1. MOTORES TÉRMICOS
Un motor térmico es una máquina que, trabajando cíclicamente,
transforma calor en trabajo útil.
1- CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES TÉRMICOS
En función del lugar donde se obtenga el calor necesario para el
funcionamiento (foco caliente), los motores térmicos se clasifican en
motores de combustión interna y de combustión externa.
En el motor de combustión externa la combustión se realiza en el
exterior de la propia máquina. Este es el caso de las centrales
térmicas, donde el calor obtenido en la caldera pasa al fluido a través
de las tuberías por la que éste circula.
En el motor de combustión interna, los motores térmicos también se
clasifican en función del tipo de movimiento suministrado como
energía mecánica en su salida. Este movimiento puede ser
alternativo, es decir, movimiento lineal de vaivén, como es el caso del
émbolo del pistón de un motor de automóvil, o puede ser un
movimiento rotativo, como es el caso de una turbina de una central
térmica.
Ejemplos
MOTORES TÉRMICOS Combustión interna Combustión Externa
Alternativos Motor de gasolina Máquina de vapor
Motor diesel
Rotativos Turborreactor Central térmica
2.- MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
El motor de gasolina también se denomina motor de encendido por
chispa o motor de explosión debido a que, para realizar la combustión
de la gasolina, se preavisa de una chispa eléctrica que provoca la
combustión instantánea o explosión de la gasolina contenida en el
cilindro motor.
El motor diesel, por el contrario, no precisa de chispa eléctrica para
provocar la combustión de gasoil, sino que éste arderá conforme
entra en el interior del cilindro debido a la elevada presión y
temperatura que existe en el instante en que se introduce el
combustible; por esto, el motor diesel también se denomina motor de
encendido por compresión.
2. 3. – COMPONENTES DE UN MOTOR DE 4 TIEMPOS
Básicamente lo que se consigue en un motor alternativo es
provocar un desplazamiento del émbolo de un pistón como
consecuencia de la elevada presión que se alcanza en el fluido al
realizarse la combustión de la gasolina o del diesel.
Los elementos constituyentes del motor que permiten su
funcionamiento son:
• Bloque motor.- es la pieza principal del motor, donde se han
realizando una serie de cavidades para alojar los cilindros y
permitir la circulación del líquido refrigerante y del aceite de
engrase; además permite la fijación de los restantes elementos
del motor. Está fabricado de fundición gris aleado con níquel y
cromo para conseguir un material no poroso y resistente al
calor y al desgaste.
• Cárter: Es la cavidad inferior del bloque motor, donde se
almacena el aceite lubricante y donde se aloja el cigüeñal.
• Culata: la parte superior del bloque motor se tapa con una
pieza denominada culata, que se fija mediante rodillos al
bloque, formándose así un conjunto similar al de una olla a
presión.
• Válvulas: son los elementos que permiten la apertura y cierre
del cilindro para que pueda entrar el fluido termodinámico
(válvula de admisión) y salir los gases una vez realizada la
combustión (válvula de escape).
• Levas: son unos discos con unos salientes que giran de forma
coordinada al cigüeñal y que actúan sobre las válvulas para que
abran y cierren en el momento adecuado. Las levas van
montadas en un eje denominado árbol de levas.
• Bujía: es el elemento que emite la chispa eléctrica en el
instante preciso para que se produzca la combustión de mezcla
de aire-gasolina en el momento oportuno en los motores de
explosión.
• Inyector: es el dispositivo que permite introducir en el interior
del cilindro el gasoil en los motores diesel.
• Cilindro: es el hueco del bloque motor donde se aloja el fluido
que realiza el ciclo termodinámico y el lugar donde se producirá
la combustión. Por la parte superior está cerrado con la culata y
por la parte inferior se encuentra el pistón. El continuo
movimiento del pistón hace que el volumen del cilindro sea
variable; la cámara ocupada por los gases cuando el volumen
del cilindro es el mínimo se denomina cámara de combustión
por ser el lugar donde se realiza la quema de los gases.
• Pistón: es la parte móvil del motor que recibe la fuerza
generada en la combustión y realiza el movimiento lineal
3. alternativo, subiendo y bajando continuamente en el interior del
cilindro. En su desplazamiento, el pistón hace que el volumen
del cilindro varíe desde su valor máximo (V1) cuando el
pistón se encuentra en el punto inferior de su recorrido
(PUNTO MUERTO INFERIOR PMI) hasta el valor mínimo (V2
cámara de combustión), cuando el pistón se encuentra en el
punto superior de su recorrido (punto muerto superior PMS). La
distancia recorrida por el pistón en su movimiento del PMI
hasta el PMS se denomina carrera y el diámetro del mismo
calibre. El volumen barrido por el pistón en su
desplazamiento en el interior del cilindro se denomina
cilindrada.
