motor de combustion interna

MOTORES TÉRMICOS
Motores de Combustión Interna Alternativos
Introducción. Elementos Constructivos. Clasificación

INTRODUCCIÓN A LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN
INTERNA ALTERNATIVOS
INTRODUCCIÓN A LOS MOTORES TÉRMICOS
MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVO
CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES
ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS DE LOS M.C.I.A.
CLASIFICACIÓN DE LOS M.C.I.A.

Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica
Andrés Melgar Bachiller

Página 1

MOTORES TÉRMICOS

INTRODUCCIÓN A LOS MOTORES TÉRMCOS
Definición de Motor Térmico:
 Conjunto de máquinas
 Transforma Energía Térmica en Mecánica Q  W
 Sometiendo a un fluido compresible a un ciclo termodinámico.

MOTOR TÉRMICO
Combustión Interna

Combustión externa

Se aporta calor mediante un proceso Se aporta el calor al fluido
mediante un sistema de
de combustión en el seno del fluido
intercambio de calor
Habitualmente ciclo cerrado

Ciclo abierto

Motor de combustión interna rotativo Maquina de vapor (ciclo
abierto)
(Wankell)
Motor Stirgling (motor
alternativo) pequeña potencia
Motor de
combustión interna
alternativo:
Transporte: terrestre
y aéreo (pequeña
potencia)
Energía mecánica y
eléctrica

Turbina de
gas
Habitualmente
combustión
interna.
Aviación y
producción de
electricidad

Turbina de Vapor
Producción de electricidad

Turbina de Vapor
Turbina de Gas
Motor de Combustión Interna alternativo
0.1 kW

1 kW

10 kW

100 kW

1 MW

10 MW


100 MW

1 GW

10 GW

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MOTORES TÉRMICOS

MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVO

Admisión

Compresión

Combustión

Expansión

Escape

25

Presión (bar)

20
15

Combustión
Arrastrado

10
Presión ambiente
5
0
-360

-270

-180

-90

0

90

180

270

360

Ángulo (º)

Foco caliente: Combustión
Presión

Qent

Qent
Went
Wsal
W bombeo

MOTOR
TÉRMICO

Qsal

Went

Wsal

Qsal
Foco frío: ambiente

Volumen

RENDIMIENTO TERMICO DEL MOTOR
ciclo 

Wsal  Went Qent  Qsal
T
 Carnot  1  amb

Qent
Qent
Tcomb


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MOTORES TÉRMICOS

CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LOS M.C.I.A.

El gran desarrollo de los motores de combustión interna alternativos se debe a
una serie de características entre las que se pueden destacar.

Posibilidad de poder quemar combustibles líquidos de elevado poder
calorífico (posibilidad de transportar mucha energía con muy poco peso).
 Esta característica les hace muy importantes en el campo de la automoción
ya que condiciona la autonomía del vehículo.
 Les permite competir con ventaja frente a los vehículos eléctricos los cuales
la energía almacenada en la batería pesa mucho más.

Rendimiento térmico aceptable, dependiente del tamaño del motor pero
que se mantiene bastante acotado para diferentes grados de carga y
regímenes.
 Esta característica es de gran importancia en todas las aplicaciones en las
que la potencia que se necesite no sea constante.
 Cuando esta condición junto con la autonomía son determinantes los
M.C.I.A. no tienen competidores.
 Amplio campo de potencias desde 0.1 kW hasta 32 MW
 Su campo de aplicación va desde modelismo hasta grandes motores
marinos o estacionarios.


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MOTORES TÉRMICOS

ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS DE LOS M.C.I.A.
CILINDRO
Conduce al pistón en su movimiento y es el elemento central del sistema de
compresión.
BLOQUE DE CILINDROS Y BANCADA
Sobre el bloque se apoyan las demás partes del motor por lo que su rigidez es
esencial para el buen funcionamiento del motor.
El bloque debe poseer de conductos interiores para llevar el aceite a presión a
los diferentes cojinetes que soportan el cigüeñal así como conductos para
llevar el aceite a la culata que a su vez tiene conductos para llevar el aceite al
árbol de levas o de balancines.
CULATA
Es la pieza del motor de diseño más complejo por la cantidad de funciones y
requerimientos que debe cumplir. Puede haber una para todos los cilindros
(motores pequeños), o una para cada cilindro o par de cilindros (motores más
grandes).

La culata por lo general tiene que alojar los siguientes elementos:
 Conductos de admisión y de escape (pipas de admisión y escape): estos
conductos empalman con los colectores de admisión y escape
 Asientos de Válvula: suelen ser postizos de material duro y resistente al
choque.
 Guías de válvulas: Es la pieza sobre la cual desliza la válvula, suele ser de
aleaciones especiales y mecanizadas con gran precisión para conseguir un
buen centrado y mínimas fugas:


Página 5

MOTORES TÉRMICOS

 Circuitos de refrigeración: tienen que ser de tal manera que minimicen las
tensiones térmicas debidas a grandes diferencias de temperatura entre
puntos muy próximos.
 Junta de culata: sirve para evitar las fugas en la unión entre cilindro y
culata, también sirve de junta en las uniones de los conductos de agua y
aceite entre bloque y culata.
PISTÓN Y SEGMENTOS
El pistón transmite la fuerza de los gases a la biela (requerimientos de
resistencia mecánica), debe ser lo más estanco posible al paso de gases de
combustión al cárter y de aceite del cárter a la cámara de combustión, para ello
leva a su alrededor unos aros metálicos que se ajustan al cilindro (segmentos).
Por ser piezas móviles deben pesar lo menos posible y es difícil de refrigerar.
Segmento de fuego
Segmentos de
estanqueidad

Aceite
Segmento
Rascador

CIGÜEÑAL Y BIELA
Se encargan de transformar el movimiento alternativo en rotativo que
suministre un par útil. Suele estar fabricados en fundición o forjado y en
cualquiera de los dos casos posteriormente mecanizado. En algunos casos,
como en los pequeños motores de dos tiempos con barrido por cárter, el
cigüeñal consta de dos piezas unidas por un bulón sobre el que se coloca la
biela.


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MOTORES TÉRMICOS

VÁLVULAS
Son
las
encargadas
de
controlar el paso de fluido por
la cámara de combustión
durante
el
proceso
de
renovación de la carga. La
forma más común de las
válvulas es la denominada de
plato.
La válvula más solicitada es la
de escape por que la
temperatura del fluido cuando
pasa por ella es muy alta.

SISTEMA DE
DISTRIBUCIÓN
Agrupa a todos los
elementos mecánicos que
provocan la apertura y cierre
de las válvulas, debe estar
sincronizado con el
movimiento de pistón
(cigüeñal) y completa un
ciclo de funcionamiento cada
dos vueltas del motor (el
árbol de levas gira a la mitad
de revoluciones que el
cigüeñal).


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MOTORES TÉRMICOS

ESQUEMA GENERAL DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
ALTERNATIVO
TAPA DE BALANCINES

EJE ÁRBOL
DE LEVAS

LEVA

CULATA
PIPA
VÁLVULA
REFRIGERANTE

CÁMARA DE
COMBUSTIÓN
JUNTA
CULATA
SEGMENTOS

PISTÓN

BULÓN

ACEITE A
PRESIÓN

BLOQUE MOTOR

BIELA

CIGÜEÑAL
CÁRTER

BOMBA
DE

TAPA DEL CÁRTER

ACEITE


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MOTORES TÉRMICOS

CLASIFICACIÓN DE LOS M.C.I.A.
SEGÚN EL PROCESO DE COMBUSTIÓN
Motor de encendido provocado
(MEP, motor Otto)
 Por lo general el combustible
entra en el cilindro ya mezclado
con el aire.
 Al final de la compresión se
dispone de una mezcla de aire y
combustible más o menos
homogénea.
 La combustión se inicia por una
causa externa, generalmente una
chispa eléctrica.

Motor de encendido por
compresión (MEC, motor Diesel)
 El fluido admitido en el cilindro es
solo aire sin combustible.
 Al final de la carrera de
compresión (mayor que en los
MEP) se inyecta en el cilindro el
combustible y debida a las altas
temperaturas y presiones el
combustible se autoinflama.


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MOTORES TÉRMICOS

SEGÚN EL MODO DE REALIZAR EL CICLO
Motores de 4 Tiempos
 Se realiza un ciclo cada dos vueltas del motor.
 Existen unos procesos diferenciados para renovar el fluido que evoluciona.

Motores de 2 Tiempos
 Se realiza un ciclo cada vuelta del motor.
 El fluido se renueva mientras el pistón está en la parte inferior de su carrera.
 Se utiliza para pequeñas potencias (sencillez barrido por carter y potencia
específica) y grandes potencias (potencia especifica).
 En barrido por carter la lubricación se hace con aceite mezclado con el
combustible.


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MOTORES TÉRMICOS

SEGÚN EL TIPO DE REFRIGERACIÓN
La refrigeración es necesaria para acotar la temperatura de ciertas partes del
motor.

Refrigeración por aire (directa)
 El calor se transmite
directamente al aire a través
de unas aletas colocadas en el
cilindro.
 Es más barato y fiable.
 Es más ruidoso y voluminoso.
 A veces se usa una soplante
para mover al aire.

Refrigeración por líquido
(indirecta si se usa
intercambiador)
 El motor cede calor al medio
refrigerante (casi siempre
agua) que actúa como agente
intermedio entre el motor y el
aire.
 Se necesita una bomba para
mover el refrigerante.
 El refrigerante suele ser agua
con alcoholes para evitar la
congelación y aditivos para
evitar corrosión.


Página 11

MOTORES TÉRMICOS

SEGÚN EL NÚMERO Y DISPOSICIÓN DE LOS CILINDROS

Tiene influencia sobre el tamaño y la relación de aspecto del motor
Cuantos más cilindro, mas caro y mas complicado.
SEGÚN LA PRESIÓN DE ADMISIÓN
Motor de aspiración natural o
atmosférico
 La presión del aire cuando entra
al cilindro es aproximadamente
la atmosférica o inferior.
Motor sobrealimentado
 La presión del aire a la entrada
en el cilindro es superior a la
atmosférica.
 Esto hace que la masa de aire
introducida en el motor sea
mayor que en aspiración
natural, se puede quemar más
combustible (mas potencia)
Es necesaria la utilización de un
compresor para conseguir esta
sobrepresión.

Página 12

MOTORES TÉRMICOS
Parámetros Característicos.

PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LOS M.C.I.A.
CONCEPTO DE DOSADO
PARÁMETROS GEOMÉTRICOS
PARÁMETROS INDICADOS
PARÁMETROS EFECTIVOS
PARÁMETROS DE PÉRDIDAS MECÁNICAS
RESUMEN DE PARÁMETROS
OTROS PARÁMETROS
POTENCIA Y PAR EN FUNCIÓN DE LOS PARÁMETROS
POTENCIA Y PAR EN FUNCIÓN DEL REGIMEN


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MOTORES TÉRMICOS

CONCEPTO DE DOSADO
 Dosado (F) es el parámetro que caracteriza la mezcla aire-combustible:
F=


Masa Combustible mf mfcc



Masa Aire
ma macc
x


m
Gasto Másico (Kg/s)

1
nZi

mcc
Masa por Cilindro y Ciclo (Kg)

i=Número de ciclos por revolución
 Dosado estequiométrico (Fe) es el dosado que tiene que haber en una
mezcla aire combustible para que en la reacción de combustión no sobre aire
ni combustible:
m
m
m


CnHm   n  (O2  3.76 N2 )  n CO2  H2O   n   3.76 N2
4
2
4


Fe 

12 n  m
m

 n  32  3.76 x28 
4


Es una propiedad del combustible
Para los combustibles usuales Fe  1/14.5 , 1/15.5.
 Dosado relativo (Fr) o riqueza:
 1
F 
Fr 
 =1
Fe 
 1

Rico (exceso de combustib le )
Esteq uiometrico
Pobre (defecto de combust ible)

 Coeficiente de exceso de aire ():


 Rangos usuales de dosado relativo:
MEC  Fr  0.04 , 0.7
MEP automoción Fr  0.9 , 1.3
MEP industrial  Fr  0.6 , 0.8

1
Fr


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MOTORES TÉRMICOS

PARÁMETROS GEOMÉTRICOS

S  Carrera
D  Diámetro Pistón
R  Radio muñequilla
L  Longitud biela

  Ángulo girado cigüeñal
PMS  Punto Muerto Superior ( = 0°)
PMI  Punto Muerto Inferior ( = 180°)
S/D  Relación carrera-diámetro

PM I

PM S

D
Vc
X

V
VD

S=2R

L

R

 D2
Ap 
4
 D2
VD 
S
4
VD  VC
r
VC
V  AP X  VC
VT  Z VD

Ap  Área del pistón
VD  Volumen desplazado
r  Relación de compresión
X = f(, L, R)

MEC r 12, 23, MEP r  8 , 10
VC  Volumen cámara de combustión
Z  Nº de cilindros
VT  Cilindrada de motor


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MOTORES TÉRMICOS

PARÁMETROS INDICADOS

Son parámetros relacionados con aspectos termodinámicos del ciclo.
P
pmi

+

=

VD

+

V
VD

VPMS

VPMI

 Trabajo indicado (Wi): Es el trabajo que se obtiene en el ciclo durante las
carreras de compresión y expansión:
W i   P dV
 Presión media indicada (pmi):
pmi 

 Potencia indicada (Ni):
Ni 

Wi
VD

Wi
 pmi VD n i
1 / in

1/ 2 en 4T
i=
en 2T
1

 Par indicado (Ti):
Ti 

i

2

pmi VD

 Rendimiento indicado (i): Expresa "la calidad" con que se transforma la
energía almacenada en el combustible en energía mecánica sobre el pistón.


i

Ni
Wi
pmi VD



mf HC mfcc HC mfcc HC

HC  Poder calorífico del combustible: Energía que se desprende por unidad
de masa de combustible quemado.

Página 4

MOTORES TÉRMICOS

PARÁMETROS EFECTIVOS

Parámetros relacionados con aspectos termodinámicos y mecánicos del ciclo.
 Potencia efectiva (Ne): Es la potencia que se tiene en el eje del cigüeñal. Es
de menor valor que la potencia indicada porque esta disminuida por las
pérdidas que tienen lugar hasta la salida de fuerza por el cigüeñal.
 Par efectivo (Te):
Te 

 Presión media efectiva (pme):
pme 

Ne
2n

Ne
2 T e

n VD i
VD i

Para un motor dado el par y la presión media efectiva están ligados por la
cilindrada.

MEP turismos
MEP deportivos



Rango de pme MEC automoción

MEC 4T industriales 

MEC 2T lentos



pme max  8 , 14 bar

pme max  8.5 , 25 bar

pme max  6 , 16 bar
pme max  5.5 , 23 bar
pme max   , 15 bar
10

 Trabajo efectivo (We): Es el trabajo que se obtiene en el eje del cigüeñal
durante un ciclo de trabajo completo.
Ne
We 
ni
 Rendimiento efectivo (e): Expresa "la calidad" con que se transforma la
energía liberada por el combustible en energía mecánica en el eje (cigüeñal).
Ne
We
pme VD
e 



mf HC mfcc HC mfcc HC
MEP  e 0.25 , 0.3

Rangos e MEP industriales  e 0.35 , 0.45
MEC  e 0.30 , 0.5



Página 5

MOTORES TÉRMICOS

PARÁMETROS DE PÉRDIDAS MECÁNICAS

Parámetros que relacionan la energía mecánica existente en el pistón con la
que se tiene en el cigüeñal a la salida del motor.
Estas pérdidas tienen tres orígenes:
 Pérdidas por fricción.
 Accionamiento de auxiliares.
 Pérdidas de bombeo.
 Potencia absorbida por pérdidas mecánicas (Npm):

Npm  Ni  Ne
 Presión media de pérdidas mecánicas (pmpm):
pmpm  pmi  pme

 Par de pérdidas mecánicas (Tpm):

Tpm  Ti  Te
 Trabajo de pérdidas mecánicas (Wpm):

W pm  W i  W e
 Rendimiento mecánico (m): Es la relación entre la energía mecánica que se
extrae a través del cigüeñal y la que se obtiene en el pistón.

m 

pme Ne e Te W e




pmi Ni i Ti W i


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MOTORES TÉRMICOS

RESUMEN DE PARÁMETROS i, e y pm

i
INDICADOS: Energía combustible

Energía mecánica sobre el pistón
m
Energía mecánica cigüeñal

MECÁNICOS: Energía mecánica pistón
e
EFECTIVOS: Energía combustible

Energía mecánica cigüeñal

 
e

i

m

Para un motor, conocido el régimen n, el gasto de combustible, el poder
calorífico del combustible y uno de los parámetros, es posible obtener el resto.
Pm
(Presión media)

VD n i

m fcc Hc
VD


(Rendimiento)

N
(Potencia)

1

1
2n

M
(Par)

2
i


m fcc Hc

W
(Trabajo)

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MOTORES TÉRMICOS

OTROS PARÁMETROS (I)

 Régimen (n): Es la velocidad angular con que gira el cigüeñal. Suelen
utilizarse los tres tipos de unidades siguientes.

60

rpm (rev/min)

1
2

n (rev/s)

 (rad/s)

2
60

 Velocidad lineal media (Cm): Velocidad media con que se mueve el pistón.
Cm  2 S n

Rango de Cm a Nmax

MEP turismos

MEP deportivos

MEC automocion

MEC 4T industriales
MEC 2T lentos


 Cm  8 , 16 m / s

 Cm  15 , 23 m / s
 Cm  9 , 13 m / s

 Cm  6 , 11 m / s
 Cm  6 , 7 m / s

 Potencia específica: (puede ser por unidad de masa o volumen)
Nf (vol) =

N
VD

Nf (mas) =

(Potencia por unidad de cilindrada)
N

mmotor

(Potencia por unidad de masa del motor)

Los MEP presentan mayores Nf que los MEC no sobrealimentados.
Los motores 2T presentan mayores Nf que los motores 4T.


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MOTORES TÉRMICOS

OTROS PARÁMETROS (II)

 Consumo específico (gf): Mide (habitualmente en g/Kwh) el consumo de
combustible por unidad de potencia extraída. Es un parámetro relacionado
con el rendimiento a través del poder calorífico del combustible. Puede ser
indicado (gif) o efectivo (gef).

mf
1
gf 

N  Hc
MEP  gef  320 , 280 g / kWh

Rango de gef 
MEC  gef  280 , 180 g / kWh


 Rendimiento volumétrico (v): Es un indicador del llenado de aire o mezcla
del motor, comparándolo con el llenado teórico a una temperatura de
referencia.



v





mmcc
mm
1
ma


VD im VT im n i C VT ia n i

ia  Densidad del aire en las condiciones de referencia.
C  Relación entre el volumen ocupado por el aire y el ocupado por la mezcla
admitida.
ma
1
Va pa
29
29



C
ma mh mf
1
h
F
VT pi




29 18 Mf
29 18 Mf

Para combustibles de elevado peso molecular (gasolina, gasoleo) y las
humedades habituales en el aire C toma valores próximos a uno.
Grado de carga: para un régimen de giro dado, el grado de carga expresa la
relación entre el par máximo del motor a ese régimen y el que está
suministrando el motor en las condiciones de funcionamiento.
En MEP se actúa sobre la posición de la mariposa de admisión y de esta
manera se modifica la macc y el sistema de formación de la mezcla ajusta la
mfcc. En MEC se actúa sobre la bomba inyectora para modificar directamente la
mfcc.
w i m H  i
Me  e  fcc c e
2
2
Existe una relación siempre creciente entre el actuador del grado de carga y el
par efectivo. Algunas veces se el grado de carga se define como la posición del
actuador respecto a su posición máxima o de plena carga.

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MOTORES TÉRMICOS

POTENCIA Y PAR EN FUNCIÓN DE LOS PARÁMETROS
(Concepto de grado de carga)

La potencia suminstrada por un motor alternativo se puede expresar como
sigue:


Ne  mf Hc e  ma F HC e  n i VT C ia v Fr Fe HC i m

el par se puede expresar de la misma forma dividiendo por la velocidad
angular:
Me 

1
i VT C ia v Fr Fe HC i m
2

Podemos hacer un análisis de la dependencia de cada uno de estos
parámetros y agruparlos:
Parámetros dependientes del combustible y de las condiciones atmosféricas;
Fe Dosado estequiométrico
Hc Poder calorífico del combustible
ia Densidad del aire.
C Depende muy ligeramente del dosado, en los motores donde ese
parámetros es importante (MEP a gas) el dosado relativo no varía.
Parámetros de diseño del motor, algunos se eligen y otros indican el grado de
éxito en el diseño:
i Tipo de motor (2T o 4T).
VT Cilindrada del motor.
e Rendimiento efectivo, este parámetro depende de las condiciones de
funcionamiento.
Parámetros de diseño que se modifican en funcionamiento respecto de su valor
máximo de diseño, podríamos llamarlos parámetros de funcionamiento:
v Rendimiento volumétrico: en los MEP. Se modifica para variar el par
que suministra el motor, el valor máximo depende ligeramente del
régimen de giro.
Fr Dosado relativo: en MEC se modifica para variar el par, en MEP varia
poco en todos los puntos de funcionamiento.
n Régimen de giro: este parámetro se fija en el punto de equilibro entre el
par resistente y el par motor.
A la relación entre el par máximo y el par real que está dando el motor se le
suele denominar grado de carga.

Página 10

MOTORES TÉRMICOS

POTENCIA Y PAR EN FUNCIÓN DEL REGIMEN
Me 

1
i VT C ia v Fr Fe HC i m
2

Para un motor dado y en unas condiciones atmosféricas definidas, el par
depende fundamentalmente del producto de los tres rendimientos y del dosado
relativo.
En condiciones de plena carga, ninguno de los cuatro varía mucho cuando se
modifica el régimen. Cabe destacar la caída del rendimiento mecánico a alto
régimen y algo similar le ocurre al rendimiento volumétrico en los motores de
aspiración natural.
Se puede decir que a plena carga el par permanece sensiblemente constante
al variar el régimen. Las variaciones que puede tener son fundamentalmente
debidas al rendimiento volumétrico y en menor medida al dosado relativo y el
rendimiento indicado, a alto régimen la caída del rendimiento mecánico y el
rendimiento volumétrico hace que el par decrezca.
Ne  2 n Me

En consecuencia la potencia aumenta linealmente con el régimen de giro y solo
a alto régimen alcanza un máximo cuando el incremento de régimen no
compensa la caída del par.

