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    Motor de explosión

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    Motor de explosión

    Mensaje por Invitado el Lun 15 Jul 2013 - 15:15

    Motor de explosión

    Un motor de explosión es un tipo de motor de combustión interna que utiliza la explosión de un combustible, provocada mediante una chispa, para expandir un gas empujando así un pistón. Hay de dos y de cuatro tiempos. El ciclo termodinámico utilizado es conocido como Ciclo Otto.

    Este motor, también llamado motor de gasolina o motor Otto, es junto al motor diésel, el más utilizado hoy en día para mover vehículos autónomos de transporte de mercancías y personas.
    Motor Otto de ciclo convencional
    Motor de ciclo Miller
    Motor de mezcla pobre

    Ciclo Otto
    Ciclo Otto con valores exactos
    El ciclo Otto es el ciclo termodinámico que se aplica en los motores de combustión interna de encendido provocado (motores de gasolina). Se caracteriza porque en una primera aproximación teórica, todo el calor se aporta a volumen constante.


    Ciclo de 2 carreras (4T)

    El ciclo consta de seis procesos, dos de los cuales no participan en el ciclo termodinámico del fluido operante pero son fundamentales para la renovación de la carga del mismo:
    E-A: admisión a presión constante (renovación de la carga)
    A-B: compresión isoentrópica
    B-C: combustión, aporte de calor a volumen constante. La presión se eleva rápidamente antes de comenzar el tiempo útil
    C-D: fuerza, expansión isoentrópica o parte del ciclo que entrega trabajo
    D-A: Escape, cesión del calor residual al ambiente a volumen constante
    A-E: Escape, vaciado de la cámara a presión constante (renovación de la carga)

    Hay dos tipos de motores que se rigen por el ciclo de Otto, los motores de dos tiempos y los motores de cuatro tiempos. Este último, junto con el motor diésel, es el más utilizado en los automóviles ya que tiene un buen rendimiento y contamina mucho menos que el motor de dos tiempos.





    Motor de cuatro tiempos
    Artículo principal: Ciclo de cuatro tiempos.
    1.Durante la primera fase, el pistón se desplaza hasta el PMI (Punto Muerto Inferior) y la válvula de admisión permanece abierta, permitiendo que se aspire la mezcla de combustible y aire hacia dentro del cilindro (esto no significa que entre de forma gaseosa).
    2.Durante la segunda fase las válvulas permanecen cerradas y el pistón se mueve hacia el PMS, comprimiendo la mezcla de aire y combustible. Cuando el pistón llega al final de esta fase, la bujía se activa y enciende la mezcla.
    3.Durante la tercera fase, se produce la combustión de la mezcla, liberando energía que provoca la expansión de los gases y el movimiento del pistón hacia el PMI. Se produce la transformación de la energía química contenida en el combustible en energía mecánica trasmitida al pistón, que la trasmite a la biela, y la biela la trasmite al cigüeñal, de donde se toma para su utilización.
    4.En la cuarta fase se abre la válvula de escape y el pistón se mueve hacia el PMS (Punto Muerto Superior), expulsando los gases producidos durante la combustión y quedando preparado para empezar un nuevo ciclo (renovación de la carga)

    Para mejorar el llenado del cilindro, también se utilizan sistemas de sobrealimentación, ya sea mediante empleo del turbocompresor o mediante compresores volumétricos o también llamados compresores de desplazamiento positivo.

    Ciclo de una carrera (2T)





    Motor de dos tiempos
    Artículo principal: Ciclo de dos tiempos.
    1.(Admisión - Compresión). Cuando el pistón alcanza el PMI (Punto Muerto Inferior) empieza a desplazarse hasta el PMS (Punto Muerto Superior), creando una diferencia de presión que aspira la mezcla de aire y gasolina por la lumbrera de admisión hacia el cárter de precompresión .(Esto no significa que entre de forma gaseosa). Cuando el pistón tapa la lumbrera, deja de entrar mezcla, y durante el resto del recorrido descendente, el pistón la comprime en el cárter inferior, hasta que se descubre la lumbrera de transferencia que lo comunica con la cámara de compresión, con lo que la mezcla fresca precomprimida ayuda a expulsar los gases quemados del escape (renovación de la carga)
    2.(Expansión - Escape de Gases). Una vez que el pistón ha alcanzado el PMS y la mezcla está comprimida, se la enciende por una chispa entre los dos electrodos de la bujía, liberando energía y alcanzando altas presiones y temperaturas en el cilindro. El pistón se desplaza hacia abajo, realizando trabajo hasta que se descubre la lumbrera de escape. Al estar a altas presiones, los gases quemados salen por ese orificio.