Cilindrada =
∏ (diámetro)2. carrrea
4
El volumen total será la cilindrada multiplicada por
el número de ciclos realizados en el cilindro y
multiplicado además por el número de cilindros que
nos digan que hay en el bloque motor.
También se puede expresar la cilindrada en función de los
volúmenes máximo y mínimo del cilindro: V1 – V2
Además suele darse la relación entre los volúmenes V1 y
V2 denominada relación de compresión por ser un dato
importante que interviene en el rendimiento y la potencia
del motor.
V1
Relación de compresión=
V2
• Segmentos: en la cabeza del pistón se practican unas ranuras
donde van alojados unos anillos circulares y elásticos ,para asegurar
la estanqueidad del cilindro, de forma que o existan fugas de gas
desde la parte superior del pistón hacia la inferior ni que pueda
pasar el aceite contenido en la parte del bloque motor.
• Biela: el elemento mecánico que une el pistón, por medio del
bulón, con el cigüeñal. Este acoplamiento realiza la función de
transformar el movimiento alternativo del pistón en giratorio.
• Volante de inercia: los impulsos que recibe el cigüeñal no se
aplican de manera continua ya que, cada pistón aplicará un
impulso al cigüeñal cada cuatro carreras. Por este motivo, en el giro
hay momentos en que se le aplica un impulso que tiende a
acelerarlo y otros a deternelo, resultando un giro irregular que hace
necesario un sistema de regulación. El volante de inercia es un disco
macizo de cierto peso unido al cigüeñal en uno de sus extremos,
que almacena la energía recibida en cada impulso y la devuelve una
vez finalizado, oponiéndose a las vibraciones del giro.
4. 4.- FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR ALTERNATIVO DE
COMBUSTIÓN INTERNA
En un motor de 4T el conjunto de operaciones que se repiten
periódicamente se realizan en cuatro carreras del pistón, mientras
que en un motor de 2T para completar dichas operaciones basta con
dos carreras del pistón…. El motor de 4T es el utilizado para los
automóviles, mientras que en las motocicletas realizan el
funcionamiento con motores de 2T
A) MOTOR DE 4 TIEMPOS
Primer tiempo:ADMISIÓN.
En la posición de partida, el pistón se encuentra en el punto más
elevado de su recorrido, el punto muerto superior, y la válvula de
admisión está abierta. El pistón realiza una primera carrera del PMS
al PMI, al tiempo que el cilindro se va llevando a través de la válvula
de admisión. Al alcanzar el PMI, la válvula de admisión se cerrará
Durante ese recorrido del pistón el cigüeñal ha recorrido media
vuelta.
Si se trata de gasolina, el cilindro se llena de la mezcla aire-gasolina
proveniente del carburador, que es el dispositivo que realiza esta
mezcla en la proporción adecuada.
Si se trata de diesel, el cilindro se llena sólo de aire.
Segundo tiempo: COMPRESIÓN
Este tiempo comienza a partir del punto donde terminó el anterior: el
pistón en el PMI y las válvulas cerradas. A partir de éste punto, el
pistón realiza su segunda carrera desde el PMI hasta el PMS, y como
las dos válvulas están cerradas, el contenido del cilindro se
comprimirá y calentará. Durante esta carrera el cigüeñal ha realizado
otra media vuelta.
Al finalizar este tiempo, se alcanzan hasta 10 bares de presión y 300
ºC en motores de gasolina y 40 bares y 700ºC en motores diesel.
Tercer tiempo: Encendido y expansión
En los motores de gasolina este tiempo se denomina tiempo de
explosión y en los diese tiempo de combustión.
Se producirá la combustión de la mezcla en la cámara de
combustión y, como consecuencia de la misma, el gas del interior
del cilindro incrementará su presión obligando al pistón a bajar al
PMI. Durante esta tercera carrera, el cigüeñal gira otra media
vuelta.
5. En un motor de gasolina, se hace saltar la chispa eléctrica en la
bujía, la cual inflama la mezcla que se quema rápidamente
(explosión).
En un motor diesel, cuando el pistón está en el PMS, se inyecta
combustible que, al contacto con el aire caliente, se inflama
espontáneamente, sin necesidad de chispa eléctrica (combustión).
