PARAMETROS CONSTRUCTIVOS DE LOS MOTORES

Principio básico de funcionamientoEn un motor térmico se producen una serie de transformaciones, en la cual, el motor recibe energía térmica en forma de calor y genera energía mecánica en forma de trabajo.

MOTOR TERMICO

Clases :

Máquinas de combustión interna (endotérmico)La combustión se produce en la cámara del motor donde se generan los gases que producen la expansión para obtener trabajo.

Máquinas de combustión externa ( exotérmico )Son aquellos en los que la combustión tiene lugar fuera del motor; el calor desprendido es trasmitido a un fluido que genera energía mecánica. Como ejemplo en la máquina de vapor, el fluido es el vapor de agua y el lugar de la combustión es la caldera que está fuera del motor.

Clasificación de los motores

N/O Clasificación

01. Según el campo de aplicación

02. Según el tipo de combustible

03. Según el modo de transformar la energía calorífica en mecánica

04. Según el procedimiento de formación de la mezcla

05. Según el procedimiento de encendido del combustible

06. Según el método de efectuar el ciclo de trabajo

07. Según el método de regulación del fluido operante al variar la carga

08. Según su estructura

09. Según el método de enfriamiento

CONSIDERACIONES

• Durante el funcionamiento del MCI en su cilindro, ocurre una serie de cambios del estado del medio de trabajo (gas), que se repite periódicamente.

• El conjunto de procesos sucesivos ( admisión, compresión, explosión y escape ) que se repite cíclicamente en cada cilindro y determina el funcionamiento del motor, se denomina “ciclo de trabajo del motor”.

La parte del ciclo de trabajo que sucede durante el recorrido del pistón de un punto muerto al otro, se llama “tiempo”.

A los motores en los que el ciclo de trabajo se realiza cada cuatro carreras del pistón, o sea cada dos vueltas del cigüeñal se denominan “motores de cuatro tiempos” y a los motores en los que el ciclo de trabajo se efectúa cada dos recorridos del pistón, o sea cada revolución del cigüeñal, se llaman “motores de dos tiempos”.

ADMISIÓN : durante la carrera de admisión el émbolo se desliza hacia el P.M.I., accionado por la biela. La válvula de admisión se abre completamente, permitiendo la entrada de la mezcla, la cual va a ocupar el espacio que ha dejado el émbolo en su descenso. Teóricamente, la presión es constante e igual a la atmosférica.

COMPRESIÓN : la válvula de admisión se cierra, cuando el émbolo llega al P.M.I. En este momento el émbolo inicia su carrera ascendente hacia el P.M.S., haciendo disminuir el volumen ocupado por la mezcla, comprimiéndola hasta dejarla reducida al volumen de la cámara de explosión.

Durante la compresión, la mezcla, además de aumentar su presión aumenta su temperatura; pero no lo suficiente para producir la explosión. Este aumento de temperatura hace que sea más fácil el encendido de la mezcla y más rápida su combustión. La temperatura de la mezcla al final de la compresión varía entre 520 y 650° C, según los valores de la relación de compresión.

EXPANSIÓN : El aumento de presión originado por la combustión de la mezcla actúa sobre las paredes de la cámara de combustión, obligando a la única pared móvil, que es el émbolo, a descender rápidamente, expandiéndose los gases y disminuyendo la presión con el aumento de volumen.

Al inflamarse la mezcla, se eleva bruscamente, P y T en la c.c. Teóricamente, T en la c.c. alcanza entre 2.300 y 2.500° C, dependiendo de la relación de compresión .

La temperatura, al final de la expansión, desciende, entre 1.600 y 1.340° C. La expansión termina, teóricamente, cuando el émbolo llega al PMI.

La expansión es el tiempo en el que se transforma en trabajo el calor producido por la combustión de la mezcla; durante la fase de expansión las válvulas de admisión y escape permanecen cerradas.

ESCAPE : Cuando el émbolo llega al P.M.I. la válvula de escape se abre, quedando abierta hasta el fin de la carrera de subida del émbolo al P.M.S., con lo cual se expulsan los gases quemados, preparando el cilindro para recibir más mezcla e iniciar nuevamente el ciclo.

Se supone que en el momento de llegar el émbolo al punto muerto inferior y abrirse la válvula de escape desciende la presión de los gases a la presión atmosférica, y que durante la marcha del émbolo hacia el P.M.S. los gases se mantienen a dicha presión.

La temperatura de los gases a la salida al exterior es de 1100 a 1400° C, dependiendo de que la carburación esté bien regulada y de que se efectúe una buena combustión.

En el momento de iniciarse el escape, la elevada temperatura que llevan los gases da lugar a una gran pérdida de energía térmica.

Parámetros Constructivos

• La posición del pistón en el cilindro, en que la distancia entre el pistón y el eje del cigüeñal del motor será máxima, se llama punto muerto superior (p.m.s.).

• La posición del pistón en el cilindro, en que la distancia entre el pistón y el eje del cigüeñal será mínima, se llama punto muerto inferior (p.m.i.).

