Motores térmicos y sus clasificaciones

República Bolivariana De Venezuela
Ministerio Del Poder Popular Para La Educación Superior
Universidad Politécnica Territorial Del Zulia.
UPTZ – Cabimas. Zulia
Integrantes:
T.S.U. Derwin Perez
C.I. 15.810.905
T.S.U. Eduardo Tineo
C.I.13.129.578
Profesor: MSC. ING José
Ulacio.
Sección: M4EA01
Materia: Generación De
Potencia

DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN
Los motores térmicos transforman la energía térmica producida
al quemar un combustible en energía mecánica(movimiento).
Se clasifican:
• Motores de combustión externa: el combustible se quema fuera
del motor, como en la máquina de vapor, en la turbina de
vapor, etc.
• Motores de combustión interna: el combustible se quema
dentro de la máquina, como en los motores de gasolina y
gasoil (Diesel), en las turbinas de gas y en los motores de
reacción.

ESQUEMA DEL FUNCIONAMIENTO DE UNA MAQUINA
DE VAPOR
En la actualidad se utiliza en las
centrales de producción de energía
eléctrica en la propulsión de los buques,
para las soplantes de los altos hornos .
Estos procesos de cogeneración hacen
que se vayan extendiendo.

MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
El combustible se quema dentro de un cilindro. La presión de los gases
producidos empuja un pistón (o émbolo) El pistón va unido mediante una
biela un cigüeñal, que hace la función de manivela De esta forma se
transforma el movimiento rectilíneo en giratorio.

MOTOR DE COMBUSTIÓN DE 4 TIEMPOS: CICLO OTTO DE
TRABAJO
1er tiempo: Admisión: En el momento que el pistón está en el punto más
alto (PMS), la válvula de admisión se abre y el propio pistón por el vacío que
se crea dentro del cilindro aspira la mezcla (aire y combustible) hasta llegar
al punto más bajo del cilindro (PMI).
2º tiempo: Compresión: Después del ciclo de admisión, el pistón se
encuentra en el punto más bajo (PMI), en este momento la válvula de
admisión se cierra y el pistón empieza a ascender comprimiendo la mezcla
hasta llegar al punto más alto del cilindro (PMS)
3er tiempo: Expansión: Una vez que en la carrera de compresión se ha
comprimido la mezcla, la bujía hace saltar una chispa y enciende la mezcla,
aumentando la presión en el cilindro y haciendo descender el pistón hacia el
punto más bajo (PMI). En esta carrera de expansión es donde se realiza el
trabajo útil.
4º tiempo: Escape de gases: Cuando el pistón llega al punto más bajo (PMI),
(PMI), se abre la válvula de escape y el pistón empieza a ascender
empujando los gases quemados hacia el exterior. En el momento que llega al
punto más alto (PMS) la válvula de escape se cierra

MOTOR DE COMBUSTIÓN DE 2 TIEMPOS: CICLO OTTO
DE TRABAJO
• 1er tiempo: Admisión – compresión: Cuando el pistón está en el punto más bajo, es decir en el Punto Muerto Inferior
(PMI), empieza el proceso de admisión. La lumbrera de admisión deja pasar el carburante (aire y combustible) hacia el
cilindro. Una vez aspirado el carburante el pistón va ascendiendo mientras comprime la mezcla.
• 2º tiempo: Expansión - escape de gases: En el momento que el pistón está en el punto más alto, es decir, el Punto
Muerto Superior (PMS), la bujía (en caso del ciclo Otto) hace saltar una chispa que enciende la mezcla, incrementando
la presión en el cilindro y hace desplazar al pistón hacia abajo. Cuando está a la altura de la lumbrera de escape, la
propia presión de los gases tiende a salir del cilindro, dejando al cilindro vacío para volver a empezar un nuevo ciclo.
•
•

PARTES DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA CICLO
OTTO
block
Junta de Culata
Pistones
Conjunto de pistón,
anillos y
bulón
Culata
Anillo
s
Cámara de
combustión
Árbol de levas
Bielas
Bujía
Válvulas
Carter

PARTES DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
CICLO OTTO
Cigüeñal
Cojinetes
Volante
Motor a gasolina

