HILO CONDUCTORUnidad de aprendizaje 1
Motores térmicos
Contenido
2. Termodinámica: ciclos teóricos y reales
3. Motores de dos, cuatro tiempos Otto y rotativos
4. Motores de ciclo diésel. Tipos principales y diferencias con los de ciclo Otto
5. Rendimiento térmico y consumo de combustible
6. Curvas características de los motores
Objetivos
Los objetivos específicos del UF1214: Mantenimiento de motores térmicos de dos y cuatro tiempos, son:
El aprovechamiento de la energía en forma de calor para producir trabajo es algo que, a lo largo de la historia, el hombre ha ido consiguiendo poco a poco, perfeccionando la tecnología y el rendimiento de las máquinas térmicas e incorporando nuevos materiales más resistentes que soportan solicitaciones y esfuerzos mayores.
Aplicada a la mecánica, la termodinámica se utiliza para mejorar el rendimiento de los motores. La mayoría de estos estudios se centran en conseguir un mejor llenado y vaciado de los cilindros, y la inyección o encendido de la mezcla, según el caso.
Los motores se pueden clasificar atendiendo a diversos factores, no obstante, la clasificación que se utiliza en los motores de automoción se realiza en función del tipo de combustión, que puede ser externa, interna y combustión interna alternativos.
Los motores de gasolina y los motores diésel tienen una serie de particularidades que los hacen resultar más atrayentes en función del uso que le vaya a dar el cliente. Resulta necesario que los mecánicos conozcan las características de cada uno de ellos para poder afrontar las reparaciones de ambos tipos de motores.
Para el desarrollo del contenido nos basaremos en el caso de la empresa Talleres Automotor siglo XXI, S. L., una empresa dedicada a la reparación de vehículos ligeros (automóviles y motocicletas). Esta empresa cuenta con cuatro trabajadores, Mario que es el jefe de taller y además gerente de la misma, Manuel, Ana y Joaquín, este último un trabajador nuevo en la empresa y con poca experiencia.
HILO CONDUCTOR
En muchas ocasiones, la mecánica se entiende como algo eminentemente práctico; sin embargo, comprender el funcionamiento del motor y los procesos que se llevan a cabo en el mismo resulta fundamental para lograr una buena preparación del mecánico. Por ello, en el taller Automotor siglo XXI se apuesta por la formación de los trabajadores, que asisten regularmente a cursos y seminarios para estar al día en los nuevos avances que se producen en este campo.
Del motor térmico se obtiene energía mecánica a partir de la energía térmica almacenada en un fluido (gasolina, GLP, etc.) mediante un proceso llamado de combustión.
En función del lugar donde se realice la combustión, los motores térmicos pueden clasificarse en motores térmicos de combustión externa, de combustión interna y de combustión interna alternativos.
De igual manera, dichos motores presentan distintas clasificaciones, como se puede ver en los siguientes esquemas:
RECUERDA
Del motor térmico se obtiene energía mecánica a partir de la energía almacenada en un fluido mediante la combustión.
Si el proceso térmico se produce dentro del motor, este será de combustión interna (MCI), en cambio, si el trabajo transmitido por el pistón es con un movimiento lineal, el motor será alternativo (MCIA).
En los motores térmicos de combustión interna alternativos el fluido evoluciona de la siguiente forma y dan lugar a los tiempos:
De este modo, el tiempo de admisión corresponde a la entrada del fluido en el cilindro; el tiempo de compresión corresponde al prensado de la mezcla en el cilindro; el de explosión y expansión, al tiempo en el que los gases se inflaman y se obtiene la fuerza, mientras que el tiempo de escape corresponde a la evacuación al exterior de los gases quemados en el cilindro.
El proceso de renovación de carga se lleva a cabo en la admisión y en el escape, mientras que el proceso termodinámico donde se obtiene trabajo se desarrolla durante la combustión y la expansión.
Los MCIA se utilizan en los siguientes campos:
En la actualidad, los inconvenientes que presentan este tipo de motores son la contaminación y el combustible.
La termodinámica se define como el estudio de la energía, sus formas y transformaciones, así como de sus interacciones con la materia. Es una ciencia básica que se puede aplicar al estudio de numerosos sistemas como son la transferencia de calor, la mecánica de fluidos, las plantas de potencia, las máquinas y el acondicionamiento de aire.
Aplicando los principios de la misma, se puede saber si es posible mejorar la eficiencia de los procesos y, con ello, disminuir el consumo de energía. Esto es, la termodinámica estudia todo aquel proceso en el que interviene la energía en sus múltiples formas.
Definiciones básicas en termodinámica
A continuación se exponen los conceptos básicos que se emplean para establecer los principios básicos de la termodinámica:
Para describir un sistema termodinámico y estudiar su comportamiento es necesario conocer un conjunto de magnitudes macroscópicas denominadas variables termodinámicas. Algunas de estas variables como el volumen o la presión pueden ser medidas; sin embargo, otras como la energía interna o la entropía no pueden medirse utilizando las leyes termodinámicas para definirlas y relacionarlas con las que sí son medibles.
En termodinámica las interacciones se traducen como la posibilidad de intercambio de materia constituida por una o varias especies químicas y de intercambio de alguna clase de energía; de esta forma, un sistema puede cambiar de energía a través de tres tipos de interacciones:
RECUERDA
La energía cinética de un cuerpo es la energía que posee como consecuencia de su movimiento, cambiará su energía cinética si cambia su velocidad. La energía potencial mide la capacidad de trabajo que puede desarrollar un sistema debido a su posición.
VÍDEO
Puedes observar el siguiente video en el que se explica el trabajo de expansión y compresión de un gas, accediendo aquí:
https://redirectoronline.com/mf01322uf121401
Si partimos de un volumen inicial dentro de un cilindro, en este caso como el que vemos en la imagen en el que hemos introducido un gas (mezcla aire y combustible) y se produce una expansión del mismo o un aumento del volumen, esto provocará un trabajo o una fuerza a lo largo de una distancia. En el caso de los motores de explosión, el gas aumenta de volumen debido a la explosión de los gases dentro del cilindro y esto hace que provoque un trabajo que se transmite al cigüeñal a través del pistón. Como se puede apreciar en la segunda imagen, al aumentar el volumen, la presión que hay dentro del cilindro disminuye.
En el caso de la compresión, si partimos de un volumen inicial del gas, se necesita realizar un esfuerzo o trabajo para comprimir o disminuir el volumen del gas que está dentro del cilindro con lo que conseguimos que el volumen disminuya y en consecuencia, la presión aumente. El trabajo necesario para comprimir este volumen sería proporcionado por el cigüeñal que lo transmite al pistón.
Para comprimir el gas, el pistón tendrá que realizar un trabajo o esfuerzo menor que el obtenido al explosionar la mezcla el trabajo. La diferencia entre el trabajo necesario para comprimir el gas y el trabajo obtenido en la expansión se denomina trabajo neto.
Lo que daría como resultado la siguiente fórmula:
La fórmula anterior muestra el trabajo obtenido después de realizar el trabajo de compresión y posterior expansión dentro de un cilindro. Se puede observar que el área o trabajo en la expansión es mayor que en la compresión, esta es la razón por la que se utilizan estos motores en la actualidad. La industria trata de que el trabajo necesario en la compresión sea el menor posible y el obtenido en la expansión sea el mayor posible. Esto repercutirá en el consumo de los motores y en el trabajo obtenido de los mismos.
Para comprender mejor estos procedimientos, incluiremos a continuación una serie de conceptos fundamentales de los motores:
Donde:
El valor resultante de la aplicación de la fórmula anterior es fundamental para el cálculo del Impuesto sobre Vehículos de Tracción Mecánica (IVTM).
Los mecanismos o formas mediante las cuales se produce la transmisión de calor se consideran básicamente tres: conducción, convección y radiación.