    El rendimiento de este motor es inferior respecto al motor de 4 tiempos, ya que tiene un rendimiento volumétrico menor y el escape de gases es menos eficaz. También son más contaminantes. Por otro lado, suelen dar más par motor en la unidad de tiempo (potencia) para la misma cilindrada, ya que este hace una explosión en cada revolución, mientras el motor de 4 tiempos hace una explosión por cada 2 revoluciones, y cuenta con más partes móviles. En el pasado fueron sumamente populares por sus elevadas prestaciones en las motocicletas hasta una cierta cilindrada, ya que al aumentar ésta su consumo era excesivo.

    Éste tipo de motores se utilizan mayoritariamente en motores de poca cilindrada (ciclomotores, desbrozadoras, cortasetos, motosierras, etc), ya que es más barato y sencillo de construir, y su emisión de contaminantes elevada es muy baja en valor absoluto.

    Eficiencia

    Artículo principal: Rendimiento térmico.

    La eficiencia o rendimiento térmico de un motor de este tipo depende de la relación de compresión, proporción entre los volúmenes máximo y mínimo de la cámara de combustión. Esta proporción suele ser de 8 a 1 hasta 10 a 1 en la mayoría de los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores, como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de octanos para evitar la detonación.

    Una relación de compresión baja no requiere combustible con alto número de octanos para evitar este fenómeno; de la misma manera, una compresión alta requiere un combustible de alto número de octanos, para evitar los efectos de la detonación, es decir, que se produzca una auto ignición del combustible antes de producirse la chispa en la bujía.

    El rendimiento medio de un buen motor Otto de 4 tiempos es de un 25 a un 30%, inferior al rendimiento alcanzado con motores diésel, que llegan a rendimientos del 30 al 45%, debido precisamente a su mayor relación de compresión.

    Proporción de aire y combustible

    Esta proporción ha de permanecer lo más uniforme posible, dentro de unos estrechos márgenes de variación, se denomina factor lambda y se sitúa alrededor de 14-15 partes de aire en peso por cada parte de gasolina en peso, estando la mezcla estequiométrica aire/gasolina en 14,7:1

    Control del par motor

    Se efectúa controlando la cantidad de aire o mezcla carburada que entra al motor, mediante el acelerador. De esta manera ajusta el conductor el par motor a la carga motor.

    La eficiencia o rendimiento de los motores Otto modernos se ve limitada por varios factores, entre otros, la pérdida de llenado en el proceso de renovación de la carga energía por la fricción y la refrigeración.

    En el ciclo Otto los motores trabajan en un rango de presiones de combustión de 25 a 30 bares, partiendo de una relación de compresión de 9 a 10, y en los que la relación de aire/combustible (factor lambda), toma valores de 0,9 a 1,1.

    Invención del motor de combustión interna

    El primer inventor, hacia 1862, fue el francés Alphonse Beau de Rochas. El segundo, hacia 1875, fue el alemán doctor Nikolaus August Otto. Como ninguno de ellos sabía de la patente del otro hasta que se fabricaron motores en ambos países, hubo un pleito. De Rochas ganó cierta suma de dinero, pero Otto se quedó con la fama: el principio termodinámico del motor de cuatro tiempos se llama aún ciclo de Otto.

    Otto construyó su motor en 1866 junto con su compatriota Eugen Langen. Se trataba de un motor de gas que poco después dio origen al motor de combustión interna de cuatro tiempos. Otto desarrolló esta máquina, que después llevaría su nombre (motor cíclico Otto), en versiones de cuatro y dos tiempos.




    Ciclo Miller



    El ciclo Miller es una variación del ciclo Otto en la que se utiliza un cilindro más grande de lo habitual, se aumenta la relación de compresión mediante un compresor mecánico y se cambian los momentos de apertura y cierre de las válvulas de escape. Otra modificación es la utilización de un intercooler en la admisión. Se trata de un proceso de combustión usado en motores de cuatro tiempos de combustión interna. Fue patentado por el ingeniero norteamericano Ralph Miller, en la década de los años 1940.

    Este tipo de motor fue usado por primera vez en embarcaciones y en plantas de energía, pero fue adaptado por Mazda para su motor KJ-ZEM V6, usado en el sedán Millenia. Recientemente, Subaru combinó el ciclo Miller en una disposición horizontal de 4 cilindros para un motor híbrido "Turbo Parallel Hybrid", para su automóvil B5-TPH.

