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CAPITULO 1

1.1 HISTORIA Y EVOLUCION DE LOS MOTORES DE COMBUST IÓN

INTERNA Los motores de combustión interna nacen por el año 1876 cuando Otto desarrolla el motor de encendido por chispa y luego Diesel en 1892 inventó el motor de encendido por compresión. De esa época para acá los motores se han desarrollado a medida que nuestros conocimientos sobre los procesos han mejorado, la tecnología a evolucionado por la demanda de nuevos tipos de motores y por que las restricciones ambientales han cambiado. Los motores de combustión interna y las industrias que desarrollan y fabrican los motores juegan un papel preponderante en le campo de la propulsión y energía. En los últimos treinta años ha habido un explosivo crecimiento en la investigación y desarrollo de motores ya que los temas de contaminación, costo de los combustibles, competitividad del mercado han sido muy importantes. El estudio de los motores de combustión interna se ha organizado bajo diferentes criterios, en este curso tomaremos como punto de vista fundamental “como se lleva a cabo el encendido de la mezcla aire – combustible dentro de un cilindro”. Sea que el modo de encendido sea por chispa o por compresión se encuentran características importantes a discutir que son: características de los combustibles, métodos de preparación de la mezcla diseño de cámaras de combustión detalles del proceso de combustión, método de control de la carga, mecanismo de emisión de gases, parámetros y factores de funcionamiento. El propósito del motor de combustión interna es el de producir potencia mecánica de la energía química que tiene el combustible. Esta energía es descargada quemando u oxidando el combustible dentro del cilindro. Los fluidos de trabajo que intervienen en este proceso son la mezcla de aire- combustible que se introducen en el cilindro antes de la combustión y los productos de la combustión que se descargan a la atmósfera. La transferencia de trabajo que da lugar a la potencia requerida ocurre directamente entre estos dos fluidos y las partes mecánicas del motor. Los motores de combustión interna que se estudiarán son los alternativos de encendido por chispa (llamado motor Otto o gasolina), los de encendido por compresión o Diesel *. Debido a su simplicidad, durabilidad y alta razón de potencia /peso, estos dos motores han encontrado gran aplicación en el áreas de la transportación (tierra, aire, mar) y generación de energía y potencia. El primer motor comercial (1860) de J.J.E Lenoir (1822-1900) usaba una mezcla de gas de carbón y aire a presión atmosférica ( no había compresión para la combustión). El gas y aire se introducían al cilindro durante la primera mitad de la carrera del embolo (émbolo), la carga se encendía con una chispa, la presión aumentaba y los gases quemados descargaban la potencia al embolo en la segunda mitad de la carrera. El ciclo termina con

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una carrera de descarga. Se construyeron 5.000 motores entre 1860 y 1865, en tamaños de hasta 6 HP, la eficiencia alcanzó alrededor del 5%.

* La turbina de gas es por definición una máquina de combustión interna. Los principios de operación son fundamentalmente diferentes.

Un desarrollo más exitoso sobre el motor atmosférico introdujo Nicolás Otto (1822 – 1891) y Eugenio Larengen (1833 – 1895). El incremento de presión que resulta de la combustión de la carga de aire - combustible fue usada al inicio de la carrera de descenso para acelerar al embolo tal que su cantidad de movimiento creara un vacío en el cilindro. La presión atmosférica se encargaba de empujar el émbolo hacia dentro. La eficiencia de estos motores alcanzó el 11%. La admisión, encendido y descarga se controlaba por medio de una válvula deslizante. Más tarde Otto propuso una máquina con un ciclo de cuatro carreras del émbolo; carrera de admisión, comprensión, expansión o potencia y descarga. Esta propuesta buscaba mejorar la eficiencia térmica y el peso excesivo del motor. Este prototipo entra en funcionamiento en 1876. En la tabla 1.1 se hace una comparación del motor Otto con el motor atmosférico. Por los años 1880 algunos ingenieros desarrollaron el motor de dos tiempos (Dugal Clerk y James Robson en Inglaterra, Karl Benz en Alemania), en este motor el proceso de descarga y admisión ocurre durante el término de la carrera de potencia y comienzos de la carrera de compresión. En 1892 Rudolf Diesel (1858 – 1913) patenta una nueva forma de motor de combustión interna. Su concepto de iniciar la combustión inyectando combustible líquido en aire a alta presión y temperatura permite doblar la eficiencia del motor. Con la ayuda de recursos de M.A.N. le toma siete años desarrollar un motor practico, 1897. Aquí se presentan algunos hechos importantes que son parte de la historia de los motores: 1839 Edmon Berger Invento la 1920 Gasolina de 40 a 60 Octano 1927 Robert Bosh Sistema de inyección para motor Diesel 1950 (s) Se incrementan la razón de compresión, combustible mayor octanaje 1957 Un desarrollo importante de actualidad sobre motores se trata del motor de combustión interna rotativo, el motor Wankel. 1966 Sistema de inyección para carros 1970 (s) Combustible sin plomo 1990 Se prohibe el uso de plomo en la gasolina (Acta de Aire Limpio Los combustibles han tenido un tremendo impacto en el desarrollo de los motores. En los inicios se usó gas. La gasolina estuvo disponible por el año 1880 y se diseñaron varios tipos de carburadores para vaporizar el combustible y mezclar con aire. Las razones de compresión eran menos de 4 para evitar el golpeteo.