MOTORES DE ENCENDIDO POR COMPRESIÓN
(DIESEL)
Lo que se comprime en el cilindro es aire(no mezcla combustible). Se comprime al alta presión,
alcanzando muy altas temperaturas (600 ºC).
1er tiempo: Admisión: En el momento que el pistón está en el punto más alto (PMS), la válvula de admisión
se abre y el pistón aspira aire fresco (a diferencia del ciclo Otto de 4 tiempos) hasta llegar al punto más
bajo del cilindro (PMI).
2º tiempo: Compresión: Después del ciclo de admisión, el pistón se encuentra en el punto más bajo (PMI),
en este momento la válvula de admisión se cierra y el pistón empieza a ascender comprimiendo el aire
hasta llegar al punto más alto del cilindro (PMS)
3er tiempo: Expansión: Una vez que en la carrera de compresión se ha comprimido la mezcla, el inyector
se encarga de inyectar el combustible dentro del cilindro. La propia presión del aire enciende la mezcla,
aumenta la presión en el cilindro y desciende el pistón hacia el punto más bajo (PMI). En esta carrera de
expansión es donde se realiza el trabajo útil.
4º tiempo: Escape de gases: Cuando el pistón llega al punto más bajo (PMI), se abre la válvula de escape y
el pistón empieza a ascender empujando los gases quemados hacia el exterior. En el momento que llega al
punto más alto (PMS) la válvula de escape se cierra.
El motor Diesel de 4 tiempos es la máquina térmica más eficiente de todos los tiempos, superando al ciclo
Otto con creces. Ese rendimiento tan alto se consigue que al entrar solo aire, la carrera de compresión
puede ser mucho más eficaz comprimiendo mucho más sin problemas de detonación y realizando más
trabajo. En contrapartida la velocidad máxima del motor está muy limitada, ya que para que se encienda la

MOTORES DE ENCENDIDO POR COMPRESIÓN
(DIESEL)

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA POTENCIA Y
EFICIENCIA
DE LOS MOTORES
• Cilindrada
• Relación de Compresión
• Velocidad de Rotación del motor
• Velocidad del émbolo
• Relación carrera/diámetro

OTRAS FORMAS DE AUMENTAR LA POTENCIA DE LOS
MOTORES
• Turbocompresores
• Sobrealimentadores
• Computadoras programables
• Radiadores para aceite
• Kits de admisión directa
• Reducción de peso de algunos elementos

APLICACIONES DE LOS MOTORES CICLO
DIESEL
Las aplicaciones en la industria ingenieril:
• Maquina agrícola de cuatro tiempos (tractores, cosechadoras).
• Propulsión ferroviaria 2T.
• Propulsión marina de cuatro tiempos hasta una cierta potencia, a partir
de ahí dos tiempos.
• Vehículo de propulsión a oruga.
• Automóviles y camiones (Cuatro tiempos).
• Grupos generadores de energía eléctrica (centrales eléctricas y de
emergencia).
• Accionamiento industrial (bombas, compresores, etc., especialmente de
emergencia).
• Propulsión aérea.

PARÁMETROS A CONSIDERAR EN EL DISEÑO DE UN
MOTOR CICLO OTTO
En las expresiones siguientes, 𝑝 es la presión dentro del cilindro
para una posición dada del cigüeñal; 𝑝0 es la presión bajo el
pistón; 𝑚𝑚 es la masa desbalanceada, con respecto al eje de
rotación de los elementos del cigüeñal asociados a la manivela: 𝑚
𝑚 = 𝑚𝑚𝑏 + 2𝑚𝑐𝜌/𝑅; 𝑚𝑚𝑏 es la masa del muñón de biela; 𝑚𝑐 es la
masa desbalanceada de los conectores de los muñones; 𝜌 es la
distancia entre el eje de rotación y el centro de gravedad de la
masa desbalanceada de los elementos de unión. Los valores de 𝑚
𝑚𝑏, 𝑚𝑐, y 𝜌 pueden determinarse a partir de datos estadísticos de
estas magnitudes según las tendencias en los motores actuales,
como las disponible en bases de datos de fabricantes.
𝑃 = 𝑃𝑔 + 𝑃𝑗; 𝑃: fuerzas sobre el pistón 𝑃𝑗 = −𝑚𝑗𝑅𝜔2(𝑐𝑜𝑠𝜑 + 𝜆𝑐𝑜𝑠2𝜑
); 𝑃𝑗: fuerzas sobre el pistón debidas a las masas en movimiento
alternativo 𝑃𝑔 = 106(𝑃 − 𝑃0)𝐹𝑝; 𝑃𝑔: fuerzas debidas a la presión de
los gases de combustión
𝑆𝑏 = 𝑃/𝑐𝑜𝑠𝜑 : fuerza componente a largo de la biela 𝑁 = 𝑃 𝑡𝑔𝜑 :
fuerza componente transversal. 𝐾 = 𝑃 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝜑 + 𝛽)/𝑐𝑜𝑠𝛽
la presión atmosférica; 𝜌𝑘, la densidad del aire de
sobrealimentación; 𝜌0, la densidad del aire atmosférico; 𝑛𝑘, el
exponente politrópico de compresión; 𝐶, la relación entre el
poder calorífico inferior del combustible y la masa de aire
teóricamente necesaria para la combustión de un kg de

