Motores de combustión interna

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República Bolivariana de Venezuela

Ministerio de Educación Superior

I.U.P. “Santiago Mariño”

Porlamar – Edo. Nueva Esparta

Motores de combustión interna

Elaborado por:

Alejandro Velásquez #49

C.I: 27.352.306

Febrero – 2022

Introducción

Los motores de combustión, son dispositivos que operan en ciclos abiertos, pudiendo ser cerrados bajo consideraciones teóricas, que permitan los estudios de potencia. El estudio de estos fenómenos físicos de potencia, es uno de los puntos más importantes en cuanto a los temas de interés en la catedra de termodinámica. El desarrollo de la creación y aplicación de técnicas teóricas que permitan realizar análisis a estos ciclos operacionales de los motores de combustión interna, que al ser abiertos, son complejos en su estudio, es uno de los puntos principales en la elaboración del presente trabajo.

Por medio del desarrollo de la presente investigación, se estudiaran los ciclos de aire normal o estándar, además de un enfoque en los ciclos que reciben energía por la combustión de un combustible dentro de esta clase de máquinas. El entendimiento de los principios en los que basa su funcionamiento, así como su composición estructural y proceso cíclico de trabajo, es uno de los puntos a desarrollar más destacados de la investigación.

Se presentan las condiciones para que cada ciclo pueda ser factible al estudio analítico, siendo necesario mantener ciertas complejidades internas fuera de consideración, consiguiendo finalmente un ciclo que se parezca en gran medida al real, pero que está formado en su totalidad de procesos internamente reversibles. Tal ciclo es llamado un ciclo ideal. A razón de ello, un modelo idealizado simple permite a los ingenieros estudiar los efectos de los principales parámetros que gobiernan el ciclo, sin detenerse en los detalles condicionales externos.

Ciclos de aire normal.

Los procesos cíclicos de potencia de un motor de combustión interna, conllevan a un análisis termodinámico de alta complejidad, debido a diversos factores internos del proceso (fricción, tiempo insuficiente para el estudio real, entre otros); además del simple hecho de que luego del proceso de compresión y combustión en la cámara, la mezcla (aire-combustible o diésel) se convierte en un compuesto completamente diferente al combustible que entró al sistema en primer lugar, que luego es expulsado fuera del sistema. Lo que hace prácticamente imposible un análisis real del proceso considerando todas las variables.

Las máquinas de combustión interna operan en un ciclo abierto, lo cual no es muy conveniente al analizar estos dispositivos. En base a ello, y con el objetivo de permitir simplificar el proceso analítico a un punto considerablemente más práctico, se ideó el ciclo de aire normal o estándar, el cual se define como un ciclo hipotético cerrado el cual presupone que el fluido motriz es únicamente aire. El comportamiento de este aire normal en un ciclo ideal de motores de combustión interna, se basa en las siguientes aproximaciones:

1. El fluido motriz que circula de manera continua en el sistema se comporta como un gas ideal.
2. Todos los procesos del sistema (procesos de compresión y de expansión) se consideran reversibles (isentrópicos).
3. La etapa de combustión se sustituye por un proceso de adición de calor desde una fuente externa que se encuentra a altas temperaturas, de manera instantánea (a volumen constante).
4. El proceso de expulsión de los gases de escape es sustituido por un proceso de rechazo de calor, el cual regresa el fluido de trabajo a su estado inicial. Haciendo funcionar así al sistema como si fuera cerrado.

A parte de estas suposiciones, se puede simplificar aún más el análisis si se considera que el aire se encuentra a temperatura ambiente, y por consiguiente con valores de calor especifico determinados por esta condición. Denominándose “aire normal frío” cuando se aplican estas condiciones.

Estas suposiciones de aire normal mencionadas previamente, permiten la simplificación del análisis termodinámico de los ciclos de aire en motores de combustión interna (como los motores de ignición por chispa y por compresión), y en otros de combustión externa (ciclos de Stirling y Ericsson, de Brayton). Contemplándolos como sistemas cerrados para el estudio de los parámetros principales en el desempeño de una maquina teóricamente, sin alejarse de los procesos en máquinas de combustión reales.

Maquinas reciprocantes.

Es un dispositivo de cilindro-émbolo, es lo que se conoce en sí como una maquina reciprocante. Es una de las fuentes de poder más versátil desde su creación, teniendo un rango amplio de aplicaciones, como en automóviles, camiones, aviones pequeños, generadores de energía eléctrica, entre muchos otros dispositivos.