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Durante la primera guerra mundial se vio avances en el uso de los combustibles y como éstos afectan la combustión en especial el problema del golpeteo. Cuando se conoció el efecto anti - golpe del tetratil de plomo se uso como aditivo en la gasolina. En las últimas tres décadas, se han puesto a la luz nuevos factores que son muy importantes y han influenciado significativamente en el diseño y operación del motor. Estos factores son; la necesidad de controlar la contaminación del aire debido a la descarga de gases de los motores automotrices, la necesidad de mejorar el consumo de combustible en el transporte automotriz. El problema de la contaminación ambiental se volvió aparente en 1940 en la ciudad de los Angeles, en 1952 se demostró que el problema de la contaminación del aire (“smog”) se debe a la reacción entre los óxidos de nitrógeno y compuestos de hidrocarbono en presencia de la luz solar. De hecho que la mayor contribución a la atmósfera de hidrocarbono y óxidos de nitrógeno proviene del transporte automotriz. Los motores también son una fuente importante de ruido. Hay varias fuentes de ruido en un motor. El sistema de descarga, el sistema de admisión, el ventilador usado para enfriamiento y la superficie del bloque del motor. El ruido puede ser generado por efecto aerodinámico, puede ser debido a fuerzas que resultan del proceso de combustión, o puede ser por excitación mecánica de los componentes del motor (rotativos o reciprocantes). Se puede apreciar en la actualidad que después de 140 años de desarrollo, el motor de combustión a llegado a un alto nivel pero queda aun mucho por hacer. Se continúa la búsqueda de mejorar la eficiencia, potencia y grado de control de emisión. La posibilidad de reducir, el peso del motor con el descubrimiento de nuevos materiales, el costo, las pérdidas de calor. Nuevas alternativas de motores de combustión interna tales como las de carga estratificada (combina las características normalmente asociadas con la del motor de chispa y diesel), que tiene un gran tolerancia de combustible, puede a corto plazo llegar a ser muy atractivo para la producción masiva. Tabla 1.1 Comparación del Ciclo Otto de Cuatro Tiempos y el Otto - Langen Otto – Langen Otto 4-T Potencia al freno 2 2 Peso lb. Aprox.. 4000 1250 Desplazamiento, in3 4900 310 Carrera de Potencia/in 28 80 Velocidad del eje rev/in 90 160 Eficiencia Mecánica ,% 68 84 Eficiencia Total, % 11 14 Razón de Expansión 10 25

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1.2 CLASIFICACION DE LOS MOTORES Hay muchos tipos de motores de combustión interna. Estos pueden ser clasificados por: 1. Aplicación.

Automotriz (automóviles y camiones)

Férrea (locomotoras),

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Aérea (aviones livianos, turbo hélice),

Marinos (botes, buques),

Generación de potencia (Plantas eléctricas).

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2. Diseño General.

Numero y posición de los cilindros: línea, en V, radial, cilindros opuestos, émbolos opuestos)

3. Ciclo Mecánico. Cuatro Carreras:

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Aspiración Natural (admite aire atmosférico) Sobrealimentado (admite mezcla pre- comprimida) Turbo cargado (admite mezcla pre- comprimida por un compresor accionado por una turbina de descarga) Dos Carreras:

4. Tipo de Combustible

Gasolina, Gas Natural, Diesel, Alcohol (metanol, etanol), Hidrogeno, Búnker.

5. Método de Encendido

Por chispa (en motores convencionales donde la mezcla es uniforme o en motores estratificados donde la mezcla no es uniforme)

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Por compresión (en motores diesel convencionales, como también encendido en motores a gas por encendido piloto del combustible)

6. Método de Enfriamiento

Por agua Por aire

No enfriada (convección natural y radiación) 7. Velocidad

Alta >1000 r.p.m. Media 300 1000 r.p.m. Baja <300 r.p.m.