Nemax
Memax
Diferentes curvas de para para
diferentes grados de cargas:
Modificación de Fr MEC
Modificación de v MEP
n


Página 11

MOTORES TÉRMICOS

BIBLIOGRAFÍA
Muñoz, M., Payri, F. Motores de Combustión Interna Alternativos. Servicio Publicaciones
E.T.S. Ingenieros Industriales, Universidad Politécnica Madrid, 1994. Cap. 1: Características
Fundamentales de los MCIA (pp. 3-25).


Página 12

MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
SEMEJANZA DE MOTORES ALTERNATIVOS
BASES DE LA SEMEJANZA

CONSECUENCIAS DE LA SEMEJANZA

IMPLICACIONES DE LA SUBDIVISIÓN DE LA CILINDRADA

CONSIDERACIONES FINALES

EJEMPLOS:
Subdivisión de la cilindrada
Curvas de par
Estudio comparativo de motores de automoción


Página 1

MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
BASES DE LA SEMEJANZA EN MCIA

FINALIDAD:
 Sirve para explicar las tendencias que presentan los MCIA al variar su
tamaño (al variar su cilindrada).
 Teoría simple (utiliza aproximaciones) y no exacta pero que es una
herramienta útil y rápida para el diseño y elección de motores según la
aplicación que se les quiera dar.

CONDICIONES A CUMPLIR POR MCIA SEMEJANTES:

1. Semejanza geométrica: La relación entre dos dimensiones geométricas
cualesquiera, en uno de ellos, es igual a la relación entre las dimensiones
geométricas respectivas, en el otro (motores iguales pero a escala).
2. Trabajar en iguales condiciones ambientales.

Tª agua refrigerante
Dosado

3. Trabajar con iguales reglajes 
Punto de encendido
etc.


4. Poseer la misma velocidad media del pistón Cm.


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MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
IGUALDAD DE LAS PRESIONES MEDIAS EN MCIA SEMEJANTES(I)

IGUALDAD DE PMI EN MOTORES SEMEJANTES:

pmi 

W i i Hc mfcc i Hc F macc


 i Hc F v ia
VD
VD
VD

 El rendimiento volumétrico (v) se verá que se puede hacer depender
únicamente de relaciones entre magnitudes geométricas (1), condiciones
ambientales (2) y Cm (4). Así para motores semejantes v se mantiene.

 F es el mismo (3).

 ia es la misma (2).

 Hc es el mismo pues se utiliza el mismo combustible.

 i a pesar de variar las pérdidas de calor se supone que se mantiene.
Posiblemente esta hipótesis es la más alejada de la realidad.

 La pmi se puede considerar igual para motores semejantes.


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MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
IGUALDAD DE LAS PRESIONES MEDIAS EN MCIA SEMEJANTES(II)

IGUALDAD DE PMPM EN MOTORES SEMEJANTES:

 Las pérdidas de rozamiento (pmpmR) se pueden considerar iguales ya que
dependen de manera fundamental de Cm (4) y pmi (se mantiene).

 Las pérdidas por bombeo (pmpmB) son las mismas pues dependen
fundamentalmente del v (se mantiene), Cm (4) y relaciones entre
dimensiones geométricas (1).

 Las pérdidas por accionamiento de auxiliares (pmpmA) se suponen que son
iguales porque la variación de la energía necesaria para el accionamiento de
auxiliares será proporcional a la variación del tamaño.
pmpm  pmpmR  pmpmB  pmpmA

 La pmpm se puede considerar igual para motores semejantes

IGUALDAD DE PME EN MOTORES SEMEJANTES:

pme  pmi  pmpm

 La pme es igual para motores semejantes.


Página 4

MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
CONSECUENCIAS DEDUCIDAS DE LA SEMEJANZA DE MOTORES (I)

 Nos referiremos a motores monocilíndricos aunque los resultados se pueden
extender a motores policilíndricos con igual o distinto número de cilindros,
siempre y cuando se guarde la semejanza cilindro a cilindro.

 Para dos motores semejantes 2 y 1, siendo 2 más grande que 1, se define la
relación de semejanza geométrica  como la relación entre dos magnitudes
lineales geométricas cualesquiera de ambos motores.



L2
L1

1

1.- Relación entre potencias

Ne = Ap pme S n i 

Ap
pme Cm i
2

Así la relación entre potencias:

Ne2
=
Ne1

Ap2
pme Cm i
2
 2
Ap1
pme Cm i
2

La potencia crece con el cuadrado de , no con el cubo como la cilindrada.


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MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
CONSECUENCIAS DEDUCIDAS DE LA SEMEJANZA DE MOTORES (II)

2.- Relación entre pares

pme i VT2
pme i VT
Te 2
2
Te =


 3
pme i VT1
2
T e1
2
El par crece como la cilindrada, con el cubo de 
3.- Relación entre el número de revoluciones

Cm
Cm
n2 2S2 1
n



Cm
n1

2S
2S1
Los motores son tanto más lentos cuanto más grandes son.

4.- Relación entre potencias por unidad de superficie de pistón:

La potencia por unidad de área de pistón no varía en motores semejantes:

Ne pme Cm i


Ap
2

Ne2
Ap 2
1
Ne1
Ap 1

La potencia dividida por el área del pistón da una idea del éxito en el diseño.

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MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
CONSECUENCIAS DEDUCIDAS DE LA SEMEJANZA DE MOTORES (III)

5.- Relación entre potencias específicas:

Tanto la masa del motor como la cilindrada varían con 3.
Ne2
Ne2
mmotor 2  VD 2  Ne2 VD1  2 1  1
Ne1
Ne1
Ne1 VD2
3 
VD 1
mmotor1
En motores semejantes conforme aumenta el tamaño disminuye la potencia
específica. Si se quiere mejorar la potencia específica en un motor grande hay
que acudir a la sobrealimentación o a los motores de 2T.

6.- Relación entre el cociente calor cedido al refrigerante - calor aportado:

Calor aportado por el combustible Qap , comb  mfcc Hc  mfcc Hc  Varía como la
cilindrada.
Calor cedido al refrigerante Qref 

A h T
 Depende fundamentalmente del
ni
área (A) y del régimen (n).

Qref 2
1
A 2 Qap, comb1 n1
Qap, comb2

 2 3   1
Qref 1
A1 Qap, comb2 n2

Qap, comb1
Si el coeficiente de película (h) se mantuviese en motores semejantes, el
cociente entre el calor cedido al refrigerante y el calor aportado se mantendría
constante. Ocurre que el coeficiente de película disminuye al aumentar el
tamaño del motor por lo que los motores más grandes son más adiabáticos.
1
Realmente el cociente varía con 0.25




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MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
IMPLICACIONES DERIVADAS DE SUBDIVIDIR LA CILINDRADA(I)

Se parte de dos motores semejantes con igual cilindrada y distinto número de
cilindros. Como los cilindros del motor 2 son más grandes, el número de
cilindros del motor 1 será mayor que el número de cilindros del motor 2:



L2



 1

  Z1  Z 2
L1
VT2 = VT1 


Como las cilindradas son iguales:

VT 2 Ap2 S2 Z2
Z2

 3
1
VT1 Ap1 S1 Z1
Z1



Z2 1
=
Z1 3

Así la relación entre potencias totales queda:

Ap2
Cm pme i
1
Ne2
Z2
1
2

 2  3 2 
Ap1
Ne1
Z1


Z1
Cm pme i
2
Z2

Para igual cilindrada, al aumentar el número de cilindros aumenta la potencia.


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MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
IMPLICACIONES DERIVADAS DE SUBDIVIDIR LA CILINDRADA(II)

Otras implicaciones de subdividir la cilindrada son:
 Al subir el número de cilindros el par motor es más regular.
 Al subir el número de cilindros el número de piezas aumenta, si bien son más
pequeñas.
 Al aumentar el número de cilindros el régimen del motor aumenta (los
cilindros son más pequeños).
 Al subir el número de cilindros la vida de las piezas disminuye al aumentar su
desgaste relativo (mayores regímenes).
 Al subir el número de cilindros las disposiciones constructivas son más
complicadas (disposición de cilindros en V,..etc).
 En MEP al subir el número de cilindros aumenta la trasmisión de calor a
través de las paredes existiendo menos posibilidades de detonación.
 En MEC al subir el número de cilindros aumenta la transmisión de calor
provocando: dificultad en el arranque, marcha dura, más humos, etc.


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MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
CONSIDERACIONES FINALES SOBRE LA SEMEJANZA

 En la práctica Cm y pme no se mantienen al variar la cilindrada. Al aumentar
la cilindrada Cm y pme bajan por existir criterios más conservadores en el
diseño.
 Sin embargo Cm y pme sí que se mantienen bastante constantes cuando se
trata de motores para una misma aplicación. Así, la semejanza puede ser
muy útil en la elección de un motor para una determinada aplicación entre
varios existentes en el mercado.
 En la tabla adjunta se relacionan los parámetros más característicos de los
motores, tomando los valores típicos en función del tipo de aplicación.
S/D

Cm
(m/s)

pme
(bar)

Ne/VT
(kW/l)

Ne/Ap
(kW/cm2)

gef
(g/kWh)

Régimen
(rpm)

MEP automoción 4T
(1000 cc, 4 cilindros)

0.9

13

10

40

0.2

300

5800

MEP automoción 4T
(2000 cc)

0.9

14

9

35

0.2

300

5500

MEP competición
(400 kW)

0.6

23

12

130

0.5

430

12000

MEC automoción 4T
inyecc. indirecta (45 kW)

1.2

11

9

15

0.22

260

4500

MEC automoción 4T (100 kW)
aspiración natural

1.1

10

8

14

0.18

235

2600

MEC automoción 4T (200 kW)
sobrealimentado

1.1

10

12

18

0.25

225

2600

MEC Tractor 4T (45 kW)
aspiración natural

1.2

9

6

13

0.14

225

2500

MEC Tractor 4T (75 kW)
aspiración natural

1.2

8.5

6

11

0.13

225

2400

1

11

16

13

0.40

215

1500

MEC Industrial 4T (10000 kW)
sobrealimentado

1.2

8.5

20

8

0.42

200

520

MEC Barco 2T (35000 kW)
sobrealimentado

2.2

6.6

13

2

0.42

190

80 - 150

TIPO DE MOTOR

MEC Tracción ferroviaria 4T
(1400 kW) sobrealimentado


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MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
EJEMPLO DE LA SUBDIVISIÓN DE LA CILINDRADA (I)

Se tiene un MEP tricilíndrico, de 4T, con una cilindrada de 600 cm3 y con una
relación carrera-diámetro igual a la unidad, que suministra una potencia de 35
kW a 7500 rpm. (Motor nº1).
Se pretende diseñar un motor semejante al anterior, bicilíndrico y que
suministre la misma potencia. (Motor nº2).
 Relación de semejanza.
Como ambos motores suministran la misma potencia:

N
1  e2 
Ne1

z2
z1

A p2
4 60
A p1
4 60



c m 2 pme 2
c m 1 pme1

z1

z2

z2 D 2 z2 2
2



2
z1 D 1 z1

3
.
 122
2

 Determinación de las cotas geométricas, cilindrada y régimen de
máxima potencia del nuevo motor.
VT1 