Se compone básicamente de un embolo reciprocante dentro de un cilindro, que alterna entre dos posiciones denominadas PMS (punto muerto superior) y PMI (punto muerto inferior), siendo respectivamente la posición del embolo cuando forma menor y mayor volumen en el interior del cilindro. La distancia entre ambos puntos se conoce como carrera y es la más larga que puede recorrer el embolo en una dirección. La cabeza del embolo, es decir, el diámetro del pistón se le llama calibre. Generalmente los diseños de cilindros poseen una válvula de admisión y escape de gases, exceptuando casos como los motores Otto de dos tiempos o de motores diésel.

El volumen mínimo formado en el cilindro cuando el embolo está en el PMS se denomina volumen de espacio libre. El volumen desplazado por el embolo cuando se mueve entre el PMS y PMI se llama volumen de desplazamiento. La relación entre el máximo volumen formado en el cilindro y el espacio libre, recibe el nombre de relación de compresión  del motor:[pic 2]

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Otro término empleado en las maquinas reciprocantes es la presión media efectiva (PME), una presión ficticia que, si actuara sobre el embolo durante toda la carrera de potencia, produciría la misma cantidad de trabajo neto que el producido durante el ciclo real. Es decir:

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O también:

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La presión media efectiva puede ser usada como parámetro para comparar el desempeño de máquinas reciprocantes de igual tamaño. La máquina que tiene un valor mayor de PME entregara más trabajo neto por ciclo y por lo tanto desempeñara mejor.

Ciclo de motores de ignición por chispa (ECH).

Las maquinas reciprocantes de ignición por chispa (ECH), son aquellas en donde la combustión de la mezcla de aire y combustible en el sistema, se inicia por medio de una chispa generada por la bujía en la cámara de combustión. Esta clase de máquinas de combustión interna, posee dos variaciones, pudiendo ser configurada como un motor de cuatro tiempos (con dos ciclos mecánicos permitidos por ayuda del cigüeñal), y como uno de dos tiempos (solo de potencia y compresión).

• En los motores de combustión interna de cuatro tiempos.

En primera instancia, en el proceso mecánico real, la válvula de admisión y la de escape, se encuentran cerradas y el embolo en el PMI. En la etapa de compresión, el embolo se mueve hacia arriba comprimiendo la mezcla de aire-combustible; antes de llegar al PMS la bujía produce una chispa, encendiendo la mezcla, aumentando la presión y temperatura en el sistema. Esta reacción, empuja el embolo hacia abajo obligando al cigüeñal a rotar, produciendo así un trabajo útil durante la carrera de potencia. Al final de todo el proceso (la terminación del primer ciclo mecánico), el embolo se encuentra de nuevo en la posición más baja, con la cámara llena de gases de combustión; luego el embolo es empujado hacia arriba, expulsando a presión los gases de producto (carrera de escape) por la válvula de escape. Para luego descender otra vez, con la válvula de admisión abierta, extrayendo una nueva mezcla de aire-combustible (carrera de admisión).

• En las máquinas de combustión interna de dos tiempos.

Las cuatro etapas del motor de cuatro tiempos, se resume a dos en el motor reciprocante de dos tiempos. En estas máquinas, el cárter esta sellado y el movimiento hacia afuera del embolo se emplea para presurizar la mezcla aire-combustible en el cárter. Las válvulas de admisión y de escape, se reemplazan por aberturas en la parte inferior de las paredes del cilindro. Durante la última parte de la carrera de potencia, el embolo al bajar descubre el orificio de escape primero que el de admisión, permitiendo que la mezcla de productos de combustión salga parcialmente, poco antes de que la mezcla nueva de aire-combustible entre al sistema. Esta mezcla es entonces comprimida cuando el embolo se mueve de nuevo hacia arriba, y es subsecuentemente encendida por medio de una bujía.

Debido a que la expulsión de los gases de escape, no es completa del todo, generalmente las máquinas de dos tiempos son menos eficientes que sus contrapartes de cuatro tiempos, ya que la mezcla nueva no es completamente pura. Sin embargo, son más sencillas y económicas, teniendo elevadas relaciones potencia-peso y potencia-volumen, haciéndolo practico para maquinarias pequeñas.

Ciclo de Otto ideal.

Para el proceso de análisis termodinámicos de los ciclos reales, en los motores de cuatro y dos tiempos, debido a que, como ya se había mencionado antes, es una tarea de alta complejidad, los análisis se pueden simplificar bajo las suposiciones de aire normal o estándar. Resultando en un análisis, que a pesar de ser teórico, es parecido a las condiciones reales. Esto se denomina como ciclo de Otto ideal, compuesto por cuatro procesos por completo reversibles internamente:

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