La clasificación por el método de encendido se ha seleccionado como él más importante, encendido por chispa (ECH), encendido por compresión (EC); luego sigue la clasificación por el tipo de ciclo mecánico, cuatro tiempos (4-T), dos tiempos (2-T). 1.3 PARTES DEL MOTOR El conocimiento y comprensión de la operación y función de todas y cada una de las partes del motor es de mucha importancia para comprender completamente todo el motor. Cada componente o unidad cumple una función y en conjunto con el resto de componentes hacen el motor diesel o gasolina. El ingeniero encargado de la operación, mantenimiento y reparación de los motores diesel o gasolina debe estar en la capacidad de reconocer las diferentes partes a la vista y saber cuales son sus funciones principales. El conocimiento de las partes del motor se adquiere gradualmente. Los motores varían en su apariencia exterior, por su tamaño, número y arreglo de los cilindros y detalles de construcción. Sin embargo todos tiene las mismas partes principales, que aunque se puedan ver diferentes, todas cumplen la misma función. Cada motor tiene una pocas partes principales que realizan el trabajo, las partes auxiliares son necesarias para acoplar las partes unas a otras o para ayudar a las partes principales a cumplir su trabajo. La principales partes del motor son: el cilindro, la culata (cabezote) que generalmente aloja las válvulas de admisión y descarga, el embolo, la biela, el cigüeñal, la bomba de combustible e inyector de combustible (carburador en el motor a gasolina). El cilindro . Es el corazón del motor, aquí es donde se quema el combustible y se desarrolla la potencia, el interior del cilindro esta formado por la camisa. El diámetro interior del cilindro es llamado “diámetro (bore). La culata. Cierra la parte superior del cilindro y a menudo aloja las válvulas a través de las cuales se admite el aire y combustible y se descargan los gases de combustión. El embolo. El otro extremo del volumen de trabajo del cilindro esta cerrado por el embolo que transmite al cigüeñal la potencia desarrollada por la combustión del combustible. Los anillos del embolo que se lubrican con aceite producen el sello del gas hermético entre el

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cilindro y embolo. La distancia de viaje del embolo de un extremo al otro del cilindro se llama “carrera” (stroke). La biela. El un extremo de la biela llamado el “extremo pequeño” se conecta al pasador de embolo; el otro extremo llamado el “extremo grande” tiene un cojinete para el muñón del cigüeñal. La biela cambia y transmite el movimiento alternativo del embolo a un movimiento continuo de rotación de la manivela durante todas las carreras. El cigüeñal. El cigüeñal gira bajo la acción del embolo a través de la biela y el muñón del cigüeñal localizado entre las brazos de manivelas y transmite el trabajo del pistón al eje de accionamiento. La partes del cigüeñal que se apoyan y giran en los cojinetes principales o cojinetes de bancada se llama muñones de bancada. El volante. Está acoplado al cigüeñal, sirve para almacenar energía cinética durante la carrera de potencia y entrega la energía durante las otras carreras. El volante sirve para arrancar el motor y también sirve para que la rotación del cigüeñal sea más o menos uniforme. El eje de levas. Es accionado por el cigüeñal por un medio de una banda o tren de engranajes y sirve para poner en funcionamiento las válvulas de admisión y descarga por medio de la: leva, seguidor, barra de empuje y balancines. El resorte de la válvula sirve para serrar la válvula. El bloque de cilindros. Sirve para mantener juntos al cilindro, embolo y cigüeñal, para proteger a las partes móviles y sus cojinetes. En la parte inferior se encuentra el cárter que sirve de recipiente para el aceite lubricante.

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Figure 2-8.—Cross section of an Alto 251C 16-cylinder, 4-stroke cycle, single-acting engine.

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Figure 2-9.—End cross section of a General Motors series 149 2-stroke cycle, single-acting diesel engine 1.4 MATERIALES El mayor numero de las partes del motor diesel son de hierro fundido. Sin embargo, para obtener un motor más liviano, algunas partes, tales como los émbolos, culatas, pueden ser de aleaciones de aluminio. El bloque, cárter, y bases a menudo son fabricados de planchas y formas de acero soldado. Las partes móviles que están sujetas a grandes esfuerzos o desgaste tales como el cigüeñal y bielas son fabricados de acero. Sin embargo las bielas de motores de alta velocidad son fabricadas con aleaciones de aluminio forjado para disminuir el peso y las fuerzas de inercia de las partes reciprocas. El cigüeñal era fabricado de acero forjado. Últimamente se usan cigüeñales fundidos en aleaciones especiales de hierro para todos los tamaños y velocidades. Una razón es por que se torna más facial dar la forma complicada que exige el diseño teórico para el caso de un eje fundido que para el eje forjado. Otra razón es el bajo costo de fabricación particularmente para ejes pequeños y de fabricación en grandes cantidades. El casco del cojinete es fabricado de hierro fundido, bronce, o acero para mayor rigidez; y rellenado con aleaciones de material antifricción como ser la magnolia, cobre – plomo, que permite reducir la fricción entre el cojinete y el eje rotativo.