SABÍAS QUE …
Si ponemos un cubito de hielo en un vaso de agua, existen dos fases: el hielo por un lado y el agua por otro. Los dos están compuestos de la misma sustancia H2O pero sus propiedades físicas son diferentes. Los metales son los mejores conductores de calor; la madera y el plástico, los peores.
ACTIVIDAD COMPLEMENTARIA
1. Busca en internet ejemplos en los que se produzca la transmisión de calor por conducción, convección y radiación en un motor de combustión interna.
En la siguiente imagen se puede observar el diagrama P-V (gráfico en el que en eje de ordenadas se establece la presión (P) del sistema y en el de abscisas se establece el volumen (V) para un ciclo de Carnot. El trabajo neto entregado por una máquina térmica que funcione describiendo este ciclo vendrá dado por el área que encierra el ciclo y, como se trata de un ciclo, el cambio de energía interna del fluido o sustancia de trabajo es cero. Es importante comprender este ciclo para deducir el funcionamiento del motor de combustión interna.
El ciclo de Carnot es reversible, lo que quiere decir que los procesos que lo constituyen se pueden invertir y, en este caso, se tendría una máquina frigorífica.
NOTA
El rendimiento del motor será mayor cuanto mayor sea el área encerrada por el ciclo.
El estudio de los procesos termodinámicos desarrollados en los motores ha sido fundamental para la mejora de sus prestaciones. Actualmente sirve para llevar a cabo una aproximación al funcionamiento real y al cálculo de los parámetros de funcionamiento óptimo que permiten mejorar los procesos termodinámicos.
El diseño óptimo del motor no sirve solamente para mejorar el proceso termodinámico, el rendimiento y el consumo de combustible, sino también para aumentar la potencia, fiabilidad, revisiones y reducir los costes de fabricación, buena disponibilidad en el habitáculo y un mejor acceso al técnico para su reparación.
Los procesos teóricos sirven para comprender los procesos reales, que resultan mucho más complejos en su análisis; de esta forma, se entiende como ciclo termodinámico la evolución sucesiva que experimenta el estado termodinámico de un fluido y que vuelve después de un número determinado de procesos al mismo estado termodinámico del que partió. Los MCIA no funcionan según un ciclo termodinámico debido a las transformaciones y renovaciones del fluido motor, pero se puede hablar de ciclos de trabajo de los motores como consecuencia de los sucesivos procesos reales que se repiten en el tiempo. A estos estos ciclos se les conoce con el nombre de ciclos reales.
Los ciclos de aire-combustible y los ciclos de aire son esquemas que sustituyen a los ciclos de trabajo de los motores, en los que no se consideran los procesos de renovación de carga y sí los procesos básicos que tienen lugar en los motores denominados ciclos teóricos.
A continuación se muestra el gráfico de Presión y Volumen del ciclo básico de un motor de gasolina (MEP) y un motor diésel (MEC), evitando los tiempos de admisión y escape. Para ello muestra la evolución del volumen y la presión que se produce dentro del cilindro, al compararlo con el ciclo teórico, podemos apreciar donde se producen pérdidas, ese estudio hará que los fabricantes intenten utilizar distintas modificaciones para hacer que estas pérdidas sean las menores posibles. Con estos gráficos también podemos comparar la evolución y rendimiento entre los motores MEP y MEC.
El diagrama P-V en el motor se determina mediante unos aparatos llamados indicadores, con los que se pueden obtener los parámetros indicados como, por ejemplo, la potencia indicada. Los ciclos teóricos sustituyen a los ciclos reales. Con ellos se pueden calcular los parámetros básicos como el trabajo y el rendimiento. Para obtener los parámetros reales se deben aplicar a los cálculos realizados los llamados coeficientes de calidad de los ciclos teóricos.
RECUERDA
Ciclos de aire equivalente a volumen constante
El ciclo de aire equivalente al ciclo real de un MEP se denomina ciclo de aire equivalente de volumen constante y presenta las siguientes características:
A continuación se muestra y explica la gráfica de presión-volumen de un MEP:
1. Compresión adiabática y reversible (trayecto 1-2): el pistón está situado en el punto muerto inferior PMI, en este caso en el punto 1, y en su movimiento ascendente, este comprime el gas (aire y gasolina) que hay dentro del cilindro. Este tiempo es el equivalente al tiempo de compresión.
2. Aportación de calor a V= CTE (trayecto 2-3): el pistón estaría situado en el punto muerto superior del cilindro PMS, aquí se produciría el salto de chispa desde la bujía para que de este gas comprimido se obtenga el máximo trabajo.
3. Expansión adiabática y reversible (trayecto 3-4): el pistón está situado en el punto muerto superior PMS, en este caso en el punto 3, y en su movimiento descendente, el gas al expandirse, mueve el pistón que a su vez, transmite ese trabajo al cigüeñal. Este tiempo es el equivalente al tiempo de expansión.
4. Enfriamiento a V= CTE (trayecto 4-1): el pistón está situado en el punto muerto inferior PMI, en este caso en el punto 4 y el gas que ya ha desarrollado todo su trabajo debe salir al exterior.
Ciclos de aire equivalente de presión limitada
El ciclo de aire equivalente al ciclo real de un MEC se denomina ciclo de aire equivalente de presión limitada y presenta las siguientes características:
A continuación se muestra y se explica la gráfica de presión-volumen de un MEC:
1. Compresión adiabática y reversible (1-2): el pistón está situado en el punto muerto inferior PMI, en este caso en el punto 1, y en su movimiento ascendente, el pistón, comprime el gas (solo aire) que hay dentro del cilindro. Este tiempo es el equivalente al tiempo de compresión.
2. Aportación de calor a V= CTE (combustión del combustible) (2-3): el pistón estaría situado en el punto muerto superior del cilindro PMS y es donde se produciría la combustión ya que se aporta combustible al aire comprimido.
3. Aportación de calor a presión constante (retraso combustión) (3-3A): la mezcla de aire y combustible que está sometida a presión, al aumentar la temperatura debido a esa presión y las condiciones que existen en el cilindro, provoca la combustión de la mezcla.
4. Expansión adiabática y reversible (3A-4): el pistón que ya ha sobrepasado el punto muerto superior PMS, en su carrera descendente, en este caso en el punto 3A, el gas al expandirse mueve el pistón que a su vez transmite ese trabajo al cigüeñal. Este tiempo es el equivalente al tiempo de expansión.
5. Enfriamiento a V= CTE (4-1): el pistón está situado en el punto muerto inferior PMI, en este caso en el punto 4 y el gas que ya desarrollado todo su trabajo debe salir al exterior.
Si los motores térmicos no tuviesen pérdidas toda la energía generada sería transformada en fuerza, sin embargo, estos motores presentan pérdidas mecánicas debidas fundamentalmente a los rozamientos que se producen internamente. Además, el proceso de carga de llenado y vaciado de gases no es perfecto, por tanto no se produce toda la energía que el motor es capaz de desarrollar. A continuación, se van a ver las características de los ciclos reales en los motores MEP y MEC.
SABÍAS QUE …
El punto en el que el pistón está más cercano a la cámara de combustión se denomina PMS y el más lejano PMI. En estos puntos el pistón permanece parado, mientras que el cigüeñal sigue girando y cambia el sentido del movimiento del pistón de subida a bajada o viceversa.
Ciclo real en los MEP
A continuación se exponen cada una de las fases de los motores de encendido provocado y los procesos que se producen en cada tiempo o fase del ciclo.
Ciclo real en los MEC
A continuación se presentan las fases que se dan en los motores de encendido por combustión.
NOTA
En los motores de pequeña cilindrada no puede considerarse la hipótesis de la compresión.
HILO CONDUCTOR
En el taller Automotor siglo XXI se reparan todo tipo de vehículos, desde ciclomotores de dos tiempos hasta motocicletas y automóviles de cuatro tiempos, por lo que resulta fundamental que los mecánicos que trabajan en el taller conozcan las características de los diferentes tipos de motores.