    Tradicionalmente el motor de ciclo Otto usa cuatro tiempos (admisión, compresión, explosión y escape), de los que existen dos con alta potencia: alto consumo de potencia en la compresión, y alta producción de potencia en la explosión. Gran parte de la pérdida interna de potencia en un motor se debe a la energía requerida para efectuar la compresión de la mezcla de combustible en el tiempo de compresión, por lo que sistemas que puedan reducir este consumo de energía pueden otorgar una mayor eficiencia.



    Diferencias con el ciclo Otto

    4-Stroke-Engine.gif

    En el ciclo Miller, la válvula de admisión se mantiene más tiempo abierta que en un motor de ciclo Otto. El tiempo de compresión está dividido en dos etapas:

    1ª PARTE: Cuando la válvula de admisión continúa abierta mientras el pistón ya está subiendo debido a un Retraso al Cierre de Admisión mayor que en el ciclo Otto convencional.

    2ª PARTE: Cuando la válvula de admisión se cierra con aproximadamente un tercio de la carrera ascendente del pistón ya recorrida y se produce la compresión efectiva. Ésta compresión dividida crea un llamado quinto tiempo, que es el reflujo de parte de la mezcla del cilindro al colector de admisión.

    Ésta pérdida de carga de aire podría provocar una pérdida de potencia. Sin embargo, en el ciclo Miller el cilindro es sobrealimentado por una carga de aire proveniente de un compresor volumétrico tipo tornillo o Roots, por lo que se devuelve aire al colector de admisión. El compresor tradicionalmente se utilizaría para producir empuje a velocidades relativamente bajas del motor; sin embargo, disminuye el par disponible a bajas revoluciones del motor puesto que le roba potencia mecánica al cigüeñal para ser arrastrado.

    Un aspecto clave del ciclo Miller es que el tiempo de compresión comienza sólo después de que el pistón ha eliminado su carga "extra" y la válvula de admisión se cierra. La apertura dura aproximadamente el 20% o 30% del transcurso inicial del tiempo de compresión. De esta forma, la compresión real sucede aproximadamente en un 70% a 80% del tiempo total de compresión, después de la apertura. El pistón consigue los mismos niveles de compresión de un motor de ciclo Otto pero con menos trabajo, ya que una parte de la compresión total se ha logrado mediante el compresor volumétrico.

    Equilibrio en la eficiencia

    El ciclo Miller aumenta su potencia en la medida en que el compresor volumétrico pueda comprimir la mezcla empleando menos energía que la requerida por el pistón para hacer el mismo trabajo.

    De la compresión total de la mezcla en la culata cuando el pistón está en punto muerto superior, El compresor volumétrico es más eficiente generando baja compresión de la mezcla en el colector de admisión. (algo parecido a la precompresión en el cárter generada en un motor de dos tiempos) El pistón es usado para generar los niveles más altos de compresión, donde resulta más efectivo que el compresor volumétrico.

    Así, en el ciclo Miller la compresión total resulta de la PREcompresión efectuada por el compresor volumétrico para la masa de aire que entra al cilindro, sumada a la segunda compresión que efectúa el pistón en el interior del cilindro, logrando así que la fuerza que el pistón debe ejercer para lograr la compresión total de la mezcla en la culata sea menor que en un motor de ciclo Otto que trabaje a la misma presión. El equilibrio en la eficiencia depende de la cantidad de energía que consuma el compresor volumétrico y del aumento del rendimiento termodinámico logrado en el interior del cilindro. En total el arrastre del compresor reduce la potencia útil del motor entre un 10% y un 15%. Para optimizar este ciclo térmodinámico, la producción exitosa de motores ha requerido del uso de colectores de admisión variables, sistemas mixtos de precompresión, (turbo - compresor volumétrico) distribuciones adaptativas para poder regular el Retraso al Cierre de Admisión en función de las necesidades de potencia y rendimiento en cada momento (variable valve timing). Lo cual ha encarecido consideráblemente la producción masiva de motores que utilicen este ciclo. Sale más rentable por un lado el ciclo Atkinson se trata del mismo ciclo termodinámico pero sin precompresión en el colector de admisión, donde prima el rendimiento a regímenes medios sobre la potencia del motor. Y por otro lado los motores otto con inyección directa de gasolina, ya sea estratificada u homogénea, (Sistemas GDI de Mitsubishi motors, HPI de PSA Peugeot-Citröen, FSI y TSI de VAG Volkswagen-Audi).