 2
 3
D1 s 1 z 1  D1 z1
4
4

D1  3

V T1 4
 6.4 10 2 m  s 1
 z1

D 2   D 1  7.8 10 2 m  s 2
2
VT 2 z 2 D 2 s 2
1

 2 3  
2
VT1
z1 D1 s 1 

n2 

VT 2   VT1  732 cm 3
1
n1  6147 rpm



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MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
EJEMPLO DE LA SUBDIVISIÓN DE LA CILINDRADA (II)

 Velocidad lineal media del pistón y presión media efectiva.
Por ser semejantes los dos motores, la cm y la pme serán iguales en
ambos.
cm1  2 s 1 n1  16 m  cm 2
s

pme1 

Ne1
 9.3 bar  pme 2
n
VT1
2 60

 Ventajas e inconvenientes entre los dos motores, donde el motor nº2 es
más grande y tiene menos cilindros:
z1  z 2
D1  D 2
Inconvenientes del motor nº2:
VT 2  VT1  Ne 2 Ne 1
por lo que la potencia especifica del


Ne 2  Ne 1 
VT 2 VT1
motor 2 es menor que la del 1

- Como

- Como z2 < z1 , el Me2 será más irregular que el Me1.
-Como es un MEP, y el motor nº2 es más grande (más adiabático), la
tendencia a la detonación aumentará en este motor.
Ventajas del motor nº2:
- Como VT2>VT1  2 > 1 ya que tiene menos pérdidas de calor.
- Como z2 < z1 , el número de piezas del motor nº2 será menor y por tanto
su disposición constructiva será menos complicada.
- Como D2 > D1 , las piezas del motor nº2 serán más grandes y robustas y
entonces la vida de éstas será más larga (para un igual desgaste
mecánico).

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MOTORES TÉRMICOS

Semejanza

ESTUDIO DE SEMEJANZA DE MOTORES A PARTIR DE SUS CURVAS DE
PAR (I)

Te
101,25 Nm

30 Nm

3500

1000

2000

3000

5250

4000

5000

rpm

Las curvas corresponden a dos motores de aspiración natural, de 4 Tiempos y
4 cilindros cuadrados es decir, D/S=1.

Para ser semejantes deben tener la misma presión media efectiva, pme, y la
misma velocidad lineal media del piston, cm.
Suponiendo que la velocidad lineal media es la misma, se puede decir:
2 S1 n 1  2 S 2 n 2


Página 13

MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
PAR (II)

Aplicando la ecuación anterior en los puntos de par máximo se tiene:

2 S1

2000
3000
 2 S2
60
60

de donde:

S1 2000

 1,5  
S2 3000

También podemos decir:
Te 1  VT 1

pme 1
 L31 pme1
4

Te 2  VT 2

pme 2
 L32 pme 2
4

de donde se obtiene la relación ya conocida:
Te1
Te2

3

L 
  1   3
 L2 

Tomando el punto de par máximo:
101,25
 3,375  1,5 3  3
30

Por lo tanto, se cumple la relación y los motores son semejantes.

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MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
PAR (III)

Para ver si los valores de par son coherentes con el régimen de giro y las
características indicadas, suponemos un valor razonable de presión media
efectiva, por ejemplo 10 bares.

De la relación entre el par y la presión media efectiva obtenemos:

VT 2 

4  Te 2
pme 2



4  101,25 (Nm)
 0.001272 m 3  1272 cm 3
5
10 10 (Pa)

La cilindrada de un motor cuadrado (S = D) responde a la fórmula:

 S2
VT 
SZ
4



S3 

4 VT

Z

S 2  0,074 m

La velocidad lineal media del pistón en el punto de régimen máximo es:

cm2  2 S2 n 2  2 0.074

3500
 8.63 m / s
60

La velocidad media del pistón toma valores entre 10 y 20 m/s, por lo tanto, los
valores de par de los motores no son coherentes con el régimen de giro y las
características indicadas.


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MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
PAR (IV)

El planteamiento podía haber sido inverso; si se supone un valor razonable de
Cm de 13 m/s para el régimen máximo:

S

Cm
13 m / s
 S2 
 0.110 m
3500
2n
2
60

La cilindrada de un motor será:

VT 

 S3
4

Z



VT 2 

 0.110 3
4

4  0.004181 m 3  4181 cm 3

La presión media efectiva máxima (en el punto de máximo par) es:

pme 2 

4  Te 2
VT 2



4  101,25 (Nm)
 304315 Pa  3.04 bar
0.00418 (m 3 )

Los valores habituales de pme oscilan entre 9 y 11, en consecuencia la presión
media efectiva a quedado muy pequeña lo que redunda en que los valores de
par de los motores no son coherentes con el régimen de giro y las
características indicadas.

Las curvas de par de los motores corresponden, o bien a motores de pequeña
cilindrada con una pme aceptable pero que sin embargo no pueden subir de
revoluciones hasta los valores habituales, o a motores grandes acordes con el
régimen de giro que no tienen una buena pme.

Página 16

MOTORES TÉRMICOS

Semejanza
ESTUDIO COMPARATIVO DE MOTORES DE AUTOMOCIÓN

Algunas conclusiones que se pueden extraer del análisis de las tablas son:
 Los MEC tienen una menor velocidad lineal media que los MEP.
 Los MEC tienen una menor pme que los MEP y los motores
sobrealimentados tienen mayor pme que los de aspiración natural.
 En los MEP la velocidad lineal media máxima crece con la cilindrada.

BIBLIOGRAFÍA
Muñoz, M., Payri, F. Motores de Combustión Interna Alternativos. Servicio Publicaciones
E.T.S. Ingenieros Industriales, Universidad Politécnica Madrid, 1994. Cap. 9: Semejanza de
Motores (pp. 215-227).
OTROS:
Revistas de Motociclismo del 1996
Autocatálogo 1995 y 1996


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MOTORES TÉRMICOS

Semejanza


Página 18

MOTORES TÉRMICOS

Ciclos Termodinámicos

CICLOS TERMODINÁMICOS EN LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN
INTERNA ALTERNATIVOS

INTRODUCCIÓN
CICLO IDEAL DE AIRE
CICLO TEORICO AIRE COMBUSTIBLE
CICLO REAL EN MEC Y EN MEP
MEDIDA DE PARÁMETROS INDICADOS


Página 1

MOTORES TÉRMICOS

INTRODUCCIÓN (I)

EVOLUCIÓN DEL FLUIDO EN EL MOTOR ALTERNATIVO
P

+

V
V PMS

VD

VPMI

 RENOVACIÓN DE LA CARGA
Admisión
Escape
 CICLO TERMODINÁMICO BÁSICO
Compresión
Combustión
Expansión


Página 2

MOTORES TÉRMICOS

INTRODUCCIÓN (II)

CICLO TEÓRICO
Ciclo termodinámico básico en el que se hacen ciertas hipótesis simplificadoras
las cuales permiten la realización de cálculos más fácilmente y sirven de
modelos de referencia o comparación.





Pérdidas de calor
Proceso de combustión
Propiedades del fluido
Proceso de renovación de la carga

1. CICLO IDEAL DE AIRE
Base teórica muy simple, el rendimiento se puede calcular a
partir de fórmulas
2. CICLO TEÓRICO AIRE COMBUSTIBLE
Se consideran las propiedades del fluido más próximas a la
realidad, el rendimiento hay que calcularlo con métodos
numéricos.
3. CICLO REAL
Se analiza a partir del
presión en el cilindro).

diagrama indicador (medidas de

Índice de calidad de un ciclo
Indica la aproximación entre un ciclo real y uno teórico, se define como:

K

WR
R

Wteorico  teorico


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MOTORES TÉRMICOS

CICLO IDEAL DE AIRE (I)
HIPÓTESIS
1. Calor especifico del fluido constante.
2. Sucesión de procesos similar a las del motor real.
3. La misma relación de compresión volumétrica que en el motor.
4. La misma aportación de energía por unidad de masa que en el proceso
real.
5. La misma presión y temperatura al inicio de la compresión que en el
proceso real.
CICLO AIRE A VOLUMEN CONSTANTE
La aportación de calor al fluido se hace instantáneamente en el punto muerto
superior al final de la carrera de compresión.

  1

1
r  1

Conclusiones principales:
1. El rendimiento aumenta con la relación de compresión.
2. El rendimiento sólo depende de la relación de compresión.
3. El rendimiento aumenta con  la cual disminuye con el dosado.
Este ciclo suele ser representativo de los motores de encendido provocado.

Página 4

MOTORES TÉRMICOS

CICLO IDEAL DE AIRE (II)
CICLO DE AIRE A PRESIÓN LIMITADA
La aportación de calor se realiza a volumen constante hasta que se alcanza
una determinada presión (Pmax) a partir de aquí el resto de calor se libera
mientras baja el pistón de manera que la presión se mantiene constante e igual
a la presión máxima.
La presión máxima suele ser la presión máxima que se da en el motor real.

  1

1
r  1

   1
  1    1

Definiciones
1. Grado de combustión a volumen constante  
2. Grado de combustión a presión constante

P3
P2



=1  P=cte.

V3 A
V3

=1  V=cte.

Este tipo de ciclo es característico de los motores diesel rápidos.

Página 5

MOTORES TÉRMICOS

CICLO IDEAL DE AIRE (III)
CICLO DE AIRE A PRESIÓN CONSTANTE
Es una particularización del anterior en el que ALFA es 1 y todo el combustible
se quema a presión constante.

  1

1
r  1

  1
   1

Este tipo de ciclo es característico de los motores diesel lentos.
EXPRESIONES RELACIONADAS CON LOS CICLOS
Q
 r  1  1
C v T1
Q
 r  1  1
Cv T1

Calor aportado a volumen constante
Calor aportado a presión constante
Trabajo obtenido en el ciclo
Temperatura máxima del ciclo
Presión máxima del ciclo





W
 r  1  1     1     1
Cv T1
T3 A
 r  1
T1
P3
 r  1
P1


Página 6

MOTORES TÉRMICOS

CICLO IDEAL DE AIRE (IV)

COMPARACIÓN DE LOS DIFERENTES CICLOS

a)Mismo calor aportado y misma relación de compresión.

El ciclo con mejor rendimiento es el de volumen constante después el de
presión limitada y el de peor rendimiento el de presión constante. Sin embargo
el de presión constante es el que tiene una menor presión máxima.

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MOTORES TÉRMICOS

CICLO IDEAL DE AIRE (V)
b) Misma presión máxima y mismo calor aportado

Para un mismo calor aportado y con limitación de presión máxima el ciclo con
mejor rendimiento es el de presión constante y es el que puede tener mayor
relación de compresión.
c) Misma presión máxima y misma temperatura máxima

El ciclo con mejor rendimiento es el de presión constante, también es el de
mayor trabajo ya que tiene más área.

Página 8

MOTORES TÉRMICOS

CICLO IDEAL DE AIRE (VI)
CONSIDERACIONES FINALES SOBRE EL CICLO IDEAL DE AIRE
 Los motores de encendido provocado tienen menor relación de compresión
que los motores de encendido por compresión y dentro de estos últimos los
lentos tienen menor relación de compresión que los rápidos.

 La comparación de ciclos sólo tiene sentido para situaciones similares.

 En motores de encendido provocado el calor aportado por unidad de masa
es mayor (mayor dosado).