A continuación, se desarrollarán las características principales de los motores de dos y cuatro tiempos y del motor wankel como, por ejemplo, los ciclos de funcionamiento, rendimientos, o cotas de reglaje, que nos ayudarán a establecer una buena base para realizar comparaciones y caracterizar los motores MCIA.
A continuación, se definen los parámetros geométricos básicos para desarrollar las relaciones geométricas que caracterizan la operación de los MCIA (motores de combustión interna alternativos).
Para su análisis, se deben tener en cuenta las siguientes fórmulas:
Sección del pistón
Donde:
Cilindrada unitaria o volumen de embolada
Donde:
Cilindrada total
Donde:
Relación de compresión
Donde:
Velocidad media del pistón
Donde:
El llamado motor alternativo de dos tiempos se emplea para vehículos de pequeña cilindrada, especialmente en motocicletas, y presenta una serie de características en común con el motor de cuatro tiempos:
En este caso, el ciclo de trabajo se realiza en dos tiempos, es decir, el émbolo o pistón, efectúa dos desplazamientos alternativos (una subida y una bajada) que corresponden a una vuelta de 360° en el cigüeñal.
Característica principal de un motor de dos tiempos
La característica principal de este motor es que no dispone de válvulas que regulen la entrada y salida de gases. En su desplazamiento mediante las lumbreras el pistón abre y cierra el paso del fluido en el cilindro. Las lumbreras de admisión y de escape están situadas en la parte baja del cilindro.
La refrigeración es directa o forzada por aire mediante unas aletas que rodean todo el cilindro y la culata. Además, no existe circuito de engrase, por lo que los elementos del tren alternativo se lubrican añadiendo aproximadamente una proporción del 5 % de aceite en el combustible.
NOTA
La admisión de los gases frescos carburados se realiza en el cárter, donde son sometidos a una precompresión y luego entran en el cilindro por la lumbrera de carga que está comunicada con el cárter.
Comparación con un motor de cuatro tiempos
Los motores de dos tiempos poseen mayor potencia y mayor rendimiento térmico para una misma cilindrada que los de cuatro tiempos. Además, presentan un mayor consumo específico de combustible por CV/h, esto es, a bajas revoluciones del motor, parte de los gases quemados se mezclan con los gases frescos, lo que provoca una mezcla pobre que baja el rendimiento; sin embargo, a altas revoluciones, los gases quemados arrastran a los gases frescos que entran en el cilindro, por lo que el llenado resulta insuficiente, bajando así la potencia útil del motor y necesitando un mayor consumo para una misma potencia.
Las ventajas frente al motor de cuatro tiempos son las siguientes:
Los motores de dos tiempos son más contaminantes que los motores de cuatro tiempos, además, estos están sometidos a un mayor desgaste debido a la falta de eficacia de su sistema de lubricación. Por estos motivos, cada vez se fabrican menos motores de dos tiempos, reservándose estos para su uso en motos de pequeña cilindrada (125 cc, 250 cc, etc.).
APLICACIÓN PRÁCTICA
Manuel ha fabricado junto a su hijo un pequeño kart. Una vez terminado el proyecto, necesita ponerle un motor de un cilindro, aunque no tiene claro si colocar uno de dos o de cuatro tiempos. En todo caso, Manuel desea que:
¿Qué motor deberán colocar? ¿De dos o cuatro tiempos? Justifica tu respuesta.
Solución
Manuel y su hijo deberán colocar un motor de un cilindro de dos tiempos, ya que:
No obstante, el consumo suele ser elevado si se compara con un motor de cuatro tiempos de similares características, ya que el sistema de generación de la mezcla y el encendido no es tan preciso como el de cuatro tiempos.
Funcionamiento
Como se ha visto, el motor de dos tiempos realiza su ciclo de funcionamiento en dos tiempos o 360° de giro del cigüeñal. A continuación, se van a explicar cada uno de estos tiempos o fases del ciclo, en los que se puede observar el desarrollo del fluido dentro del cilindro desde que entra hasta que es expulsado a la atmósfera.
Primer tiempo
En su carrera ascendente, el émbolo expulsa el resto de los gases residuales de escape hasta que cierra las lumbreras de carga y escape. La lumbrera de admisión se abre y los gases frescos carburados pasan directamente al cárter, aspirados por el ascenso del émbolo. Desde este punto de la carrera hasta el Punto Muerto Superior (PMS) se efectúa la compresión de la mezcla en el cilindro, mientras que en el cárter continúa la admisión. Durante este tiempo el cigüeñal ha girado 180° y han tenido lugar las siguientes fases:
Segundo tiempo
Cuando el émbolo alcanza el Punto Muerto Superior, salta la chispa eléctrica y se produce la inflamación y explosión de la mezcla, aumentan la temperatura y la presión dentro del cilindro y la fuerza de presión empuja al émbolo, generando la expansión o carrera de trabajo.
En el recorrido descendente del pistón se cierra primero la lumbrera de admisión y la mezcla dentro del cárter se comprime; sigue descendiendo y, antes de llegar al Punto Muerto Inferior (PMI), descubre las lumbreras de carga y escape. Por la primera circulan los gases frescos precomprimidos hacia dentro del cilindro, mientras que por la segunda salen los gases quemados favorecidos por el empuje que les ocasiona la entrada de los primeros. Al momento en el que coexisten los gases frescos y los quemados dentro del cilindro se le denomina cortocircuito. En este tiempo, el cigüeñal ha girado otros 180° y se han realizan las siguientes fases:
En las siguientes imágenes se puede observar el ciclo de un motor de dos tiempos:
Diagrama teórico respecto al giro del cigüeñal
En la siguiente imagen podrás apreciar el tiempo o fase que realiza el motor de dos tiempos relacionado con el movimiento de giro del cigüeñal. Como puedes apreciar, el cigüeñal en estos motores gira una sola vuelta (360°) para realizar los cuatro tiempos o fases (admisión, compresión, explosión y escape).
RECUERDA
En los motores de dos tiempos el cigüeñal gira una vuelta para completar todas las fases necesarias para su funcionamiento.
A continuación se analizará el diagrama de Presión y Volumen del ciclo teórico para un motor de 2T.
En este diagrama intervienen las fórmulas de la cilindrada unitaria o volumen de embolada (Vd) cilindrada total (Vt), para la presión y la temperatura, respectivamente.
Las lumbreras de admisión y escape están abiertas, la presión en el cilindro es constante e igual a la atmosférica. Una vez cerradas las lumbreras de carga y escape se inicia la compresión (2-3) hasta el punto 3 (PMS). El volante es el encargado de suministrar el trabajo al émbolo para comprimir los gases en el cilindro en una transformación adiabática. El punto 3 tiene una presión y temperatura Pc y Tc respectivamente, proporcionales a la relación de compresión del motor.
En el punto 3 salta la chispa, se produce la combustión a V = CTE aportando calor (Q1) al ciclo, elevándose la presión y la temperatura hasta el punto 4, donde se alcanza la presión máxima.
En el segundo tiempo, que se analizará más detalladamente en el siguiente apartado, se producen los siguientes fenómenos:
Tras descender la presión y la temperatura en un proceso adiabático hasta el punto 5, se abre la lumbrera de escape y la presión llega a la atmosférica, cediendo calor Q2 a la atmósfera, lo que se traduce en pérdidas de trabajo. El pistón sigue descendiendo hasta el PMI (2-1) a una presión constante.
Diagrama del ciclo real respecto al giro del cigüeñal
Si el motor realizara los tiempos teóricos el rendimiento del mismo sería mucho mayor, ya que en teoría los gases entrarían más rápido, sin embargo en la realidad esto no sucede, por lo que se deberán realizar una serie de reglajes y ajustes para mejorar el llenado y vaciado del cilindro y modificar el salto de chispa, consiguiendo así mejorar el rendimiento.