• La distancia medida por el eje del cilindro, entre los puntos muertos superior e inferior, se llama : carrera del pistón ( S ).

Parámetros Constructivos

• Cada carrera del pistón corresponde a una media vuelta del cigüeñal, o sea, a 180° de su giro.

• En el mecanismo de biela–manivela, la carrera del pistón S=2r, donde r es el radio de la manivela del cigüeñal.

Parámetros Constructivos

• S/d < 1 : corto, motores cuya relación carrera del pistón / diámetro del cilindro es menor que 1.

• S/d = 1 : cuadrado, motores cuya relación carrera del pistón / diámetro del cilindro es igual a 1.

• S/d > 1 : largo, motores cuya relación carrera del pistón/diámetro del cilindro es superior a 1.

Parámetros Constructivos• S/d < 1 corto• S/d = 1 cuadrado• S/d > 1 largo

• En los MCI suben y bajan los pistones dentro del cilindro movidos por las sucesivas explosiones.

• Los motores giran tan rápido que las dimensiones del cilindro y pistones son importantes.

• Para una misma cilindrada, se puede elegir un cilindro estrecho y largo o uno ancho y corto. Al moverse el pistón genera inercias enormes, por ello la importancia de las dimensiones.

• En el diseño del motor se establece su uso. Al emplear una carrera corta la velocidad media será menor y así se moverá con mayor facilidad a mayor rpm. Así el cilindro tendrá mayor diámetro, con válvulas más grandes que favorezcan la respiración a elevadas rpm.

• El motor de carrera larga tiene mayor par a bajo rpm.

Ejemplo

Cuál es la relación carrera – diámetro de un motor con los siguientes datos : S = 98 mm, d = 114 mm ?

Cuál es la relación carrera – diámetro de un motor con los siguientes datos : S = 180 mm, d = 150 mm ?

Parámetros Constructivos

• La velocidad media del émbolo ó pistón (Vm) caracteriza el grado de perfeccionamiento de la estructura del motor, puesto que su valor puede determinar el desgaste de las piezas que forman el grupo cilindro y émbolo y el nivel de las pérdidas mecánicas debidas al rozamiento.

• Si por cada vuelta que da el cigüeñal del motor, el pistón recorre una distancia igual a dos veces la carrera, se puede calcular la Vm, expresada en m/s, multiplicando el doble de la carrera en mm por el régimen de giro y dividiendo por 60.000 para pasar a las unidades correctas. Es un dato importante, pues las fuerzas alternas de inercia que provocan esfuerzos mecánicos en el motor dependen de la velocidad media del pistón y de la cilindrada unitaria. En un motor convencional la Vm está entre 10 y 20 m/s

• Ejemplo : motor 6V-53 Detroit, carrera : 114 mm, rpm : 2800. Cuál es la velocidad media del pistón ?

Parámetros Constructivos

• El volumen Vh, que se obtiene por el desplazamiento del pistón del p.m.s. al p.m.i., se llama volumen útil del cilindro:

d, es el diámetro del cilindro en cm.

S, es la carrera del pistón en cm.

• El volumen Vc, por encima del pistón, en el instante en que el pistón se encuentra en el p.m.s. se denomina volumen de compresión ó volumen de la cámara de combustión.

Ejemplo

• Cuál es el volumen útil ( en litros ) de un cilindro de 114 mm de diámetro y 98 mm de carrera ?

Parámetros Constructivos

• La suma del volumen de compresión y del volumen útil del cilindro, o sea el volumen Va por encima del pistón en el instante en que éste se halla en el p.m.i., se denomina volumen total del cilindro ( Va )

Parámetros Constructivos• Se llama cilindrada del

motor a la suma de los volúmenes útiles de todos sus cilindros expresados en litros

es el volumen de un cilindro en litros.

es el número de cilindros del motor

Ejemplo

• Cuál es la cilindrada de un motor Detroit 6V-53T, 6 cilindros, expresado en litros ?

Parámetros Constructivos • La relación entre el volumen

total del cilindro y el volumen de la cámara de combustión se llama relación ó grado de compresión (ε)

• La relación de compresión ε es un número abstracto que indica cuántas veces el volumen total del cilindro es mayor que el volumen de la cámara de combustión

GRACIAS

Parámetros Constructivos• S/d < 1 corto• S/d = 1 cuadrado• S/d > 1 largo• La relación inferior S/d < 1, tiene las siguientes ventajas :

Para el mismo régimen, disminuye la velocidad media del pistón, con esto se obtienen rpm elevados y mayor potencia

Se reducen las fuerzas alternativas y la fuerza centrífuga: el inconveniente del mayor peso del pistón queda compensado por su menor aceleración.

En un motor de carrera corta es más fácil conseguir la rigidez del cigüeñal, puesto que las manivelas son más cortas. Con diámetros mayores se logra más espacio para las válvulas, que pueden ser de diámetro también mayor, lo cual permite mejores rendimientos volumétricos.

Las desventajas están relacionadas a la naturaleza térmica ( recorrido largo de la llama, esfuerzos térmicos, mayor desgaste ).