 El grado de explosión a volumen constante  está muy relacionado con la
primera fase de la combustión en MEC.

 En MEC la relación de compresión mínima viene fijada por razones de
arranque en frío y en MEP la relación de compresión máxima viene fijada por
razones de detonación (picado de biela).

 Las presiones máximas son mayores en los MEC rápidos que en los lentos y
son menores aún en los MEP.


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MOTORES TÉRMICOS

CICLO TEÓRICO AIRE COMBUSTIBLE
En este tipo de ciclo el calor específico aumenta con la temperatura con lo cual
empeora el rendimiento.
Si Cv crece aportando el mismo calor obtenemos una menor temperatura final
con lo cual el rendimiento disminuye.
Q = Cv (Tf - Ti)
Cv cte < Cv aire < Cv aire-combustible

Cv=cte
Cv=f(T)
Cv=f(T,F)

P1=1 bar
T1=320 K


Página 10

MOTORES TÉRMICOS

CICLO REAL EN MEP(I)
Ciclo ideal sin
transmisión de
calor
Perdidas
de tiempo

Ciclo ideal con
transmisión de calor

Perdidas
de calor

Perdidas de
calor

Ciclo real con
adelanto en
apertura de
valvula de
escape

Ciclo real
con
adelanto en
apertura de
valvula de
escape

Perdidas
de escape

Causas de las diferencias:
 Fugas
En motores nuevos y puestos a punto son muy bajas.
 Combustión incompleta
Retención de HC en huecos, depósitos y lubricante.
Apagado de llama.
Pared

Tª Combustión
Tª Mínima de combustión

Tª Pared
Distancia de apagado
(inquemados)

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MOTORES TÉRMICOS

CICLO REAL EN MEP(II)
 Pérdidas de tiempo
En el proceso de combustión existe un frente de llama que tiene que
recorrer toda la cámara de combustión para que la combustión se
complete.
El tiempo que tarda en recorrerse toda la cámara depende
fundamentalmente de:
Naturaleza del combustible y dosado.
Forma y tamaño de la cámara de combustión.
Número y posición de las bujías.
Condiciones operativas del motor.
La potencia y el rendimiento máximo se obtienen cuando la combustión
está centrada respecto del punto muerto superior.
 Combustión progresiva
Debido a que las condiciones de presión y temperatura a lo largo del
periodo de combustión varían, el rendimiento del proceso también varía,
dando lugar a una pérdida.
 Pérdidas de calor
Es necesario refrigerar la cámara de combustión y esto provoca las
pérdidas de calor. La mayor transmisión de calor se produce durante el
proceso de expansión y escape, siendo muy poco lo que se produce
durante la compresión. Durante el proceso de admisión el calor se
transmite de las paredes al fluido (ganancia de calor).
 Pérdidas de escape
La válvula de escape se abre antes del PMI intencionadamente para
mejorar el proceso de renovación de la carga. Lo que se pierde en el
proceso de expansión se recupera en el proceso de renovación de la
carga, por lo que en cierto modo no se pueden considerar como
pérdidas.

Página 12

MOTORES TÉRMICOS

CICLO REAL EN MEP(III)
EFECTO DE LA VARIABLES OPERATIVAS
 Punto de encendido
Tiene una gran influencia sobre la potencia y el rendimiento, para que la
combustión se mantenga centrada al aumentar el régimen de giro es
necesario aumentar el avance.

0

 Régimen de giro
A regímenes bajos las pérdidas de calor y por fugas aumentan.
Para la misma velocidad de combustión, al aumentar el régimen de giro,
la combustión dura más angularmente por lo que hay que avanzar el
inicio de la combustión para que esta permanezca centrada.
ejemplo:
Si la combustión dura 3ms, a 2000 rpm angularmente esto es:    t  360  2000 0.003  36  esto
60

supone un avance de 18° para que la combustión esté centrada en el PMS.
Si el régimen de giro es 4000 rpm    t  360  4000 0.003  72 lo cual supone un avance de 36° para
60

conseguir el mismo centrado de la combustión.

Página 13

MOTORES TÉRMICOS

CICLO REAL EN MEP(IV)
 Presión de admisión
Al aumentar la presión de admisión aumenta la presión media indicada y
por tanto la potencia.

4/4
3/4
2/4
1/4

La modificación de la presión de admisión se da en los casos de
sobrealimentación y de regulación de la carga, esto último sólo en MEP.
 Presión de escape
Influye en el proceso de renovación de la carga de manera que al
aumentar la presión de escape se aumentan los residuales y esto hace
que la combustión se desarrolle más lentamente.
 Relación combustible aire (dosado)
Mejora la potencia hasta valores del dosado relativo del orden de 1.15 y
el rendimiento es mejor para valores del orden de 0.9

Página 14

MOTORES TÉRMICOS

CICLO REAL EN MEC (I)
Características del proceso de combustión en MEC
 En los MEC existe un retraso desde que se inicia la inyección de combustible
hasta que se inicia la combustión.
 El tiempo de retraso va seguido de un aumento brusco de la presión debido
a que se quema gran parte del combustible inyectado durante el tiempo de
retraso.
 Posteriormente el resto del combustible se quema en un proceso de
combustión más lento durante el proceso de expansión.
 La duración angular de cada una de estas tres fases varían con el diseño y
las condiciones operativas.

MEP

MEC

MEC

MEP


Página 15

MOTORES TÉRMICOS

CICLO REAL EN MEC (II)
Pérdidas de tiempo en MEC
Las pérdidas de tiempo en MEC son más variables que en los MEP pues
el proceso de combustión se ve muy modificado en función de las
variables operativas: régimen y grado de carga fundamentalmente.

MEP

MEC

MEP

MEC

No hay que olvidar que en estos diagramas los dos ciclos tienen la misma
relación de compresión pero realmente en MEC la relación de
compresión es aproximadamente el doble que en MEP.

Página 16

MOTORES TÉRMICOS

MEDIDA DE PARÁMETROS INDICADOS
En la actualidad se utilizan captadores piezoeléctricos para medir la presión, la
adquisición de datos está sincronizada con un codificador angular que genera
la señal de disparo de la adquisición (1xVuelta) y la señal de reloj (NxVuelta).
La señal de disparo indica el inicio de la adquisición y es necesario saber en
que posición angular está respecto de alguna referencia generalmente el PMS.
La señal de reloj dispara cada una de las adquisiciones individuales de datos,
con lo que sabiendo el incremento angular de la señal de reloj se sabe la
distancia angular entre cada dato.
De esta manera sólo se registra una señal, la de presión pero se sabe a que
posición angular corresponde cada dato y consecuentemente se conoce el
volumen en el interior del cilindro.

Captador presión
(piezoeléctrico)



N  Vuelta

Captadores de posición
(magnéticos u ópticos)
Señal 1 Vuelta

1  Vuelta
Referencia Angular


Página 17

MOTORES TÉRMICOS

BIBLIOGRAFÍA
Taylor, C. F., The Internal Combustion Engine in Theory and Practice. The MIT Press, 1982.
Cap. 2: Air Cycles (pp.22-39). Cap. 4: Fuel-Air Cycles (pp. 67-106). Cap. 5: The Actual Cycle
(pp. 107-146).


Página 18

MOTORES TÉRMICOS

Refrigeración y Lubricación

REFRIGERACIÓN Y LUBRICACIÓN
OBJETIVOS DE LA REFRIGERACIÓN
REFRIGERACIÓN POR LÍQUIDO
REFRIGERACIÓN POR AIRE
COMPARACIÓN ENTRE TIPOS DE REFRIGERACIÓN
PERDIDAS MECÁNICAS
TIPOS DE LUBRICACIÓN
LUBRICACIÓN A PRESIÓN
PROCEDIMIENTOS PARA LA DETERMINACIÓN DE LAS PÉRDIDAS
MECÁNICAS


Página 1

MOTORES TÉRMICOS

OBJETIVOS DE LA REFRIGERACIÓN

La refrigeración en los motores de combustión interna alternativos viene
impuesta por exigencias mecánicas. Desde el punto de vista del ciclo es una
pérdida y por lo tanto tiene una influencia negativa en el rendimiento

Disminución de las pérdidas de calor:

- Aumento del rendimiento
- Motores adiabáticos

OBJETIVOS
 Acotar la temperatura, lubricación, dilataciones.
 Cilindro: 200 °C
 Pistón: 200 a 350 °C
 Culata: 300 °C
 Válvula de escape: 700 °C
 Segmentos: 225 °C

Estos valores dependen del tamaño del motor y de las condiciones
operativas, por ejemplo la temperatura de las distintas zonas del pistón varía
con el régimen de giro o con la presión media efectiva:


Página 2

MOTORES TÉRMICOS

REFRIGERACIÓN POR LÍQUIDO
3
6

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

10

4

8

5

2

1

9

Bomba
Bloque
Culata
Termómetro
Termostato
Radiador
Refrigerador aceite
Electroventilador
Termointerruptor
Vaso de expansión

7

 Fluido refrigerante: agua. Anticongelante. Circuito presurizado para subir
las temperaturas de ebullición.
 Bomba de impulsión centrífuga:

 Tamaño reducido.
 Grandes caudales con alturas
reducidas.
 Caudal de refrigerante: punto de
corte de las curvas.
l min
en máxima potencia.
aprox. 2
kW
 Presión: 0.5 a 1.5 bar.

 Sistema de regulación para cargas parciales.
 Termostato: distribuye el agua entre
el circuito básico y el bypass.
 Puesta en marcha: circuito básico
cerrado.
 Apertura del termostato: 80 - 85°C
 Apertura completa: 90°C


Página 3

MOTORES TÉRMICOS

 Radiador: Intercambiador agua-aire ambiente. A bajas velocidades:
electroventilador.

REFRIGERACIÓN POR AIRE
El calor transmitido a las paredes se refrigera con el aire por medio de un
aleteado en la superficie externa del motor.

En motores estacionarios y de automoción se necesita:

 Soplante
 Carcasa envolvente
 Elemento de regulación del
caudal de aire.


Página 4

MOTORES TÉRMICOS

COMPARACIÓN ENTRE LA REFRIGERACIÓN POR AIRE FRENTE A LA
DE POR LÍQUIDO

VENTAJAS
 Menor número de averías.
 Más autónomo.
 Menor inercia térmica.
 Menos sensible a variaciones de la temperatura exterior.

INCONVENIENTES
 Temperaturas de funcionamiento más elevadas: v, NOx,
problemas de autoencendido.
 Problemas térmicos: juegos en frío.
 Tamaño del motor mayor.
 Potencia de accionamiento de la soplante elevada.
 Más ruidos por:





Mayores juegos para compensar dilataciones.
Construcción menos rígida (cilindros independientes).
Soplante.
Aletas.

 Suciedad en aletas: menor refrigeración y peligro de incendio.


Página 5

MOTORES TÉRMICOS

BALANCE TÉRMICO DE UN MOTOR:








Qt  QN  Qr  Qg  Qres  Qa  Qra

Q t: Calor equivalente introducido en el
motor debido al combustible suministrado

por unidad de tiempo ( m f Hc ).

Q n: Calor equivalente a la potencia
efectiva obtenida del motor.

Q r: Calor transmitido al refrigerante.

Q g: Calor equivalente al estado térmico
perdido en los gases de escape.

