de 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 las

revoluciones 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 al colmatarse.

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: recoge las ventajas de las dos disposiciones anteriores.

REFRIGERADOR: Se suele colocar en paralelo entrando en funcionamiento mediante 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 actela vlvula de descarga

Caida de presinen el circuito

Presin mximaen el circuito

Caudal que circulapor el motor

Caudal que circula por lavlvula de descarga

PNb

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 pmiPar resistente pme

pmpm = pmi - pme

Tambin del diagrama indicador se puede obtener la pmpmB, y desconectando sucesivamente los auxiliares se puede obtener la pmpmA. As es 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 de los cilindros midindose la potencia en banco motor. Esta operacin se repite para 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: Ne

II N N N Ne1 e3 e4 pm2 Sin combustin en el cilindro 3: Ne

III N N N Ne1 e2 e4 pm3 Sin combustin en el cilindro 4: Ne

IV N N N Ne1 e2 e3 pm4 Sumando resulta: N N N N Ne

IeII

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 gif o lo que es igual i es constante cuando se mantiene el rgimen de giro:

g m cte conif fi i

m H1 H

n = ctef C C

As:

m cte Nf i = cte pmi V 2n = cte pmi = cte pme+pmpmD

Si se representa grficamente el gasto de combustible frente a la pme utilizando como parmetro el rgimen de giro, es posible determinar las prdidas 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 el grado de carga es importante poco preciso en MEP. - En MEC la hiptesis slo deja de cumplirse a grados de carga 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 una dinamo-freno. El par que la dinamo-freno da al motor es el par de prdidas mecnicas

Normalmente es posible determinar las prdidas ocasionadas por 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 quieran conocer las prdidas y tras esto se corta el suministro de combustible o el encendido, frenndose el motor nicamente por las prdidas mecnicas. Si se registra la deceleracin angular durante el periodo de frenado, y se conoce el momento de inercia del conjunto I, es posible determinar el par de prdidas mecnicas y la presin media de prdidas mecnicas para cada rgimen aplicando la siguiente ecuacin:

T I pm pmpm = 2 i V I D

Cuando no se conoce el momento de inercia del conjunto es posible utilizar un volante postizo de momento de inercia conocido IC y repetir el ensayo aadiendo esta inercia, obtenindose el par y el momento de inercia:

T I

T I Ipm

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.


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 MEC

COMPARACIN MEC-MEP


Combustin


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COMBUSTIN EN MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA ALTERNATIVOS

Proceso de oxidacin del combustible por el aire, que provoca la conversin de la energa qumica que posee el combustible en energa trmica. Este proceso tiene lugar dentro del cilindro, suponiendo un incremento de presin que permite extraer energa mecnica mediante el movimiento del pistn.

Motor de encendido provocado (MEP)

Habitualmente formacin de la mezcla fuera del cilindro.

La combustin se inicia por una causa externa, habitualmente el salto de una chispa.

La combustin se realiza sobre una mezcla de aire y combustible homognea.

La relacin aire-combustible utilizada est en el entorno de la estequiomtrica.

Motor de encendido por compresin (MEC)

El motor admite aire sin combustible inyectndose combustible (chorro) al final de la carrera de compresin.

La mezcla se autoinflama como consecuencia de la propia compresin.

La combustin se desarrolla sobre una mezcla heterognea.

Siempre trabajan con mezclas con exceso de aire.


Combustin


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DESCRIPCIN DE LA COMBUSTIN EN MEP

En MEP se habla de combustin homognea o premezclada ya que la mezcla que se encuentra en el cilindro es homognea: posee en cualquier punto el mismo dosado. El sistema de formacin de la mezcla se encuentra fuera 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


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 en recorrer la cmara de combustin. A este tiempo se le puede asociar un intervalo angular llamado ngulo de combustin C():

c 360 n tC

Gradiente de presin (dP/d o dP/dt): Expresa la velocidad con que cambia la presin a lo largo del ciclo (bar/ bar/s).

Presin mxima de combustin (Pmax): Es el mximo valor de la presin dentro 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


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 quemada trasmite calor al frente de llama, entonces la mezcla que integra el frente se inflama, pasando a engrosar la zona quemada, provocando que avance el frente de manera suave y comprimiendo la mezcla fresca.

T

x

Tq

TC

Tsq

1 2 3

4

t C

Frente de llama

Zona 1: Umbral elevacin de 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 como consecuencia del alto estado trmico (P, T) que adquiere la zona fresca. Es una combustin brusca y rpida. Si la masa de mezcla autoinflamada es grande la autoinflamacin es muy perjudicial para el motor hablndose de combustin detonante o picado de bielas.


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 la cmara de combustin (velocidad absoluta).