Los reglajes que se aplican son retrasos y adelantos de los tiempos de admisión y escape. Estos son:
El tiempo de admisión teórico tendría la misma duración que el de escape, debido a que la lumbrera de admisión y escape están a la misma altura. Para conseguir una mejora en la entrada de gases al cilindro, se adelanta, es decir, se sitúa la lumbrera un poco antes de donde la situaría el ciclo teórico, con lo que conseguimos el mejor llenado del cilindro con la mezcla de aire y gasolina.
Para mejorar el vaciado de los gases quemados en el tiempo de escape se realiza la misma operación de situar la lumbrera de escape un poco antes de la situada en teoría, para así mejorar el vaciado de los gases del cilindro.
Por último, el adelanto de encendido es la operación por la que se hace saltar la chispa un poco antes de lo establecido en el diagrama teórico, consiguiendo así una mejor combustión de los gases. En el caso de que la chispa saltara de acuerdo a lo establecido en el momento teórico, en determinadas condiciones de funcionamiento los gases no podrían combustionar antes de que saliesen por la lumbrera de escape.
En definitiva, para conseguir los adelantos y retrasos en los tiempos de admisión y escape en los motores de dos tiempos se actúa sobre las cotas de la distribución, colocando las lumbreras de carga y escape en la posición idónea para optimizar el llenado y el barrido del cilindro.
NOTA
Existe un adelanto de la lumbrera de escape respecto a la de carga y un adelanto del encendido para que la combustión sea casi perfecta.
Con los adelantos y retrasos efectuados, se consigue el siguiente diagrama real en el motor de 2 tiempos:
Comparación de los ciclos efectivos de los motores de dos y cuatro tiempos
A continuación, se enumeran las ventajas e inconvenientes que presentan los motores de dos tiempos frente a los de cuatro:
SABÍAS QUE …
Los motores de dos tiempos suelen utilizarse para vehículos de un peso reducido (motocicletas, karts, etc.).
En la actualidad, el motor de explosión (Otto) es el más empleado en los turismos. Este motor desarrolla cuatro fases de trabajo en las cuales el émbolo efectúa cuatro desplazamientos o carreras alternativas. Está basado en el sistema mecánico biela-manivela, entre el pistón y el árbol motriz, transformando el movimiento lineal en rotativo. Cada ciclo de funcionamiento consta de dos vueltas del árbol motriz. Un sistema de distribución gobierna las válvulas que son las encargadas de la entrada y salida de los gases que evolucionan dentro del cilindro.
Características principales de un motor de cuatro tiempos de explosión
La particularidad principal de este motor es que la entrada y salida de gases al cilindro es regulada por las válvulas, que a su vez son comandadas por la distribución, que se sincroniza con el giro del cigüeñal. Las válvulas se abren y se cierran para permitir el paso de los gases hacia el cilindro o la salida de los mismos hacia el exterior.
La refrigeración se realiza mediante un líquido refrigerante que circula por un circuito interno que pasa por las paredes del motor y, una vez que este es refrigerado, pasa al radiador para disminuir la temperatura del líquido volviendo a circular nuevamente por el motor.
Existe además, un circuito de engrase que es el encargado de lubricar los elementos del tren alternativo y los elementos susceptibles de ser engrasados. Una bomba es la encargada de enviar este aceite a través de unas tuberías a los puntos necesarios de engrase.
Funcionamiento
A continuación, se describe de manera detallada el proceso teórico del motor de explosión de cuatro tiempos:
En la admisión el émbolo se desplaza desde el PMS al PMI. El árbol motriz o cigüeñal gira 180°. La válvula de admisión permanece abierta en este tiempo, debido a la depresión provocada por el émbolo, con lo que se aspira la mezcla aire-combustible hasta que se llena totalmente el cilindro.
En la compresión el émbolo se desplaza desde el PMI al PMS. El árbol motriz gira 180°. La válvula de admisión y la de escape permanecen cerradas, haciendo hermético el cilindro. La mezcla se comprime hasta llegar al espacio que comprende la cámara de combustión y el PMS. La relación de compresión (Rc) viene determinada por la relación entre el volumen total (Vu) y el volumen de la cámara de combustión (Vc).
En la explosión, el émbolo llega al PMS, finalizando la compresión. El circuito de encendido, sincronizado con el pistón y las válvulas, hace saltar una chispa en la bujía que está dentro de la cámara de combustión y la mezcla se inflama.
Esta fuerza obtenida hace girar 180° la muñequilla del cigüeñal. Esta carrera se conoce con el nombre de carrera motriz por ser la única que produce trabajo.
Finalmente, en el escape el émbolo asciende desde el PMI al PMS mientras el cigüeñal gira 180°, completando el ciclo (2 vueltas o 720°). Durante este recorrido, la válvula de escape permanece abierta y los gases de escape quemados salen al exterior (atmósfera) barridos por el émbolo.
Diagrama teórico respecto al giro del cigüeñal
En la siguiente imagen podrás apreciar el tiempo o fase que realiza el motor de cuatro tiempos relacionado con el movimiento de giro del cigüeñal. Como podrás apreciar, el cigüeñal en estos motores gira dos vueltas (720°) para realizar los cuatro tiempos o fases (admisión, compresión, explosión y escape). Cada fase o tiempo tiene una duración de 180°.
SABÍAS QUE …
En caso de que no se efectuaran los adelantos y retrasos en los tiempos de admisión y escape, el llenado y vaciado de los cilindros se reduciría en torno a un 40 %.
A continuación veremos el ciclo teórico de presión y volumen que se produce en el motor alternativo (Otto).
DEFINICIÓN
Adiabático
En termodinámica se designa como proceso adiabático a aquel en el cual el sistema no intercambia calor con su entorno. Si además el proceso es reversible, se denomina como proceso isentrópico.
Diagrama del ciclo real respecto al giro del cigüeñal
Respecto a la entrada de los gases al cilindro, el comportamiento del motor de 4 tiempos es el mismo que el del motor de 2 tiempos. Es por ello que se deben realizar una serie de ajustes a los tiempos o fases que realiza el motor para aumentar el tiempo de admisión y escape y adelantar el encendido de la chispa.
En el motor de dos tiempos el aumento del tiempo de admisión y escape se realizaba adelantado la situación de la lumbrera de admisión y de escape, sin embargo en los motores de 4T, este adelanto se realiza modificando el momento de apertura y cierre de válvulas.
A continuación se muestra el diagrama en el que aparece la duración de los tiempos o fases de un motor de 4T.
A continuación se analizarán los distintos adelantos y retrasos en los tiempos de admisión y cómo pueden afectar estos al diagrama de presión y volumen:
Existen una serie de factores que hacen modificar el ciclo teórico de los motores, por lo que el rendimiento del ciclo real y el trabajo útil disminuyen. El diagrama teórico sirve de modelo para aproximarse todo lo posible con el diagrama real y obtener así un alto grado de calidad del ciclo.
SABÍAS QUE …
Las válvulas de admisión y escape no son iguales, dado que la de admisión tiene una cabeza con un diámetro mayor que la de escape, lo cual sirve para facilitar la entrada de gases frescos en el interior del cilindro. Actualmente, y para no fabricar válvulas con cabezas muy grandes, se recurre a montar dos válvulas de admisión y de escape.
NOTA
Se denomina cruce de válvulas al instante en el que coinciden abiertas las válvulas de admisión y escape, con esto se consigue que la inercia de la salida de los gases de escape succione los gases frescos que entran por la admisión y estos barran los gases residuales del cilindro. De esta forma el aprovechamiento de la cilindrada y la energía es mayor, además, el trabajo útil es mayor que el obtenido en el ciclo real, aumentando el rendimiento del motor.