Éste es el único tiempo en que el pistón realiza trabajo sobre el
cigüeñal, obligándole a seguir girando. El volante de inercia
almacenará la energía necesaria para ello.
Cuarto tiempo: escape.
Cuando el pistón llega la PMI ha finalizado el tiempo de encendido y
expansión, comenzando el tiempo de escape. En ese momento se
evacúan los gases quemados, producto del tercer tiempo, y para
ello se abre la válvula de escape y el pistón realiza su cuarta carrera
desde el PMI al PMS.
Al finalizar esta carrera, la válvula de escape se cierra y la de
admisión se abre, quedando el cilindro dispuesto para comenzar
nuevamente el primer tiempo de admisión.
DIFERENCIAS FUNDAMENTALES ENTRE UN MOTOR DE
GASOLINA Y OTRO DIESEl.
• Durante la admisión, el motor gasolina introduce en el cilindro
un mezcla formada por el carburante(gasolina) y el
comburente(oxígeno del aire), mientras que en el diesel
introduce en el cilindro únicamente el comburente(diesel).
6. • En el encendido del motor de gasolina se provoca la
combustión de la mezcla aire-gasolina mediante la chispa de
la bujía, mientras que en el diesel no se provoca la
combustión sino que ésta se produce espontáneamente
debido a la alta temperatura a la que se encuentra el aire
cuando el gasóleo se introduce en el cilindro.
• Presión y temperatura en el motor diesel muy superior al del
gasolina. Es decir, la relación de compresión es superior en el
motor diesel. Su rendimiento es mayor por lo tanto que en el
motor de gasolina (mirar fórmulas de rendimiento en cada
caso)
B) MOTOR DE 2 TIEMPOS
El motor de dos tiempos realiza las mismas fases que el de 4T, si
bien para completar las mismas fases tan sólo precisa de dos
carreras. Esto es posible porque su constitución es diferente (mirar
figura)
El cilindro de un motor de 2T no dispone de válvulas, y la entrada y
salida de gases se realiza a través de unos conductos laterales que
quedan taponados o descubiertos por el propio pistón a lo largo de
7. su recorrido por el interior del cilindro. Estos conductos se
denominan lumbreras.
La lumbrera de admisión comunica el carburador con el cárter.
La lumbrera de escape comunica el cilindro con el tubo de escape.
La lumbrera de carga o transferencia permite que la mezcla situada
en la parte inferior del motor pase al interior del cilindro para ser
comprimida y quemada.
FUNCIONAMIENTO
primer tiempo: encendido, expansión y escape: el punto de
partida se sitúa en el PMS con la mezcla de aire-gasolina
comprimida en la cámara de combustión. En este instante, salta la
chispa y se produce la combustión instantánea, obligando al pistón
a realizar la primera carrera que corresponde a media vuelta de
cigüeñal. En el comienzo de la carrera descendente, las lumbreras
de escape y carga están tapadas, mientras que la de admisión no y
llena de mezcla nueva al cárter. Poco después quedan taponadas
todas las lumbreras y la mezcla del cárter se va comprimiendo.
Siguiendo con su carrera descendente, el pistón descubre la
lumbrera de escape y los gases quemados son expulsados
rápidamente por su propia presión. Al final del recorrido el pistón
descubre la lumbrera de carga, por lo que la mezcla comprimida en
el cárter comienza a entrar en el cilindro ayudando a terminar de
expulsar los gases de escape.
Segundo tiempo: admisión, escape y compresión: cuando
finalizado el tiempo anterior, el pistón comienza a subir, aún sigue
entrando la mezcla del cárter al cilindro a través de la lumbrera de
carga. En su carrera ascendente, el pistón primero tapona la
lumbrera de carga y justo después la de escape. A partir de este
instante comienza la compresión de la mezcla en el cilindro, al
tiempo que se provoca cierta depresión en el cárter. Al seguir
subiendo el pistón, abrirá la lumbrera de admisión y comenzarán a
entrar nuevos gases al cárter.
Al final de ésta carrera, se provocará una nueva chispa eléctrica y
comenzará de nuevo el primer tiempo.
5.- CICLOS TERMODINÁMICOS DE LOS MOTORES DE
COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS
De los motores alternativos de combustión interna que hemos visto,
los motores de explosión, tanto el de 2T como de 4T, describen un
ciclo termodinámico denominado ciclo OTTO. El motor de
8. encendido por comprensión o motor diesel describe el denominado
ciclo DIESEL.