Q res: Calor equivalente que corresponde a
la combustión incompleta (residuales).

Q a: Calor transmitido al aceite.

Q ra: Calor transmitido por radiación al
ambiente.

Q pm:Calor equivalente a las pérdidas
mecánicas.



Q a  Q ra


Q res

Qg


Qr


QN

Qt=100%

Qr
30%
Qa

Qra

Qpm
Qn=40%

Qg
30%

Qres

Página 6

MOTORES TÉRMICOS

LUBRICACIÓN Y PERDIDAS MECÁNICAS

IMPORTANCIA DE LAS PÉRDIDAS MECÁNICAS
Las necesidades derivadas de disminuir las emisiones de CO2 (efecto
invernadero) y el precio de los combustibles fósiles han traído consigo el
desarrollo de una importante línea de investigación: e  gef.

e  i m  e 

i









m

La disminución del consumo se puede llevar a cabo:

 i mejorando aspectos termodinámicos del ciclo.
 m disminuyendo las pérdidas mecánicas.
TIPOS DE PÉRDIDAS MECÁNICAS

 Por fricción o rozamiento: Debidas al rozamiento entre partes móviles
(denotadas por R). pmpmR  f (CP L  CG pmi + CI Cm 2 )
 Por bombeo: Ocasionadas por el proceso de renovación de la carga en
motores de 4T (denotadas por B).
 De accionamiento de auxiliares: Son las pérdidas asociadas al
movimiento de aquellos dispositivos arrastrados por el motor: Alternador,
bombas, dirección asistida, etc. (denotadas por A).
LA LUBRICACIÓN EN LOS MCIA (requerimientos)
CONJUNTO

DESPLAZAMIENTO TEMPERATURA PRESIÓN VELOCIDAD
RELATIVA
Pistón-camisa
alternativo
alta
moderada alta
Pistón-biela
oscilante
moderada
muy alta baja
Biela-cigüeñal
rotativo
baja
alta
alta
Cigüeñal-bloque
rotativo
baja
alta
alta
Levas-empujadores rotativo
baja
muy alta baja
Válvula de escape
alternativo
muy alta
baja
moderada

El sistema de lubricación, debe de engrasar las distintas partes del motor y
hacer frente a las distintas exigencias que se presentan en cada una de las
partes e incluso refrigerar cuando sea necesario.

Página 7

MOTORES TÉRMICOS

TIPOS DE LUBRICACIÓN:
 Por barboteo: Mediante cucharillas y anillos se proyecta aceite del
carter hacia aquellas superficies que se quieren lubricar.
 A aceite perdido: Utilizada en motores pequeños de 2T, la mezcla
arrastra en suspensión aceite. Presenta problemas por
contaminación.
 A presión: Es el sistema más utilizado, ya que cubre las exigentes
necesidades de lubricación en los motores actuales.

LUBRICACIÓN A PRESIÓN
En el circuito de engrase se pueden distinguir 4 partes fundamentales:





Bomba: Suministra la presión al aceite.
Conductos de engrase: Por ellos circula el aceite.
Filtro: Elimina las impurezas del aceite.
Refrigerador: Mantiene la Tª del aceite dentro de unos límites.

Árbol de balancines

Árbol de levas
Manómetro

Filtro en paralelo
Filtro en
serie

M

Taladros en el
cigüeñal

Bomba
Válvula de descarga
del filtro

B

Cigüeñal
Válvula de retención

Válvula de descarga
del circuito


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MOTORES TÉRMICOS

BOMBA: Son bombas volumétricas habitualmente de engranajes, a la salida
de la bomba se coloca una válvula de descarga para evitar sobrepresiones
con el aceite frio o a regímenes elevados.


 La bomba de engranajes posee un gasto másico ( m bomba ) proporcional a las
revoluciones con que gira (nb):

m bomba  K nb

FILTRO: Puede estar dispuesto en el circuito de las siguientes formas:
 En serie con el circuito:
- El filtro es atravesado por todo el aceite.
- Introduce pérdidas de carga muy grandes al
colmatarse.
 En paralelo con el circuito:
- El filtro no es atravesado por todo el aceite.
- Introduce pocas pérdidas de carga.
 En serie con el circuito y en paralelo con una válvula de descarga: recoge
las ventajas de las dos disposiciones anteriores.

REFRIGERADOR: Se suele colocar en paralelo entrando en funcionamiento
mediante una válvula termostática cuando la Tª del aceite es alta.


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MOTORES TÉRMICOS

P
Nb

Potencia absorbida
despues de que actúe
la válvula de descarga

Potencia absorbida
antes de que actúe la
válvula de descarga

Caida de presión
en el circuito

Nb
P

Presión máxima
en el circuito

Gasto de aceite
ACEITE FRÍO
ACEITE CALIENTE

Caudal que circula por la
válvula de descarga

Caudal que circula
por el motor

nb


Página 10

MOTORES TÉRMICOS

PROCEDIMIENTOS PARA DETERMINAR LAS PÉRDIDAS MECÁNICAS

Se busca fundamentalmente la dependencia de pmpm con Cm.

1.- Método del diagrama indicador

Diagrama indicador  pmi 
  pmpm = pmi - pme
Par resistente
 pme
También del diagrama indicador se puede obtener la pmpmB, y
desconectando sucesivamente los auxiliares se puede obtener la pmpmA. Así
es posible determinar las pérdidas por rozamiento:
pmpmR  pmi  pme  pmpmB  pmpmA
 Método exacto.
 Permite desglosar los componentes de las pérdidas.
 Necesidad de instrumentación para recoger el diagrama
indicador.

2.- Método Morse

Estando el motor en funcionamiento, se desconecta la combustión en uno de
los cilindros midiéndose la potencia en banco motor. Esta operación se repite
para cada uno de los cilindros:
Sin combustión en el cilindro 1:

NIe 

Ne2  Ne3  Ne4  Npm1


NII  Ne1 
e


NIII  Ne1  Ne2 
e

Sumando resulta:

N  Ne1  Ne2  Ne3
 Npm4
N  NII  NIII  NIV  3Ne  Npm
e
e
e

Ne3  Ne4  Npm2
Ne4  Npm3

IV
e
I
e

 Método sencillo.
 No se considera la influencia de la presión de los gases.

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MOTORES TÉRMICOS

3.- Recta de Willans

Se basa en la hipótesis de que gif o lo que es igual i es constante cuando se
mantiene el régimen de giro:

gif 


mf
1

 cte

i m f HC i HC

con n = cte 

Así:

m f  cte Ni = cte pmi VD

2
= cte  pmi = cte  pme + pmpm
n

Si se representa gráficamente el gasto de combustible frente a la pme
utilizando como parámetro el régimen de giro, es posible determinar las
pérdidas mecánicas asociadas a cada régimen:


m f (kg/h)

2500 rpm

16
2000 rpm

14
12

1500 rpm

10
1000 rpm

8
6
4
2
pmpm (bar) 3

2

1

0

2

4

6

8

10

pme (bar)

 Método muy laborioso.
 La hipótesis de mantenimiento del rendimiento indicado a
régimen fijo no es buena:
- En MEP las variación de las pérdidas de bombeo con el
grado de carga es importante  poco preciso en MEP.
- En MEC la hipótesis sólo deja de cumplirse a grados de
carga altos por el aumento del dosado.


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MOTORES TÉRMICOS

4.- Método de arrastre

Tras hacer funcionar el motor, éste es arrastrado sin combustión por una
dinamo-freno. El par que la dinamo-freno da al motor es el par de pérdidas
mecánicas
 Normalmente es posible determinar las pérdidas ocasionadas
por cada elemento auxiliar de manera sencilla.
 No se considera la influencia de la presión de los gases.
5.- Método de deceleración libre

Se estabiliza al motor en aquel régimen por debajo del cual se quieran
conocer las pérdidas y tras esto se corta el suministro de combustible o el
encendido, frenándose el motor únicamente por las pérdidas mecánicas. Si
se registra la deceleración angular  durante el periodo de frenado, y se
conoce el momento de inercia del conjunto I, es posible determinar el par de
pérdidas mecánicas y la presión media de pérdidas mecánicas para cada
régimen aplicando la siguiente ecuación:
Tpm  I 

 pmpm =

2
I
i VD

Cuando no se conoce el momento de inercia del conjunto es posible utilizar
un volante postizo de momento de inercia conocido IC y repetir el ensayo
añadiendo esta inercia, obteniéndose el par y el momento de inercia:

Tpm  I 
Tpm



  I, Tpm
 (I  IC )   


 Sencillo y rápido.
 Se obtienen con un sólo ensayo las pérdidas para el rango de
regímenes por el que pasa el motor mientras se va frenando.
 Es necesario un dispositivo de adquisición rápida.
 No tiene mucha precisión y es necesario conocer el momento
de inercia del motor.

Página 13

MOTORES TÉRMICOS

Combustión
COMBUSTIÓN EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS

INTRODUCCIÓN

DESCRIPCIÓN DE LA COMBUSTIÓN EN MEP
PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LA COMBUSTIÓN EN MEP
COMBUSTIÓN NORMAL Y ANORMAL EN MEP
VELOCIDADES DE COMBUSTIÓN
DIAGRAMAS DE PRESIÓN EN CÁMARA Y CALOR LIBERADO
AUTOINFLAMCIÓN, AUTOENCENDIDO Y TIPOS DE COMBUSTIÓN
ANORMAL
GEOMETRÍAS DE CÁMARAS DE COMBUSTIÓN EN MEP
DISPERSIÓN CICLICA

DESCRIPCIÓN DE LA COMBUSTIÓN EN MEC
PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LA COMBUSTIÓN EN MEC
FASES DE LA COMBUSTIÓN EN MEC
CAMARAS DE COMBUSTIÓN EN MEC
COMPARACIÓN MEC-MEP


Página 1

MOTORES TÉRMICOS

Combustión
COMBUSTIÓN EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS
Proceso de oxidación del combustible por el aire, que provoca la conversión
de la energía química que posee el combustible en energía térmica. Este
proceso tiene lugar dentro del cilindro, suponiendo un incremento de presión
que permite extraer energía mecánica mediante el movimiento del pistón.
Motor de encendido provocado (MEP)
 Habitualmente formación de la mezcla
fuera del cilindro.
 La combustión se inicia por una causa
externa, habitualmente el salto de una
chispa.
 La combustión se realiza sobre una mezcla
de aire y combustible homogénea.
 La relación aire-combustible utilizada está
en el entorno de la estequiométrica.

Motor de encendido por compresión (MEC)
 El motor admite aire sin combustible
inyectándose combustible (chorro) al final
de la carrera de compresión.
 La mezcla se autoinflama como
consecuencia de la propia compresión.
 La combustión se desarrolla sobre una
mezcla heterogénea.
 Siempre trabajan con mezclas con exceso
de aire.


Página 2

MOTORES TÉRMICOS

Combustión
DESCRIPCIÓN DE LA COMBUSTIÓN EN MEP
 En MEP se habla de combustión homogénea o premezclada ya que la
mezcla que se encuentra en el cilindro es homogénea: posee en cualquier
punto el mismo dosado. El sistema de formación de la mezcla se encuentra
fuera de la cámara de combustión.

 En MEP la combustión normal tiene lugar en el frente de llama que es la
superficie que separa la zona fresca de la zona quemada.