Cotas de reglaje
A continuación se muestran unas cotas de reglaje orientativas según el tipo de motor, no obstante, estos datos suelen indicarse en el manual de taller del vehículo en cuestión. En la siguiente tabla se clasifican los motores según sean rápidos o lentos. Se conoce como motores rápidos a aquellos que necesitan trabajar a un número alto de revoluciones para conseguir la potencia requerida. Por otro lado, los motores lentos son aquellos que trabajan con un número de revoluciones bajo para conseguir la potencia requerida.
EJEMPLO
Imagina que conoces las cotas de reglaje de la distribución de un MED: AAA = 10°; AAE = 45°; RCE = 10°; RCA = 50°; AE = 15°. Ahora quieres saber cuáles son los grados reales de cada tiempo o fase de trabajo, así como los grados en los que existe cruce de válvulas. Para ello hay que realizar los cálculos necesarios y dibujar el diagrama circular, indicando las cotas de reglaje y los ciclos correspondientes.
El motor de combustión (diésel) desarrolla cuatro fases de trabajo en las cuales el émbolo efectúa cuatro desplazamientos o carreras alternativas. Está basado en el sistema mecánico biela-manivela, entre el pistón y el árbol motriz, transformando el movimiento lineal en rotativo. Cada ciclo de funcionamiento consta de dos vueltas del árbol motriz. Un sistema de distribución gobierna las válvulas que son las encargadas de la entrada y salida de los gases que evolucionan dentro del cilindro.
Características principales de un motor de cuatro tiempos de combustión
En esencia, las características principales de un motor de cuatro tiempos de explosión y de combustión son las mismas, salvo que el encendido en el motor de combustión se realiza por un sistema de incandescencia, manteniéndose este en funcionamiento hasta que el motor alcanza la temperatura adecuada. Por lo demás, la entrada de gases al cilindro y el sistema de refrigeración y engrase, se realiza de una manera similar al motor de cuatro tiempos de explosión.
Funcionamiento
A continuación, se describe de manera detallada el funcionamiento del proceso teórico del motor de combustión de cuatro tiempos:
1. Admisión: el aire puro entra en el cilindro por el movimiento de retroceso del pistón. El pistón efectúa su primera carrera o desplazamiento desde el PMS al PMI, aspirando solo aire de la atmósfera. A continuación, el aire pasa por el colector y la válvula de admisión, que permanece abierta con objeto de llenar todo el recinto del cilindro. Durante este tiempo, la muñequilla del cigüeñal gira 180°. Al llegar al PMI, la válvula de admisión se cierra instantáneamente.
2. Compresión: en su carrera ascendente el pistón comprime el aire a gran presión, durante este proceso las válvulas permanecerán completamente cerradas. La muñequilla del cigüeñal gira otros 180° y completa la primera vuelta del árbol motor.
La presión en el interior de la cámara de combustión mantiene la temperatura del aire por encima de los 600 °C, superior al punto de inflamación del combustible. La relación de compresión es del orden de 22:1. El volante de inercia aporta una cantidad de energía que se transforma en calor absorbido por el aire.
3. Expansión: se inyecta el gasoil, inflamándose inmediatamente a causa de la alta temperatura. Al final de la compresión con el pistón en el Punto Muerto Superior, se inyecta el combustible en el interior del cilindro, cantidad regulada por la bomba de inyección. Como la presión en el interior del cilindro es muy elevada, para que el combustible pueda entrar en la cámara de combustión la inyección tiene que realizarse a una presión muy superior (150-300 atmósferas).
4. Escape: el pistón empuja los gases de combustión hacia la válvula de escape. Durante esta fase la válvula de escape permanece abierta y el pistón expulsa a la atmósfera los gases remanentes que no han salido, efectuando así el barrido de gases quemados y lanzándolos al exterior. La muñequilla del cigüeñal efectúa otro giro de 180°, completando las dos vueltas del árbol motor que corresponde al ciclo completo de trabajo.
Diagrama teórico respecto al giro del cigüeñal
En este tipo de motores el cigüeñal gira dos vueltas (720°) para realizar los cuatro tiempos o fases: admisión, compresión, explosión y escape. Cada fase o tiempo tiene una duración de 180°.
SABÍAS QUE …
El tiempo de admisión y escape aumentan entre 60 y 100 grados su duración al añadirle sus adelantos y retrasos respectivamente.
A continuación se verá el ciclo teórico de Presión y Volumen que se produce en el motor alternativo (diésel).
Diagrama real respecto al giro del cigüeñal
En esencia, los ajustes que se le realizan al ciclo teórico para mejorar el rendimiento y el llenado de los cilindros son los mismos en los motores de cuatro tiempos alternativos diésel y los de explosión, con la salvedad de que el adelanto de encendido de los motores de explosión, en los motores diésel se denomina adelanto de inyección o combustión.
SABÍAS QUE …
En los motores de 4 cilindros es importante identificar el solape, ya que es al cilindro emparejado a este al que habrá que enviar la chispa para que se produzca la explosión.
A continuación se analizarán las modificaciones que se producen en los distintos trayectos entre el diagrama teórico y real.
Diseñado por el ingeniero alemán Felix Heinrich Wankel, este motor dispone de un émbolo rotativo que se encarga de realizar todos los tiempos, mientras que el motor convencional es de émbolo desplazable. Es de combustión interna y su funcionamiento resulta similar al de cuatro tiempos.
SABÍAS QUE …
Felix Heinrich Wankel fue el ingeniero alemán que inventó el motor rotativo wankel, un diseño de motor a explosión sin cilindros que constituye una significativa mejora sobre los diseños tradicionales, aunque apenas ha sido empleado en la industria automotriz.
Características principales del motor wankel
Este motor está formado por una carcasa de estructura similar a una elipse que constituye el cilindro, unas cámaras herméticas donde circula el líquido refrigerante y los cojinetes de apoyo para el eje motriz. A un lado de la carcasa se ubican las lumbreras de admisión y de escape por las cuales entran los gases frescos carburados y salen los gases quemados; en el otro lado está situada la bujía de encendido.
El rotor, que tiene forma de triángulo equilátero, gira excéntricamente dentro de la carcasa. Sus vértices, protegidos con unos patines en forma de segmentos elásticos, están en contacto con la carcasa de manera continua, manteniendo hermético cada uno de sus lados. La unión rotor-eje motriz se hace mediante engranajes interno-externo. Cada lado del rotor dispone de una cavidad en la cual se forma la cámara de combustión. Por lo tanto, existen tres cilindros independientes y cada uno realiza un ciclo completo para cada revolución del motor.
El motor wankel tiene una serie de características o ventajas que suponen una mejoría sobre el motor alternativo, no obstante también presenta una serie de inconvenientes.
Funcionamiento
Para la explicación del funcionamiento nos basaremos en las imágenes que a continuación se muestran, tomando como referencia el rotor que va desde el punto 1 al 2.
SABÍAS QUE …
El principal problema por lo que no se fabrican estos motores es por la refrigeración del motor.
Cilindrada y relación de compresión
El motor rotativo presenta unas particularidades constructivas muy distintas de las de los de dos y cuatro tiempos, por lo que es necesario analizar cómo calcular parámetros fundamentales como, por ejemplo, el volumen unitario o la relación de compresión.
Se deben tener en cuenta las siguientes fórmulas:
Donde:
SABÍAS QUE …
En el año 1991, Mazda consiguió ganar la carrera de las 24 Horas de Le Mans con el prototipo 787B, que montaba un motor con cuatro rotores y 2662 c.c. de cilindrada, siendo el vehículo con menos consumo de toda la carrera.