• Transformación de admisión isobárica: corresponde al
tiempo de admisión en el que se realiza la primera carrera del
pistón, desde el PMS al PMI, por lo que el fluido
termodinámico (mezcla aire-gasolina o sólo aire dependiendo
del motor) pasa, de ocupar un volumen V2(cámara de
combustión) a ocupar un volumen V1(volumen total del
cilindro). Como durante esta carrera la válvula de admisión
está conectada con el exterior, la presión permanece
constante e igual a la presión atmosférica.
• Transformación de compresión adiabática: en su segunda
carrera, el pistón realiza la compresión de los gases en el
interior del cilindro hasta que ocupan el volumen
correspondiente al de la cámara de combustión V2
• Transformación en que el fluido termodinámico toma
energía térmica (Q1) como consecuencia de la
combustión:
a) Motor de gasolina: EXPLOSIÓN ISOCÓRICA corresponde
a la primera fase del tercer tiempo del funcionamiento del motor de
gasolina. El pistón está en el PMS y salta la chispa, por lo que se
produce la combustión instantánea, con lo que aumenta la presión
rápidamente sin que el volumen haya cambiado.
9. b) Motor Diesel: COMBUSTIÓN ISOBÁRICA
Corresponde a la primera fase del tercer tiempo del
funcionamiento del motor diesel. Cuando el pistón se
encuentra en el PMS comienza a inyectarse el
combustible al interior del cilindro. Inflamándose la
mezcla como consecuencia de las elevadas
temperaturas del aire interior.
• Transformación de expansión-adiabática: corresponde a
la segunda fase del tercer tiempo. El pistón realiza o completa
su tercera carrera desde el PMS al PMI. En esta
transformación el fluido realiza trabajo, siendo éste el objeto
del motor.
• Transformación apertura de la válvula de escape. En
esta transformación se cede calor (Q2) al foco frío que es el
medio ambiente y se vuelve a la presión atmosférica
• Transformación de escape; el pistón va desde el PMI al
PMS, barriendo los gases quemados evacuándolos del interior
del cilindro al exterior. Como se mantiene abierta la válvula de
escape la presión se mantiene constante.
10. 6.- RENDIMIENTO TÉRMICO DEL MOTOR DE GASOLINA
A partir del diagrama termodinámico del ciclo OTTO y aplicando los
conocimientos adquiridos: (mirar explicación del libro página 155)
donde r es la relación de compresión volumétrica V1/V2
7.- RENDIMIENTO TÉRMICO DEL MOTOR DIESEL
A partir del diagrama termodinámico del ciclo DIESEL y aplicando
los conocimientos adquiridos: (mirar explicación del libro página
155)
donde r sigue siendo la relación de compresión volumétrica y r c es la
relación existente entre los volúmenes de combustión (es decir, los
volúmenes final e inicial de la transformación isobárica existente en
el ciclo de motor Diesel)
Comparando los dos rendimientos anteriores se llega a la conclusión
de que el rendimiento diesel es mayor que el rendimiento Otto.
8.- BALANCE DE POTENCIA DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN
ALTERNATIVO.
Hasta ahora nos hemos fijado solo en la sección térmica del motor,
de la cual se obtiene la energía mecánica que mueve el vehículo,
pero esta energía no se utiliza íntegramente para conseguir que el
automóvil se desplace, sino que también es la energía que permite
que todas las partes móviles funcionen.
El rendimiento de funcionamiento total variará debido a que
realmente las transformaciones de compresión y expansión no son
adiabáticas, pues las temperaturas que se alcanzan son elevadas y
es necesario refrigerar.
Por otra parte, tampoco se ha tenido en cuenta la evidente pérdida
de energía como consecuencia del rozamiento de las partes móviles.
Para minimizar estas pérdidas es necesario lubricar los
componentes de fricción.
Como consecuencia de lo expuesto, sucede la siguiente
transformación de bloques:
Q=Pc.V Potencia indicada Potencia efectiva
SECCIÓN SECCIÓN
TÉRMICA MECÁNICA
ηT ηm
11. Por tanto el rendimiento total del motor se obtendrá de los
rendimientos de las dos secciones reflejadas: rendimiento
térmico y rendimiento mecánico, de forma que el
rendimiento total será:
η T=ηT . ηm
Ejemplo: Un motor de gasolina de 50 CV consume 8 l/h.