Frente de llama

Mezcla
Quemada

P T
Mezcla
Fresca


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MOTORES TÉRMICOS

Combustión
PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LA COMBUSTIÓN EN MEP
Son parámetros característicos:
 Tiempo de combustión (tC): Es el tiempo que tarda el frente de llama en
recorrer la cámara de combustión. A este tiempo se le puede asociar un
intervalo angular llamado ángulo de combustión C(°):

c  360 n tC
 Gradiente de presión (dP/d o dP/dt): Expresa la velocidad con que
cambia la presión a lo largo del ciclo (bar/° ó bar/s).
 Presión máxima de combustión (Pmax): Es el máximo valor de la presión
dentro de la cámara de combustión a lo largo del ciclo (bar).
El proceso de combustión supone un desarrollo de presión por en cima del
desarrollo de presión asociado al motor arrastrado (sin combustión).
Pmax

Con comb.

c

Sin comb.


Página 4

MOTORES TÉRMICOS

Combustión
COMBUSTIÓN NORMAL Y ANORMAL EN MEP

La combustión en MEP puede ser:
 Combustión por avance del frente de llama: La zona quemada
trasmite calor al frente de llama, entonces la mezcla que integra el
frente se inflama, pasando a engrosar la zona quemada, provocando
que avance el frente de manera suave y comprimiendo la mezcla
fresca.

Frente de llama

Tq



T

TC

Zona 1: Umbral elevación
de temperatura.
Zona 2: Calentamiento.
Zona 3: Combustión.
Zona 4: Prerreaciones.

Tsq

x
4
1

2

3

t

La presión es la misma
para las dos zonas

C

 Combustión por autoinflamación: La combustión se origina como
consecuencia del alto estado térmico (P, T) que adquiere la zona
fresca. Es una combustión brusca y rápida. Si la masa de mezcla
autoinflamada es grande la autoinflamación es muy perjudicial para el
motor hablándose de combustión detonante o picado de bielas.


Página 5

MOTORES TÉRMICOS

Combustión
VELOCIDADES DEL FRENTE, DE COMBUSTIÓN Y DE ARRASTRE

 Velocidad del frente (CF): Es la velocidad con que el frente de llama barre la
cámara de combustión (velocidad absoluta).
 Velocidad de expansión (CA): Es la parte de la velocidad del frente que es
consecuencia de la expansión de la zona quemada contra la zona fresca
(velocidad de arrastre).
 Velocidad de combustión (CC): Es la parte de la velocidad del frente que es
consecuencia del trasvase de masa desde la zona fresca a la zona quemada
fruto de la combustión (velocidad relativa).

CF  CC  CA

Mezcla
Quemada

Mezcla
Quemada

CF
Mezcla
Fresca

FRENTE

Cc

Mezcla
Quemada

Combustión
Mezcla
Fresca

COMBUSTIÓN


T

CA
Expansión
P

Mezcla
Fresca

EXPANSIÓN

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MOTORES TÉRMICOS

Combustión
VELOCIDAD DE COMBUSTIÓN LAMINAR

LLAMA LAMINAR

LLAMA TURBULENTA

La velocidad de combustión laminar (CCL) es aquella con la que progresa el
frente en ausencia de turbulencia.
CCL depende de:
Temperatura de combustión TC (mucho)

Presión (poco)
Composición de la mezcla
Los factores que afectan a CCL son los que afectan a TC:
 Residuales   TC  CCL 
 Humedad   TC  CCL 
 Dosado es el factor que más influye. Se define un dosado relativo de
máxima temperatura (FrTmax), éste es ligeramente rico (1.05) siendo el
dosado para el cual la velocidad de combustión laminar es máxima:
Si Fr < FrTmax

 Fr  TC  CCL 

Si Fr > FrTmax

 Fr  TC  CCL 


Página 7

MOTORES TÉRMICOS

Combustión
VELOCIDAD DE COMBUSTIÓN TURBULENTA

 La turbulencia es el parámetro que más afecta al proceso de combustión,
dando lugar a un incremento del ritmo de propagación del frente de llama. A
la velocidad de combustión en régimen turbulento se le denomina velocidad
de combustión turbulenta (CCT).
 Se define el FSR (flame speed ratio):
FSR 

CCT
 1  CCT = FSR CCL
CCL

 Los factores que afectan a la velocidad de combustión turbulenta son
aquellos que afectan a la velocidad de combustión laminar y al grado de
turbulencia.
 CC L
 CCT  
 FSR


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MOTORES TÉRMICOS

Combustión
DIAGRAMAS DE PRESIÓN EN CÁMARA Y CALOR LIBERADO

Se pueden distinguir tres fases en la combustión:
 1ªFASE (C1): Corresponde con el tiempo desde que salta la chispa
hasta que se separan los desarrollos de presiones con y sin
combustión. Ocupa aproximadamente 15% del ángulo de combustión.
 2ªFASE (C2): Ocupa aproximadamente un 80% del ángulo total de
combustión, siendo una combustión muy rápida y turbulenta.
 3ªFASE (C3): La combustión se hace más lenta y concluye.

Con Combustión

Sin Combustión
(motor arrastrado)

C1

C2


C3

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MOTORES TÉRMICOS

Combustión

AUTOINFLAMACIÓN EN MEP

 Combustión por autoinflamación  La mezcla fresca se inflama por sí misma
por estar sometida a altas presiones y temperaturas que son ocasionadas
como consecuencia de la compresión sufrida por la mezcla fresca. Es una
combustión rápida y brusca ("descontrolada").

 Habitualmente, la combustión por autoinflamación en MEP se ve precedida
por la combustión normal, ya que al avanzar el frente de llama como
consecuencia de la combustión normal se produce la compresión de la zona
fresca. Se podría hablar así de un % de combustión normal y un % de
combustión por autoinflamación.

+


q

sq

P
T

q

P
T

q

 La combustión por autoinflamación es casi instantánea, mucho más rápida
que la combustión normal, provocando elevados gradientes de presión,
con aparición de ondas de presión a menudo audibles, hablándose entonces
de detonación o picado de bielas.


Página 10

MOTORES TÉRMICOS

Combustión

Detonación
Fracción de Mezcla
Quemada por Autoinflamación

 La detonación es un fenómeno muy peligroso, ya que las vibraciones
inducen mayor transmisión de calor a través de las paredes, pudiendo
destruir el motor si el fenómeno es intenso y se mantiene de manera
prolongada.

Página 11

MOTORES TÉRMICOS

Combustión
 Para que la mezcla se autoinflame es necesario que se den una serie de
prerreacciones químicas. Estos fenómenos requieren un tiempo que se
denomina tiempo de retraso o inducción, éste es menor cuanto mayores
son la presión y la temperatura. Transcurrido el tiempo de retraso si la
combustión normal no ha concluido se producirá la autoinflamación.
 La intensidad de la detonación está muy ligada a la masa de mezcla que
sufre la autoinflamación. Esta viene caracterizada fundamentalmente por el
% de mezcla que se autoinflama y por el grado de carga del motor.
 La detonación es un fenómeno que limita las prestaciones del motor:
obliga a veces a mantener avances a la combustión menores a los que dan
la máxima potencia en unas condiciones de funcionamiento dadas.

LAB8

CUÑ20

Elegido

Límite Detonación

En la geometría CUÑ20 no se puede tener el avance
óptimo por detonación.

Elegido

Límite Detonación

En la geometría LAB8 se permite el avance óptimo.

 Los motores actuales llevan acelerómetros que en caso de detectar
detonación informan al sistema de ignición para disminuir el avance al
encendido, preservándose así la vida del motor.


Página 12

MOTORES TÉRMICOS

Combustión
ENCENDIDO SUPERFICIAL

 Se ocasiona por la aparición, en determinadas situaciones, de puntos
calientes que son fuentes de encendido, generando frentes de llama en
cualquier instante del ciclo.
 Puntos calientes:
- Electrodo central de la bujía.
- Depósitos.
- Zonas mal refrigeradas.
 Tipos de encendido superficial:
- Anterior al encendido normal  Preencendido.
- Posterior al encendido normal  Post-encendido.
 Post-encendido  Mayores gradientes de presiones.
 Preencendido   Avance   Tendencia a detonar
 El preencendido con detonación es muy peligroso ya que la detonación
realimenta el efecto de incremento del avance, pudiéndose llegar a
detonaciones de efectos destructivos (wild ping).
 El preencendido sin detonación no es tan peligroso aunque supone
marcha dura (rumble).


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MOTORES TÉRMICOS

Combustión
TIPOS DE COMBUSTIÓN ANORMAL EN MEP

COMBUSTIÓN ANORMAL


AUTOINFLAMACIÓN

PREENCENDIDO

POSTENCENDIDO

DETONACIÓN (KNOCK)

CON DETONACIÓN

SIN DETONACIÓN

AUTOINFLAMACIÓN PERSISTENTE (RUN ON)
El motor continúa girando con el encendido
cortado

ENCENDIDO SUPERFICIAL CRECIENTE
Aparece cada vez antes en el ciclo, lo que
puede llevar a la destrucción del motor.

PICADO INTENSO (WILD PING)
Detonación como consecuencia
del encendido superficial.


MARCHA DURA (RUMBLE)
Ruido sordo distinto al de la
detonación provocado por
frentes de llama múltiples.

Página 14

MOTORES TÉRMICOS

Combustión
PARTICULARIDAD EN MEDIDA DE PRESIÓN EN MEP: DISPERSIÓN
CÍCLICA

En MEP, los ciclos de presión medidos consecutivamente y manteniendo las
condiciones de funcionamiento presentan una importante variabilidad que es
denominada dispersión cíclica o aciclismo.
70
60

Presión (bar)

50
40
30
20
10
0
-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Ángulo de cigüeñal (º)

Existe por lo tanto una variabilidad en el desarrollo del proceso de combustión
de ciclo en ciclo.
1.1
1
0.9
0.8
0.7
FMQ

0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Ángulo de cigüeñal (º)


Página 15

MOTORES TÉRMICOS

Combustión
EFECTOS:
La dispersión cíclica provoca que de ciclo en ciclo varíen apreciablemente
aspectos tales como:
 Emisiones contaminantes del motor
 Prestaciones del motor
 Tendencia a la autoinflamación.
Los factores relacionados con la aparición de la dispersión cíclica pueden
dividirse en:
CAUSAS:
 Variación cíclica en el estado turbulento (escala e intensidad) en el momento
de salto de la chispa.
 Variación cíclica en la convección de la llama (interacción con la pared)
 Variación cíclica en el dosado suministrado al motor (poco significativa).
 Variación cíclica en la carga en el cilindro (poco significativa).
 Variación cíclica en la fracción de residuales (poco significativa).
 Variación cíclica en las características de la chispa (motores mal
mantenidos).
FACTORES MAGNIFICADORES
 Dosado de la mezcla
estequiométricos).

(mínima

dispersión

cercanía

de

dosados

 Velocidad de combustión laminar del combustible.
 Escala de la turbulencia al salto de la chispa.
 Forma del electrodo y de la cámara de combustión.


Página 16

MOTORES TÉRMICOS

Combustión

GEOMETRÍAS TIPO DE CÁMARAS DE COMBUSTIÓN EN MEP
Geometría cuña

 Fracción última en quemarse muy refrigerada.
 Distribución sencilla.
 Pequeño tamaño de las válvulas.