EJEMPLO
Imagina que dispones de un motor de explosión de 4T y 4 cilindros del cual conoces el diámetro del cilindro (65 mm) y el recorrido del PMS al PMI (145 mm). Quieres averiguar cuál es el volumen de mezcla aspirada por el cilindro. Para ello deberás calcular la cilindrada unitaria o volumen de mezcla teóricamente aspirada, aplicando la fórmula correspondiente:
TAREA 1
Fran es alumno en prácticas en un taller mecánico. En el transcurso de la mañana han llegado dos motocicletas, una de ellas monta un motor de dos tiempos y la otra un motor de cuatro tiempos. Dada la falta de experiencia del alumno, este no encuentra diferencias significativas entre estos motores.
Explica las diferencias entre estos dos motores, enumera los diferentes componentes de los motores de dos y cuatro tiempos y explica la función de cada uno de ellos.
TAREA 2
Un cliente llega al taller en el que trabajas con un problema en el motor de su vehículo. Cuando procedes a diagnosticarlo junto con uno de tus compañeros, te das cuenta de que el motor que monta el automóvil es rotativo; sin embargo, tu compañero nunca ha visto nunca este tipo de motor.
Según esto, explica el funcionamiento de los motores rotativos y enumera sus ventajas e inconvenientes.
HILO CONDUCTOR
Automotor siglo XXI ha experimentado durante los últimos años un incremento de la clientela con vehículos utilitarios de ciclo diésel como consecuencia de las mejoras que le han aplicado a sus características, igualándolos mucho respecto a los motores de gasolina. Por esta razón, los mecánicos del taller han de estar debidamente formados para conocer las características de cada uno de los motores.
Tras comprobar que el motor de gasolina al principio tenía muy poca eficiencia, el ingeniero alemán Rudolf Diesel se dedicó a estudiar las razones por las que ocurría esto, consagrándose como el inventor del carburante diésel y el motor de combustión del alto rendimiento que lleva su nombre, cuya eficiencia es bastante mayor.
La diferencia fundamental entre los motores de gasolina y los diésel es que la combustión de estos últimos se produce sin la presencia de una chispa que provoca la explosión de la mezcla, sino que esta se obtiene gracias a las condiciones de presión y temperatura a las que se somete el aire y el combustible.
Los motores diésel se pueden clasificar atendiendo a si están o no sobrealimentados, de esta forma que se podrán diferenciar los motores sobrealimentados y atmosféricos.
Motor atmosférico
|
© Fotografía: Best Auto Photo / Shutterstock.com Motor sobrealimentado
|
En la tabla que aparece a continuación se recogen las principales diferencias entre los motores de encendido provocado y encendido por combustión.
| Diferencias entre MEC y MEP | ||
| Características | MEP | MEC |
| Formación de la mezcla | Durante la admisión | Final de la compresión |
| Encendido de la mezcla | Provocado por chispa eléctrica | Autoinflamación del combustible |
| Regulación de la carga | Cuantitativa | Cualitativa |
| Combustible | Gasolina, GLP, GN, etanol, biogás | Gasoil, fueloil, biocombustibles |
| Fluido operante en el proceso de admisión | Aire + combustible | Aire |
| Relación de compresión | 8 a 11:1 | 12 a 23:1 |
| Velocidad media del pistón (m/s) | Turismos: 8 a 16 Deportivos: 15 a 23 |
Automoción: 9 a 13 Estacionarios: 6 a 11 |
| Régimen de giro máximo (rpm) | Automoción: 5.500 a 8.000 Competición: 12.000 |
Automoción: 4.000 a 5.000 Estacionarios: 500 a 1.500 Lentos de 2T: 70 a 200 |
TAREA 3
María tiene un vehículo clásico al que recientemente se le ha roto el árbol de levas. Tras consultar sobre la avería en foros de motor, uno de los usuarios le ha recomendado instalar un árbol de levas que presenta unas pequeñas diferencias con el original, pero se ahorrará bastante dinero en la reparación. Antes de hacer la compra, María decide consultar sobre este hecho a su mecánico de confianza, y este le explica que si instalara ese árbol de levas la entrada y salida de gases al cilindro no se realizaría de forma correcta.
Explica el ciclo termodinámico de los motores de dos y cuatro tiempos, y los diagramas teóricos y reales de dichos motores.
HILO CONDUCTOR
Para dar a conocer al público las capacidades del taller Automotor siglo XXI, su gerente ha decidido inscribirse en una carrera de resistencia. El ganador de dicha prueba será el vehículo que dé un mayor número de vueltas a un circuito con una determinada cantidad de combustible. En el taller mecánico están estudiando los rendimientos de distintos vehículos y sus consumos para elegir el más adecuado para esta prueba.
El rendimiento de un motor define el aprovechamiento mecánico y energético del mismo, y depende de muchos factores y parámetros de funcionamiento y diseño. Los fabricantes intentan aprovechar al máximo este rendimiento, sin embargo, en muchos de estos casos, necesitan invertir en materiales y elementos complejos que encarecen el coste del vehículo. Se trata de conseguir el equilibrio entre los recursos empleados y el coste del vehículo, para lograr que no se influya negativamente en las ventas.
SABÍAS QUE …
Si conduces de forma ecológica y eficiente podrás ahorrar hasta un 15 % en el consumo de combustible.
Rendimiento térmico del motor de 2T, MEP y MEC
A continuación se describirán las fórmulas que determinan el rendimiento térmico de los motores térmicos de dos tiempos, MEP y MEC.
Rendimiento térmico del motor de 2T
El rendimiento térmico del motor de 2T es el resultado de relacionar la energía que suministra y la obtenida del mismo. En este caso la relación de compresión es el parámetro por el que podemos obtener de manera sencilla el rendimiento del motor.
Su fórmula es la siguiente:
Rendimiento térmico del motor MEP
El rendimiento térmico del motor MEP se explica de igual manera con la siguiente fórmula:
Rendimiento térmico del motor MEC
En el caso de los motores MEC, en el cálculo del rendimiento influyen parámetros más complejos que en los casos anteriores como pueden ser la relación de compresión Rc, relación de combustión Rq, exponente calorimétrico γ o el exponente adiabático α.
Su fórmula es la siguiente:
Rendimiento mecánico según el tipo de motor
En la siguiente tabla se reflejan los distintos rendimientos mecánicos de los motores de cuatro y dos tiempos de encendido provocado y encendido por combustión.
| Rendimiento mecánico según el tipo de motor | |
| Tipo de motor | ηm |
| Cuatro tiempos | MEP 0,80 a 0,90 |
| MEC 0,75 a 0,85 | |
| Dos tiempos | MEP 0,85 a 0,95 |
| MEC 0,85 a 0,90 | |
RECUERDA
No existe una máquina térmica que tenga un rendimiento mecánico del 100 %.
ACTIVIDAD COMPLEMENTARIA
2. Busca en internet o en manuales de taller información sobre el rendimiento térmico de varios vehículos.
A continuación se recogen los datos del calor útil aprovechado de los motores de encendido provocado y encendido por combustión.
| Calor útil aprovechado MEC y MEP | ||
| MEP | MEC | |
| Calor aportado al ciclo en Kc | 100 % | 100 % |
| Pérdidas por ηt | 45 | 45 |
| Pérdidas por ηd | 10 | 10 |
| Pérdidas por combustible no quemado | 5 | - |
| Pérdidas por ηm | 75 % | 65 % |
| Calor útil aprovechado ηu | 25 % | 35 % |
SABÍAS QUE …
Las pérdidas mecánicas son consecuencia del rozamiento de los órganos en movimiento, así como del accionamiento de los dispositivos auxiliares (alternador, bomba de agua, etc.), que son arrastrados por el cigüeñal mediante la correa de accesorios.
El consumo de combustible es un factor que los usuarios suelen tener muy en cuenta a la hora de adquirir un vehículo. Para conocer en cifras este consumo, se suele emplear la relación l/100km, que indica los litros de combustible que consume el vehículo en un trayecto de 100 kilómetros.