Velocidad de expansin (CA): Es la parte de la velocidad del frente que es consecuencia 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 es consecuencia del trasvase de masa desde la zona fresca a la zona quemada fruto 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


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 el frente 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 de

mxima temperatura (FrTmax), ste es ligeramente rico (1.05) siendo el dosado para el cual la velocidad de combustin laminar es mxima:

Si Fr rTmax r C CL< F F T C Si Fr rTmax r C CL> F F T C


Combustin


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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. A la velocidad de combustin en rgimen turbulento se le denomina velocidad de combustin turbulenta (CCT).

Se define el FSR (flame speed ratio):

FSR CC

CT

CL 1 C = FSR CCT CL

Los factores que afectan a la velocidad de combustin turbulenta son aquellos que afectan a la velocidad de combustin laminar y al grado de turbulencia.

C C FSR

CTC L


Combustin


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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 chispa hasta que se separan los desarrollos de presiones con y sin combustin. Ocupa aproximadamente 15% del ngulo de combustin.

2FASE (C2): Ocupa aproximadamente un 80% del ngulo total de combustin, 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


Combustin


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AUTOINFLAMACIN EN MEP

Combustin por autoinflamacin La mezcla fresca se inflama por s misma por estar sometida a altas presiones y temperaturas que son ocasionadas como consecuencia de la compresin sufrida por la mezcla fresca. Es una combustin rpida y brusca ("descontrolada").

Habitualmente, la combustin por autoinflamacin en MEP se ve precedida por la combustin normal, ya que al avanzar el frente de llama como consecuencia de la combustin normal se produce la compresin de la zona fresca. Se podra hablar as de un % de combustin normal y un % de combustin por autoinflamacin.

sqq

PT

q

PT q

+

La combustin por autoinflamacin es casi instantnea, mucho ms rpida que la combustin normal, provocando elevados gradientes de presin, con aparicin de ondas de presin a menudo audibles, hablndose entonces de detonacin o picado de bielas.


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Detonacin

Fraccin de MezclaQuemada por Autoinflamacin

La detonacin es un fenmeno muy peligroso, ya que las vibraciones inducen mayor transmisin de calor a travs de las paredes, pudiendo destruir el motor si el fenmeno es intenso y se mantiene de manera prolongada.


Combustin


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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 se denomina tiempo de retraso o induccin, ste es menor cuanto mayores son la presin y la temperatura. Transcurrido el tiempo de retraso si la combustin normal no ha concluido se producir la autoinflamacin.

La intensidad de la detonacin est muy ligada a la masa de mezcla que sufre 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 dan la 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 de detectar detonacin informan al sistema de ignicin para disminuir el avance al encendido, preservndose as la vida del motor.


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ENCENDIDO SUPERFICIAL

Se ocasiona por la aparicin, en determinadas situaciones, de puntos calientes que son fuentes de encendido, generando frentes de llama en cualquier instante del ciclo.

Puntos calientes:

- Electrodo central de la buja.

- Depsitos.

- Zonas mal refrigeradas.

Tipos de encendido superficial:

- Anterior al encendido normal Preencendido. - Posterior al encendido normal Post-encendido.

Post-encendido Mayores gradientes de presiones.

Preencendido Avance Tendencia a detonar

El preencendido con detonacin es muy peligroso ya que la detonacin realimenta el efecto de incremento del avance, pudindose llegar a detonaciones de efectos destructivos (wild ping).

El preencendido sin detonacin no es tan peligroso aunque supone marcha dura (rumble).


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TIPOS DE COMBUSTIN ANORMAL EN MEP

COMBUSTIN ANORMAL

ENCENDIDO SUPERFICIAL AUTOINFLAMACIN

PREENCENDIDO POSTENCENDIDO

DETONACIN (KNOCK)

ENCENDIDO SUPERFICIAL CON DETONACIN

ENCENDIDO SUPERFICIAL SIN DETONACIN

AUTOINFLAMACIN PERSISTENTE (RUN ON) El motor contina girando con el encendido

cortado

ENCENDIDO SUPERFICIAL CRECIENTE Aparece cada vez antes en el ciclo, lo que

puede llevar a la destruccin del motor.

PICADO INTENSO (WILD PING) Detonacin como consecuencia

del encendido superficial.

MARCHA DURA (RUMBLE) Ruido sordo distinto al de la detonacin provocado por frentes de llama mltiples.


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PARTICULARIDAD EN MEDIDA DE PRESIN EN MEP: DISPERSIN CCLICA

En MEP, los ciclos de presin medidos consecutivamente y manteniendo las condiciones de funcionamiento presentan una importante variabilidad que es denominada dispersin cclica o aciclismo.

0

10

20

30

40

50

60

70

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40ngulo de cigeal ()

Pre

sin

(bar

)

Existe por lo tanto una variabilidad en el desarrollo del proceso de combustin de ciclo en ciclo.

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40ngulo de cigeal ()

FMQ


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EFECTOS:

La dispersin cclica provoca que de ciclo en ciclo varen apreciablemente aspectos tales como:

Emisiones contaminantes del motor Prestaciones del motor Tendencia a la autoinflamacin.

Los factores relacionados con

motores de combustion interna

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