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Temperaturas a las cuales se funden los siguientes metales: Hierro Fundido 1149 0C 2100 0F Acero 1482 2700 Aluminio 649 1200 Plomo 327 620 DIFERENCIAS FUNDAMENTALES ENTRE EL MOTOR ECH Y EC. Los motores de ECH y EC tienen mucho en común, sin embargo hay ciertas diferencias fundamentales que hace que su operación varíe considerablemente. Ciclo Básico.- El motor ECH se basa en general en el ciclo Otto, mientras que el motor EC generalmente se basa en el ciclo Diesel. El estudio de estas variaciones se verá más adelante el análisis de los ciclos. Introducción del Combustible.- En la mayoría de los motores ECH el aire y combustible se introduce en la cámara de combustión como una mezcla gaseosa. Para ello se usa un carburador que permite efectuar la mezcla, y la válvula de estrangulación (aceleración) controla la cantidad de mezcla introducida. En el motor de EC, el combustible es introducido directamente a la cámara de combustión por medio de la tobera de inyección, y el aire es introducido a trabes del múltiple de admisión. La mezcla tiene lugar en la cámara de combustión. Encendido.- El motor ECH necesita de un dispositivo para el encendido que es la bujía, que forma parte del sistema de encendido. En el motor EC utiliza la alta temperatura y presión, producida por la compresión del aire en el cilindro, para iniciar el encendido del combustible inyectado. Rango de Razón de Compresión.- Los rangos de compresión actualmente están dentro de los 5 a 10 para los motores ECH, y de 12 a 24 en los de EC. Peso.- Como el motor EC opera a presiones altas comparadas con el motor ECH, es construido para ser mas resistente y generalmente ablando es más pesado. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS MOTORES DIESEL vrs. GASOLINA VENTAJAS 1. Bajo consumo especifico de combustible debido ala alta razón de compresión; poco combustible usado a velocidad de vacío. 2. Igual cantidad de potencia por cilindro por que se entrega igual cantidad de combustible por cilindro. Poca variación de presión en el cilindro. 3. Alto torque a baja velocidad. 4. Baja temperatura de descarga de gases debido a la mayor expansión de gases de combustión. Diesel (aprox 550 0C) Gasolina (aprox 900 0C) 5. Bajo contenido de CO en los gases de descarga (3 % Gasolina); (0.2% Diésel) 6. Reduce el riesgo de incendio (diesel), es menos inflamable que la gasolina.

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DESVENTAJAS 1. Necesita exceso de aire para asegurar la combustión sin humo, por la tanto baja Presión media

efectiva al freno por unidad de volumen barrido. 2. Para una potencia dada el diesel necesita cilindros grandes. 3. Presión en cilindro más alta y alta fluctuación de torque. 4. Requiere de partes más robustas y fuertes, lo cual reduce el factor potencia /peso. 5. Alto nivel de ruido.

PREGUNTAS Cap.1 1. Cual es la principal diferencia entre una máquina de combustión interna y una maquina de vapor o una

turbina. 2. Enumere las características de un motor diesel y su desventaja con el motor ECH. 3. ¿Cuál es el propósito del motor de CI? 4. Cual es la característica principal de un motor diesel que le distingue de otros motores de combustión

interna? 5. ¿Cuál es el fluido de trabajo en el motor diesel? 6. ¿Por que un motor diesel es llamado motor de encendido por compresión? 7. Como hace que el torque producido por el motor diesel cambie con la velocidad del motor? 8. Como se compara la eficiencia térmica del motor diesel con la eficiencia térmica de otros motores de

combustión interna? 9. Cuales son las desventajas del motor diesel comparado con el motor a gasolina? 10. Cuales son las bases de clasificación de los motores diesel? 11. ¿Cómo se clasifican los motores de acuerdo al ciclo de trabajo? 12. ¿Cómo se clasifican los motores de acuerdo al método de preparación de la mezcla? 13. ¿Que es un motor diesel de aspiración natural? 14. ¿Que es un motor sobre alimentado? 15. ¿Enumere las diferentes clasificaciones de los motores diesel con respecto a su diseño general? 16. Cuáles son los métodos principales de introducir combustible la cámara de combustión en un motor

diésel? 17. ¿Cuál es la ventaja de conocer el propósito y operación de cada parte del motor? 18. ¿Qué fuerzas se opone a la rotación del cigüeñal? 19. ¿Defina la eficiencia térmica al freno en función de otras eficiencias? 20. ¿Enumere las partes que realizan trabajo en un motor diesel? 21. Que significa el termino “diámetro”.? 22. Que significa el termino carrera del embolo o carrera del motor? 23. Enumere e ilustre con gráficos los arreglos más comunes de cilindros de motores diesel? 24. ¿Cómo se designa los motores de combustión? 25. Que es el desplazamiento de un motor. Ejercicios 1. Nombrar las partes del motor de la figura

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