Este método de cálculo es el más extendido, no obstante también se pueden usar los siguientes:
En la siguiente tabla se pueden apreciar los consumos específicos para cada tipo de motor y el rendimiento que es aprovechado en cada uno de los motores:
| Rendimientos útiles y consumos específicos | ||
| Tipo de motor | ηu % | g/CV.h |
| MEC | 35 | 180 |
| MEP | 25 | 253 |
NOTA
Los coches de Fórmula 1 en la actualidad usan como combustible gasolina. Esta lleva prácticamente los mismos componentes que la gasolina que se suministra a los coches de calle, la diferencia se encuentra en la proporción de los mismos. El consumo de un motor de Fórmula 1 viene a ser unos 240 litros de gasolina cada 300 km, cuyo peso aproximado asciende a 180 kg.
EJEMPLO
En un taller mecánico están preparando el motor de un vehículo para competición. En los cálculos que se han realizado para mejorar el rendimiento del motor han previsto aumentar el tiempo de la admisión en un 5 % por lo que han modificado el árbol de levas, en concreto la leva de admisión para que esta tenga más grados de adelanto y de retraso. Con esta modificación en el tiempo de admisión, han conseguido aumentar 20 CV la potencia del motor, aunque el consumo también ha aumentado un 7 % respecto a la configuración original.
HILO CONDUCTOR
Un cliente habitual de Automotor siglo XXI está pensando en adquirir un vehículo; sin embargo, duda entre varios modelos. Para poder asesorarle desde el taller, el cliente nos trae las curvas características de los modelos en los que está interesado en función del uso que le va a dar al vehículo, a fin de ofrecerle el que mejor se adapte para un consumo de combustible menor.
Las curvas características de un motor definen sus prestaciones en los distintos estados de funcionamiento, es decir, a diferentes cargas, número de revoluciones, etc. En este apartado se van a mostrar las curvas de par, potencia y consumo específico en función de la velocidad angular del cigüeñal.
Las curvas características relacionan varios parámetros entre sí a través de un gráfico para que el usuario de las mismas pueda comparar de una forma sencilla los parámetros de distintos vehículos, y poder seleccionar el que mejor se adapta a sus necesidades en cuanto a potencia, consumo, etc.
SABÍAS QUE …
Estas curvas son muy utilizadas por las revistas técnicas para comparar distintos vehículos de la misma motorización.
Características de los motores
Cualquier motor viene identificado por sus características constructivas y de funcionamiento (potencia útil, par motor y consumo específico), representativas de la energía que es capaz de desarrollar y del aprovechamiento útil de la misma en su aplicación a vehículos de tracción.
| Parámetro | Explosión o diésel |
| N | Número de cilindros |
| D | Calibre (mm) |
| L | Carrera (mm) |
| Vt | Cilindrada (cm3) |
| Rc | Relación de compresión |
| - | Orden de encendido |
| Wf | Potencia máxima |
| Cm | Par motor efectivo |
| n | Número de revoluciones |
| Gpe | Consumo específico |
| W. Fiscal | Potencia fiscal |
| Pe | Peso específico |
Las características de funcionamiento identifican al motor en cuanto al aprovechamiento del trabajo que realiza. Estas quedan perfectamente definidas mediante representaciones gráficas obtenidas como resultado de los ensayos efectuados sobre el motor en el banco de pruebas. En estos ensayos se determinan los valores de la potencia desarrollada por el motor para cada régimen de giro en función de sus tres variables de funcionamiento: grado de alimentación, número de revoluciones y par motor.
Trazado de las curvas características
Para el trazado práctico de las curvas se instala el motor en el banco de pruebas, se le aplica el freno motor y se anota el par motor obtenido para cada régimen de velocidad. A partir de esta información, y aplicando la siguiente fórmula, se puede dibujar la curva de potencias:
Sobre ella se determina el régimen y la potencia óptimos, trazando desde el punto de origen de coordenadas una tangente a la curva. Así, se alcanza el punto de máxima potencia efectiva, la cual debe corresponder al máximo par de tracción del motor.
La curva de consumo específico se obtiene midiendo el consumo de combustible para cada carga y número de revoluciones, llevando los valores obtenidos a la escala correspondiente sobre el gráfico de potencias; de esta forma, se puede determinar sobre la misma el punto de mínimo consumo que, trasladado sobre las curvas de potencia y par, determina a su vez el régimen de funcionamiento al que puede trabajar el motor con el mínimo consumo.
La relación que existe entre los valores de par máximo y de máxima potencia a los regímenes de giro obtenidos determina el coeficiente elástico E del motor, conocido como la zona de máximo aprovechamiento del motor.
El coeficiente elástico E debe quedar comprendido entre los límites máximo y mínimo (4,5 a 1,5). En función del tipo de motor empleado, los valores medios obtenidos son E = 2,4 para los motores Otto de cuatro tiempos y E = 1,8 para los motores diésel de cuatro.
Donde:
El par motor puede definirse como el momento de fuerza que ejerce un motor sobre un eje de transmisión de potencia:
Donde:
La potencia es uno de los factores más característicos en los que se fijan los clientes a la hora de adquirir un vehículo. Esta característica permite hacerse una idea de cómo va a responder el vehículo en unas determinadas condiciones, como puede ser la subida de una pendiente pronunciada, un adelantamiento, o el que utilicemos el vehículo para arrastrar una rulot o remolque.
Para el cálculo de la potencia utilizaremos la siguiente formulación:
Donde:
Donde:
En el sistema internacional (S. I.) la potencia se mide en kilovatios, donde:
Donde:
ACTIVIDAD COMPLEMENTARIA
3. Busca en internet, manuales de taller y revistas técnicas, las potencias de distintas motorizaciones.
Los ensayos para la prueba de los motores y el trazado de sus curvas características cumplen diferentes propósitos en función de la entidad que las realice:
Asimismo, los ensayos a realizar en los motores para la determinación de sus características pueden ser de dos tipos:
Normalización de los ensayos
La normalización de los ensayos es fundamental para que todos los fabricantes midan de la misma forma los diferentes parámetros de funcionamiento en los motores. Los ensayos de potencia que se realizan son los siguientes:
NOTA
En estas condiciones, el valor útil del par motor y de la potencia al freno solo se ven afectados en su rendimiento mecánico por las pérdidas debidas a rozamientos internos.
Bancos de prueba
Los denominados bancos de prueba son equipos destinados al ensayo de motores y vehículos y sirven para determinar las características de los vehículos, así como para la verificación y puesta a punto del motor. Los ensayos se realizan en las mismas condiciones de trabajo a las que han de estar sometidos durante la prestación de servicio al usuario.
Estos bancos de prueba o dinamómetros están formados por un conjunto mecánico o eléctrico que lleva acoplado un freno motor, un variador de carga para llevar al motor a los regímenes de funcionamiento a los que se realizan los ensayos, un cuadro de control y los aparatos de medida necesarios para evaluar las pruebas. En este sentido, los tipos de frenos para el ensayo de los motores pueden ser:
Medida de consumos
La curva de consumo específico es una de las características identificativas del motor. Esta curva determina el régimen económico dentro del cual se obtiene el funcionamiento óptimo del motor.
El consumo horario expresado en litros/hora permite realizar cálculos de orden económico en un vehículo, así como conocer la autonomía del mismo en base a la capacidad del depósito. El consumo específico expresado en g/CV-h permite el estudio comparativo entre los diferentes motores que consumen combustible de un mismo nivel energético, lo cual permite determinar el rendimiento útil del motor en función del consumo de combustible.
Fluviómetros
Para la medida de consumos los bancos de pruebas suelen llevar acoplado en su cuadro de control un medidor de consumo, que consiste en una probeta graduada o fluviómetro que se alimenta de un recipiente situado en el banco, intercalado en el circuito de alimentación del motor, y un reloj para cronometrar el tiempo que tarda en consumirse el líquido de la probeta.