    Eficiencia total del ciclo de encendido





    Intercooler en la admisión.
    Sobre un motor típico de encendido por chispa, (Ciclo Otto) el ciclo Miller proporciona un beneficio adicional. El aire de admisión primero es comprimido por el compresor volumétrico, y luego enfriado por un intercooler. Esta temperatura de entrada de aire en el interior del cilindro más baja, junto con la mayor densidad del aire debida a la PREcompresión en el colector de admisión, hace que la temperatura que alcanza la mezcla al final de la carrera de compresión sea considerablemente más baja. Esto da margen al punto de encendido para que salte la chispa sin que llegue a detonar la mezcla o a autoencenderse antes de tiempo, incrementando la eficiencia total del ciclo termodinámico Miller.

    La eficiencia es incrementada al elevar la compresión del motor. En un motor de gasolina común, la relación de compresión varía entre 6.5:1 a 10:1 en automóviles, y se limita a estas cifras ya que altos niveles producirían autoencendido de la mezcla que se comprime por efecto del incremento de la temperatura del gas cuando es comprimido, lo cual en motores de alta compresión se evita usando gasolina de alto octanaje. El tiempo de compresión reducido del ciclo Miller permite que sea posible una compresión total más elevada, obteniendo más rendimiento sin llegar al empleo de gasolinas especiales.

    Sin embargo, los beneficios de la utilización de compresores volumétricos tiene su costo. Entre un 15% y un 20% de la energía generada por un motor sobrealimentado mecánicamente es usualmente requerida para hacer trabajar el propio compresor volumétrico.

    En consecuencia, la eficiencia total del motor resulta de un delicado equilibrio, en el que la energía mecánica consumida por el compresor volumétrico para funcionar no sea mayor que el aumento de rendimiento dentro del motor.

    Invitado
    Invitado

    Re: Motor de explosión

    Mensaje por Invitado el Lun 15 Jul 2013 - 15:16

    Motor de mezcla pobre


    Se denomina motor de mezcla pobre a un motor de combustión interna alternativo en el que no es necesario que la mezcla sea estequiométrica, o sea, que tenga unas proporciones más o menos fijas de aire y combustible, por lo que pueden funcionar con dosados relativos menores a la unidad.

    Una de las grandes pérdidas de energía de los motores de gasolina son las pérdidas por bombeo.

    En los motores de gasolina para dosificar la potencia además de dosificar el combustible se restringe la cantidad de aire que entra en los cilindros mediante una válvula de mariposa o una guillotina.

    Esto obliga al motor a realizar un esfuerzo de succión, lo que produce dichas pérdidas por bombeo. Estas conllevan un mayor consumo de combustible. De hecho el aprovechamiento máximo del combustible se produce al par máximo y con acelerador a fondo.

    Como aumenta la potencia también aumenta el consumo, pero no en la misma medida.

    La necesidad de que la mezcla sea estequiométrica en otros motores se debe a que si la mezcla es demasiado pobre, la chispa no enciende bien la mezcla, y si es demasido rica no se quema todo el combustible. También se encuentra la necesidad de usar mezclas estequimétricas al usar catalizadores de tres vías.

    El motor de mezcla pobre más antiguo que se fabrica actualmente es el motor diésel, que no requiere de chispa para encender el combustible y la combustión no se desarrolla por propagación de un frente de llama, sino por difusión.

    La técnica más utilizada para que la chispa pueda encender la mezcla pobre es la mezcla estratificada. Consiste en tener varias zonas con diferente proporción de mezcla aire/combustible: una más concentrada cerca de la chispa para que prenda y otra alrededor con mucha menos gasolina o prácticamente nada. Las técnicas utilizadas para conseguirlo van desde utilizar un inyector en la cámara de combustión que pulverice el combustible cerca de la bujía hasta una sistema en el que el inyector está en la entrada del cilindro, como es habitual en los motores de gasolina. Mediante estudio por ordenador de la corriente de aire dentro del cilindro, se logra diseñar el motor de modo que la "nube" de combustible generada por el inyector en la entrada del cilindro, pase por la bujía en el momento de saltar la chispa.

    Hay también un proyecto de motor de mezcla pobre homogénea no estratificada, que es una especie de híbrido entre un diésel y un gasolina, el motor HCCI (del inglés Homogeneous charge compression ignition). La mezcla se inyecta durante la fase da admisión como en los gasolina, pero la ignición de la mezcla se produce por compresión como en los diésel. El mayor problema es controlar en qué momento se va producir la explosión.

    En conclusión, un motor de mezcla pobre consume menos pudiendo enriquecer la mezcla cuando se le pide más potencia. Produce menos CO2 pero en cambio produce más NOx al igual que los diésel.

      Fecha y hora actual: Dom 4 Dic 2016 - 15:15