Geometría hemiesférica

 Válvulas grandes.
 Pequeño recorrido del frente de llama (compacta).
 Más difícil distribución.

Geometría labrada

 Elevada turbulencia.
 Culata sencilla.
 Mucha transferencia de calor al pistón.
CUÑA

HEMIESFÉRICA


LABRADA

Página 17

MOTORES TÉRMICOS

Combustión
COMBUSTIÓN EN MEC

 El combustible es inyectado en el interior de la cámara de combustión al final
de la carrera de compresión.
 Tan pronto como se inyecta el combustible, se forman las primeras gotas
que se evaporan y mezclan con el aire, y debido a las altas P y T empiezan
las prerreacciones químicas que van a dar lugar después de un cierto
tiempo (llamado tiempo de retraso) a la aparición de llama por
autoinflamación.

 La localización del punto donde se inicia la combustión es aleatoria, no
dependiendo la inflamación de la mezcla de un aporte exterior de calor como
ocurría en MEP (encendido provocado), sino que se trata de un fenómeno de
autoinflamación que es consecuencia del elevado estado térmico (P,T) que
existe en la cámara en las cercanías del PMS (encendido por compresión).
 El desarrollo de la combustión en MEC depende fundamentalmente de las
condiciones locales de dosado y temperatura de cada punto de la cámara
de combustión.


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MOTORES TÉRMICOS

Combustión
 La llama suele aparecer cuando la distribución del aire y combustible no es
todavía homogénea, por lo que coexisten los procesos de formación de la
mezcla y de combustión. La duración de la combustión es mayor en MEC
que en MEP.

 El proceso de combustión está íntimamente ligado a la distribución del
combustible en el aire, por lo que es necesario:
 Buenas características del sistema de inyección.
 Elevada turbulencia en la cámara de combustión.
 El diseño de la cámara de combustión en MEC tiene una gran importancia,
ya que además de favorecer la correcta combustión, tiene también la misión
de propiciar la formación de una mezcla adecuada. Se distinguen dos tipos
fundamentales de cámaras:
 Cámara abierta (inyección directa). El papel principal en la
distribución de combustible lo juega el sistema de inyección.
 Cámara dividida (inyección indirecta). El papel principal lo juega la
turbulencia obtenida con geometrías complejas de la cámara de
combustión.

 Las relaciones de compresión tienen valores entre 12 y 23. Tienen que ser
mayores que un cierto valor para garantizar el arranque en frío.


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MOTORES TÉRMICOS

Combustión
PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LA COMBUSTIÓN EN MEC

 Ángulo de avance a la inyección (ai): Es el ángulo existente entre el
comienzo de la inyección y el PMS.
 Ángulo de inyección (i): Es el intervalo angular que dura el proceso de
inyección. El tiempo que dura la inyección es del orden de milisegundos.
 Tiempo de retraso (tr): Es el tiempo que transcurre desde que se inicia la
inyección hasta que se produce la autoinflamación, durante el cual el
combustible se va gasificando y mezclando con el aire y van ocurriendo
prerreacciones químicas hasta que se inflama. Su valor depende
fundamentalmente de la P, T y de la naturaleza del combustible. A este
tiempo le corresponde un intervalo angular en el cigüeñal llamado ángulo de
retraso (r).
Presión en
cámara
Presión en
arrastrada

Tasa inyección

PMS

r
ai

i

A estos tres conceptos hay que añadir algunos otros ya vistos en MEP:
 Tiempo de combustión (tC): Es el tiempo que dura el fenómeno de la
combustión. A este tiempo se le puede asociar un intervalo angular llamado
ángulo de combustión C.
 Gradiente de presión (dP/d o dP/dt): Expresa la velocidad con que
cambia la presión a lo largo del ciclo (bar/°, bar/s).
 Presión máxima de combustión (Pmax): Es el máximo valor de la presión
dentro de la cámara de combustión a lo largo del ciclo (bar).


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MOTORES TÉRMICOS

Combustión
FASES DE LA COMBUSTIÓN EN MEC (I)

Se distinguen tres fases a partir del inicio de la inyección (ai):
 1ª FASE: Periodo de retraso. Esta fase se extiende desde el inicio de la
inyección hasta que se produce la autoinflamación, observándose entonces
la separación de los diagramas de presión con y sin combustión.
 2ª FASE: Combustión rápida o premezclada. Durante esta fase se quema
rápidamente el combustible inyectado durante el tiempo de retraso, que ha
tenido tiempo de mezclarse.
 3ª FASE: Combustión por difusión. Se quema el combustible que no fue
quemado durante la 2ª fase y el inyectado con posterioridad a medida que se
va mezclando.

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Combustión
1ª FASE: TIEMPO DE RETRASO

El período desde que se inicia la inyección hasta que se produce la
autoinflamación posee dos contribuciones:
 Una asociada a la preparación de la mezcla aire-combustible en el
cilindro (0.1 ms).
 Otra necesaria para que se desencadenen las prerreacciones
químicas anteriores a la autoinflamación.

Inyección  Atomización  Vaporización  Prerreacciones  Autoinflamación
Preparación Mezcla

Retraso Químico
Tiempo de Retraso

Tiempo preparación mezcla << Tiempo retraso químico
FACTORES QUE AFECTAN A LA PREPARACIÓN DE LA MEZCLA
 Características del chorro.
 Propiedades del combustible.
 Presión y temperatura en el cilindro, tr=f(P, T).
 Movimiento del aire en el cilindro.
FACTORES QUE AFECTAN AL RETRASO QUÍMICO
 Composición del combustible (longitud de la cadena, etc.).
 Temperatura y presión dentro del cilindro (sobre todo la temperatura).
El tiempo de retraso se puede disminuir haciendo chocar el chorro en
superficies calientes, con lo que disminuye el tiempo de retraso físico y
químico.

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MOTORES TÉRMICOS

Combustión
2ª FASE: COMBUSTIÓN PREMEZCLADA

 En esta fase se quema aquella parte del combustible inyectado que ha sido
vaporizada y mezclada con el aire.
 Los parámetros que caracterizan esta fase son: la elevada velocidad de
combustión y el gran aumento de la presión, y está íntimamente ligada
con el tiempo de retraso.
tr   Combustión suave

tr   


 combustible evaporado y mezclado
 combustible inyectado


 Marcha dura (Pmax)


 ruido
 Al aumentar la combustión premezclada  P  
 emisiones de NOx
 Factores que influyen:
- Tipo de cámara: Abierta o dividida. El tr suele ser menor en cámara
dividida por lo que la marcha es menos dura.

- Combustible inyectado durante el retraso 


Tiempo retraso



- Combustible gasificado durante el retraso 



Finura gotas chorro

- Combustible encuentra oxígeno





Ley de inyección

Turbulencia
Prop. físicas combustible
Penetración del chorro
Turbulencia

La calidad de la micromezcla (finura de gotas) y de la macromezcla (reparto
del combustible en el seno del aire) son condiciones contrapuestas, por lo que
hay
que
acudir
a
soluciones
de
compromiso.

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MOTORES TÉRMICOS

Combustión
3ª FASE: COMBUSTIÓN POR DIFUSIÓN

 Período que va desde el punto de presión máxima hasta donde acaba la
combustión.
 En esta fase se quema todo aquel combustible no quemado en la 2ª fase, y
aquél que se inyecta con posterioridad a la conclusión de la 2ª fase, si la
inyección no ha terminado.
 Pueden darse dos casos:
- La inyección termina antes de la conclusión de la 2ª fase: La cantidad
de combustible que queda por inflamarse y la capacidad de mezclarse
con el oxígeno marca la velocidad de combustión.
- La inyección continúa tras la conclusión de la 2ª fase: El proceso de
inyección es el que condiciona fundamentalmente la velocidad de
combustión.
 En motores grandes que giran a bajo régimen (r<< i) la mayor parte de
combustible se quema en la 3ª fase.
 En esta fase puede haber combustión incompleta y entonces pueden
formarse humos en el escape. La combustión incompleta se debe a la
existencia de gran cantidad de combustible que no encuentra oxígeno para
quemarse y que debido a las altas temperaturas y presiones se craquea, se
deshidrogena, y se convierte en carbón. Este carbón puede posteriormente
encontrar oxígeno y quemarse.


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MOTORES TÉRMICOS

Combustión
CÁMARAS DE COMBUSTIÓN EN MEC

 Las cámaras de combustión tienen una gran influencia en el desarrollo de la
combustión, y su geometría tiene que compaginar:
- No originar elevadas presiones máximas ni gradientes de presión.
 

 Humos


- No alargar la combustión 

 Las cámaras de combustión se pueden clasificar fundamentalmente
atendiendo al lugar donde se inyecta el combustible, en dos tipos:
- Cámara abierta o inyección directa: el combustible se inyecta
directamente en el volumen entre culata y pistón.
- Cámara divida o inyección indirecta: el combustible se inyecta en
una precámara independiente al volumen entre culata y pistón.
 Se pueden utilizar dos procedimientos complementarios en el diseño
tanto en inyección directa como indirecta:
 Retraso fisico
,
- Efecto inyección sobre pared caliente  
 Retraso quimico

con lo que se disminuyen los gradientes de presión, ya que la
cantidad de combustible que se quema en la primera fase es
menor.
- La estratificación de la mezcla: concentración de combustible en
una zona, lo que evita un aumento excesivo de la presión, ya que
no existe suficiente oxígeno para quemar el combustible. Hay que
tener en cuenta que con este procedimiento luego aumenta la
producción de humos, aunque un buen diseño puede favorecer que
éstos se quemen en la cámara de combustión antes de salir por la
válvula de escape.


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MOTORES TÉRMICOS

Combustión
CÁMARA ABIERTA O INYECCIÓN DIRECTA

 Cámara de combustión compacta sin estrechamientos, y por tanto sin
diferencias apreciables de presión.
 Mezcla encomendada al sistema de inyección.
 Importancia relativa de la turbulencia.
Cámara abierta sin turbulencia

 Formación de la mezcla encomendada al inyector, que tiene varios orificios y
funciona con elevada presión de inyección. El funcionamiento del sistema de
inyección debe ser impecable.
 No hay turbulencia   las pérdidas de calor a través de las paredes   
y el arranque en frío es más fácil.
 Se emplean en motores lentos (grandes motores de 2T).


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MOTORES TÉRMICOS

Combustión
Cámara abierta con turbulencia

 Cámaras de combustión labradas en el pistón.
 El aire alcanza velocidades del orden de 250 m/s con los siguientes
procedimientos:
- En la pipa de admisión, por su propia geometría, o con deflector en la
válvula (v) (efecto “swirl”).
- Movimiento del pistón, debido a la geometría de éste, en la carrera de
compresión (efecto “tumble”).

 El efecto de la turbulencia (movimiento del aire a alta velocidad) mejora el
mezclado y consecuentemente reduce el tiempo de retraso, pero presenta el
problema de grietas térmicas en la cabeza del pistón.
Cámara abierta con efecto de pared caliente

 El chorro incide sobre una zona caliente de la cámara:
- Parte se evapora rápidamente   tr
- Otra parte escurre en forma líquida a lo largo de la pared, con lo que es
necesario que el aire esté lamiendo con gran velocidad esta zona.
  Pmax y  dP/d  menos marcha dura  interés en motores
sobrealimentados.


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