Los fluviómetros empleados para la medida de consumos en vehículos de tracción consisten en una probeta tarada de capacidad conocida que incorpora en sus cuellos de estrechamiento dos marcas de referencia indicativas del nivel de llenado y vaciado de la misma. Esta disposición permite realizar las lecturas con sencillez y precisión.
Una vez conocidos el volumen de combustible y el tiempo que tarda en consumirse, se puede establecer el consumo horario:
Volumen de combustible
Tiempo que tarda el consumirse el combustible
El consumo específico supone la cantidad de combustible consumido por el motor en gramos para suministrar una determinada potencia en la unidad de tiempo (gr/CV.h) o, lo que es lo mismo, representa la cantidad de combustible necesario para que el motor pueda efectuar un trabajo útil, venciendo los rozamientos y todas las pérdidas. Por lo tanto, cuanto más bajo es el consumo específico, mejor es el rendimiento de este.
La relación de compresión influye en el consumo específico. Esto es, al aumentar la relación de compresión, se incrementa el rendimiento térmico, disminuyendo el consumo específico. Este consumo puede calcularse en función de la densidad del combustible empleado.
Expresión del consumo específico
Donde:
NOTA
El consumo de combustible de un automóvil aumenta con la velocidad del mismo debido a la resistencia aerodinámica que tiene que vencer.
TAREA 4
Manuela necesita adquirir un vehículo y ha comprado una revista especializada para comparar diferentes modelos. En esta revista se muestran las curvas de par y potencia, así como otra serie de características técnicas que Manuela no sabe interpretar.
En base a esto, explícale a Manuela y relaciona entre sí los conceptos que aparecen a continuación: calibre, carrera, cilindrada, relación de compresión, potencia y par motor y potencia fiscal.
Del motor térmico se obtiene energía mecánica a partir de la energía térmica almacenada en un fluido (gasolina, GLP, etc.) mediante un proceso llamado de combustión.
En función del lugar donde se realice la combustión, los motores térmicos pueden clasificarse en motores térmicos de combustión externa, de combustión interna y de combustión interna alternativos. De esta clasificación nos obtendremos los motores más utilizados: motores de 2 tiempos, MEC y MEP.
La termodinámica se define como el estudio de la energía, sus formas y transformaciones, así como de sus interacciones con la materia. Aplicando los principios de la misma, se puede saber si es posible mejorar la eficiencia de los procesos y, con ello, disminuir el consumo de energía.
El estudio de los procesos termodinámicos desarrollados en los motores ha sido fundamental para la mejora de sus prestaciones. Actualmente sirve para llevar a cabo una aproximación al funcionamiento real y al cálculo de los parámetros de funcionamiento óptimo que permiten mejorar los procesos termodinámicos.
Para mejorar el ciclo real de manera que el diagrama obtenido se acerque al teórico, se debe actuar sobre las cotas de distribución. Así, se consigue adelantar y retrasar la apertura y cierre de las válvulas para optimizar el llenado y la evacuación de los gases quemados, además de adelantar el encendido para solucionar el retraso en la combustión.
Tal y como se ha apuntado anteriormente, los reglajes están muy relacionados con el llenado del cilindro, aunque también lo están con el salto de chispa o de inyección dependiendo de si el motor es MEC o MEP. Para ello se aplican unos adelantos y retrasos de los tiempos de admisión y escape. Estos son:
Además de los motores citados anteriormente, existe en el mercado otro motor denominado wankel. En la actualidad no tiene mucho uso en la industria automovilística por el inconveniente fundamental de la refrigeración, pero es un motor que reporta una serie de ventajas muy interesantes:
Las curvas características de un motor definen sus prestaciones en los distintos estados de funcionamiento, es decir, a diferentes cargas, número de revoluciones, etc. Para obtener las curvas de los motores, se realizan una serie de pruebas normalizadas que permiten comparar los datos entre los distintos fabricantes de manera fiable.
1. Los motores de combustión interna se pueden clasificar, según el modo de realizar el ciclo, en…
a. … motores atmosféricos y sobrealimentados.
b. … motores de encendido provocado y motor de encendido por combustión.
c. … motores de cuatro y dos tiempos.
d. … motores de chispa perdida y de chispa doble.
2. Señale la afirmación correcta.
a. El primer principio de la termodinámica nos dice que la energía ni se crea ni se destruye, se transforma. El segundo principio nos indica cuáles son las limitaciones de dichas transformaciones.
b. El primer principio de la termodinámica nos dice que la energía se crea y se destruye. El segundo principio nos indica cuáles son las limitaciones de dichos procesos.
c. El segundo principio de la termodinámica nos dice que la energía ni se crea ni se destruye, se transforma. El primer principio nos indica cuáles son las limitaciones de dichas transformaciones.
d. El primer principio de la termodinámica nos dice que la energía aumenta y disminuye. El segundo principio nos indica cuáles son las diferencias de dichas transformaciones.
3. Atendiendo al Ciclo de Carnot, rellene la siguiente tabla, siguiendo el ejemplo.
4. De las siguientes afirmaciones, señale cuál es falsa.
a. Ningún dispositivo que funcione de manera cíclica puede hacerlo con un rendimiento mayor del 25 %.
b. Los procesos teóricos sirven para comprender los procesos reales que son mucho más complejos en su análisis.
c. Una máquina térmica es un dispositivo en el que existe un fluido de trabajo que, realizando un ciclo, produce trabajo a partir de calor.
d. El diagrama P-V en el motor se determina mediante unos a aparatos llamados indicadores.
5. En la siguiente tabla, vincule el parámetro con su denominación.
6. Señale si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas.
a. La característica principal del motor de 2T es que no dispone de válvulas.
b. En un motor de 2T, la distribución es directa o forzada por aire mediante unas aletas que rodean todo el cilindro y culata.
c. Los elementos del tren alternativo del motor de 2T se lubrican añadiendo aproximadamente una porción del 5 de aceite en el combustible.
d. Los motores de 2T tienen menor potencia y menor rendimiento térmico para una misma cilindrada que los de 3T.
e. El rendimiento térmico de un motor de 2T depende de la relación de compresión.
f. El rotor del motor wankel gira excéntricamente dentro de la carcasa y tiene forma de triángulo isósceles.
g. El rotor y la carcasa del motor wankel hacen hermética la cámara de combustión mediante unos patines en forma de segmentos elásticos.
h. El motor wankel dispone de sistema de distribución.
7. El motor de explosión alternativo de cuatro tiempos…
a. … desarrolla dos fases de trabajo en las que el émbolo efectúa cuatro desplazamientos o carreras alternativas.
b. … desarrolla cuatro fases de trabajo en las que el émbolo efectúa cuatro desplazamientos o carreras alternativas.
c. … desarrolla cuatro fases de trabajo en las que el cigüeñal efectúa cuatro desplazamientos o carreras alternativas.
d. … desarrolla cuatro fases de trabajo en las que el émbolo efectúa cuatro desplazamientos o carreras lineales.
8. El siguiente texto describe la fase de compresión de un motor de 4T, pero está incompleto. Rellénelo con las palabras que faltan.
Fase de compresión: el émbolo se desplaza desde el ___ al ___. El árbol motriz gira ___. La válvula de ___ y la de ___ permanecen ___, haciendo hermético el cilindro, la ___ se comprime hasta llegar al espacio que comprende la cámara de ___ y el ___. La relación de ____ (Rc) viene determinada por la relación entre el volumen total (Vu) y el ___ de la cámara de combustión (Vc).
9. Se llama cruce de válvulas…
a. … al instante en el que están abiertas las válvulas de admisión y compresión.
b. … al tiempo en el que están abiertas las lumbreras de admisión y escape.
c. … al instante en el que están abiertas las válvulas de explosión y escape.
d. … al instante en el que están abiertas las válvulas de admisión y escape.
10. Nombre los parámetros que intervienen en la fórmula para el cálculo del rendimiento térmico del motor MEC.