Sabiendo que la relación de compresión es 8,5 y que el
poder calorífico es de 7800 kcal/l calcula el rendimiento
térmico, mecánico y total del motor. Gamma vale 1,4
Solución: con los datos calculamos el rendimiento térmico
puesto que r = 8,5
este rendimiento térmico vale 57,51%
como nos dan la potencia útil (50 CV), si calculamos la potencia
absorbida tendremos el rendimiento total:
Energía absorbida= Pc . V= 72,45 kW
Potencia absorbida= Energía/tiempo
ηT= PU/PS= 50,72%
9.- PARÁMETROS DE INTERÉS PARA TODOS LOS
MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
POTENCIA INDICADA
Es la potencia desarrollada en el interior del cilindro
Pi= n. Wi ya que W= E=P.t y el tiempo en motores
térmicos viene dado en segundos/ciclo
n= nº de ciclos
Wi= trabajo indicado realizado por los gases dentro del
cilindro.= presión . Volumen total(o cilindrada total)
Luego la Pi= n.presión.Cilindrada
12. Teniendo que ser dividida esta expresión entre dos para
motores de 4T(puesto que hay una explosión cada dos
vueltas) y entre 1 para motores de 2T .
Por este motivo, concluimos diciendo que:
Pi= n. Presión.Volumen total/2 para motores de 4T
Pi= n. Presión. Volumen total para motores de 2T
POTENCIA EFECTIVA
Es la potencia desarrollada en el eje de salida del motor
ηmec= Pe/Pi
y recordemos que la Potencia en un eje (según
explicaciones del tema anterior) también se puede calcular
como:
Pe= M.ω
Donde M es el par motor en el eje en Newton.metro
Y ω es la velocidad angular en radianes/segundo
CALOR APORTADO AL CICLO
Se refiere al calor aportado al ciclo debido a la combustión
del combustible, es decir el producto del poder calorífico
(kcal/kg o kcal/litro) del combustible y la cantidad de
combustible empleada.
Q= Pc.V
10.- AUMENTO DE LA POTENCIA DE UN MOTOR
Para conseguir mayor potencia útil, evidentemente habrá que partir
de una mayor potencia absorbida, es decir, habrá que consumir más
combustible. Pero, como en el interior del cilindro se produce una
reacción de combustión en la mezcla de combustible y aire, al
aumentar la cantidad de combustible necesitaríamos aumentar
también la cantidad de aire. Para ello se han considerado las
siguientes soluciones:
• Aumentar la cilindrada: Ello se hace poniendo mas cilindros o
aumentando la cilindrada de cada uno de ellos. Mas caro.
13. • Aumentar régimen de trabajo. Es decir, aumentar el número
de revoluciones por minuto a las que trabaja el motor. Esto tiene
el inconveniente de someter a un mayor esfuerzo y desgaste,
luego sería problemático.
• Aumentar el llenado: Es decir, facilitar el llenado del cilindro en
el tiempo de admisión, aumentando el diámetro de las válvulas
de admisión o su número y mejorando la aerodinámica interior d
elos tubos.
• La solución mas acertada es la sobrealimentación: consiste
en comprimir el aire antes de introducirlo en el cilindro, con lo
que se consigue disponer en un mismo volumen de una mayor
cantidad de aire. Para conseguir esta compresión se utiliza el
turbocompresor(compuesto por una turbina y un compresor).
Además se precisa de un intercambiador de calor que utiliza el
aire exterior para enfriar el aire comprimido (evitando así que
ocupe mas espacio). Este intercambiador se conoce como
INTERCOOLER.
11.- Motor rotativo de combustión externa. TURBINA (páginas
del libro de 2º de Bachillerato de Tecnología Industrial 148 y
149)
12.- Motores rotativos de combustión interna (páginas del
libro 150 y151)
13.- LUBRICACIÓN Y REFRIGERACIÓN
Debido al continuo rozamiento de las piezas móviles en contacto, en
todo motor es necesaria una adecuada lubricación. Si no existiera
esta lubricación el material se desgastaría rápidamente por su
excesivo calor, llegando incluso al agarrotamiento o gripaje.
Las partes mas importantes que deben lubricarse en un motor son las
paredes del cilindro, las articulaciones de las bielas, los cojinetes del
cigüeñal, el árbol de levas, las válvulas, los balancines y los
engranajes.
La lubricación se realiza mediante un circuito de aceite a presión que
se halla situado debajo de la bancada (en el cárter). La bomba de
aceite lo recoge allí y lo distribuye a todas las partes necesitadas.
La refrigeración del motor es realizada;:
• por aire (en pequeños motor gracias al movimiento del
vehículo o a ventiladores apropiados) o agua.
• Por agua (circulando en cámaras que rodean los cilindros y la
culata, que al calentarse pasa al radiador donde se enfría por
acción de corrientes de aire que crea un ventilador).