MOTOR CICLO OTTO
• El rendimiento térmico del ciclo en general se valora por la expresión:
El desplazamiento para un solo pistón 𝑉ℎ es obtenido al dividir por el
número de cilindros. El diámetro del cilindro en mm se define por:
Con el modelado de las cargas dinámicas es posible a) conocer la
estructura del mecanismo alternativo y las diferentes soluciones
constructivas según el tipo de motor; b) evaluar las características
cinemáticas y dinámicas del mecanismo manivela – deslizador; c)
determinar los diagramas polares de carga sobre los muñones de apoyo y
de biela del cigüeñal, y d) determinar el par de torsión en el cigüeñal del
motor.
𝑇 = 𝑃 ∙ 𝑠𝑒𝑛(𝜑 + 𝛽)/𝑐𝑜𝑠𝛽

MOTOR CICLO OTTO
Cálculos de un motor de ciclo Otto
El siguiente programa permite realizar algunos cálculos del motor de ciclo Otto, para gasolina y gas natural.
Características de los combustibles
Fórmula química
Relación aire-
combustible
estequiométrica
(AC)
Poder calorífico Hi (kJ/kg)
Gasolina C8H18 15,05263158 44000
Gas natural (metano) CH4 17,16 50050
Características del motor asignado
Relación de compresión (ε) = 6 Cilindros (i) =1
Potencia Máxima (Ne) = 7 HP= 5,2 kW Válvulas = 2
Revoluciones por minuto (rpm) = 4000
Alimentado por
carburador
Cilindrada = 252 cm3
= 0,000252 m3
= Vh * i Combustible: gasolina
Tiempos (t) = 4
Temperatura y presión de la ciudad asignada (Pereira)
Temperatura ambiente = 23 °C = 296 K Presión atmosférica= 86 kPa
Parámetros del aire
Calor específico a volumen constante (Cv) 0,718 kJ/kg.K
Razón de calores específicos k = 1,4
Constante del aire (R) 0,287 kJ/kg.K

MOTOR CICLO OTTO

EJEMPLO DE DISEÑO DE UN MOTOR DIESEL CON TURBO
INTERCOOLER
Potencia: 165 HP Velocidad: 3600rpm Relación de compresión: 11.15 Composición gravimétrica del combustible Carbono:0.87
Hidrogeno:0.126 Oxigeno:0.004 Hu=42.5MJ/kg
Generalidades de la combustión
Coeficiente de exceso de aire = 1.4 (Asumido)
Relación Aire – Combustible: = 14.45217391 Kg de aire/Kg
= 0.494642857 Kmol
Masa Molecular del Aire = 29.2173913
Productos de la Combustión (asumiendo combustión completa): =0.6924999998 Kmol
Desarrollando:
= 0.0725 Kmol = 0.04154999999 Kmol
Para finalmente obtener: =
0.7241249998 Kmol
= 0.063 Kmol = 0.5470749998 Kmol


EJEMPLO DE DISEÑO DE UN MOTOR DIESEL CON
TURBO INTERCOOLER
• Coeficiente teórico de variación molecular
• = 1.04566787
• = 0.526267857 Kmol
= 0.1978571428 Kmol
• = 0.7267638283
= 0.2732361717

TURBO INTERCOOLER
Proceso De Admisión
Como el análisis se realiza en la ciudad del Cusco con 3400 m.s.n.m. Se usara la siguiente tabla para obtener mediante polarización los valores de
presión y densidad. Se asumirá una temperatura ambiente de 15°C.
a
P
PRESION DE ADMISION (

TURBO INTERCOOLER
o
P = 0.06658 MPa ; o
T = 288 °K ; o
 = 0.8262 3
/ m
Kg
Para el compresor del sistema de sobrealimentación:
k
 = 0.75 (Asumido) P a r a mo t o r d ies el (0 ,7 - 0 ,8 )
Sabiendo que cuando se tiene intercooler: 5
.
2
2 

k

k
 = 2.8 (Asumido)
k
P = 0.186424 MPa
k
 = 2.255420054 3
/ m
Kg
Coeficiente de amortización:
(Asumido) P a r a mo t o r d ie s e l (2 .5 - 4 )
Velocidad en la sección de la válvula de admisión:
(Asumido) P a r a mo t o r d ie s e l (5 0 - 1 3 0 )
P
 = 0.00704818756 MPa
a
P = 0.179375812 MPa
o
K
K
o
K
K P
P
P
P



 

k
k
k
RT
P


  5
.
2
2

 ad


s
m
wad /
50

  6
2
2
10
2





 k
ad
ad
w
P 


P
P
P k
a 



TURBO INTERCOOLER
COEFICIENTE DE GASES RESIDUALES ( r
 )
Para motores diésel:
Tr = [700 - 900]ºK , Pr = [1,1 - 1,25]Po y ∆T= [5 - 20] ºK
є 11.15
Tr 800 °K
Pr 0.083225 Mpa
Pa 0.179375812 MPa
To 288 °K
∆T 15 °K
Donde el coeficiente está dado por la ecuación
Reemplazando tenemos: r
 = 0.01644471 Pa r a mo t o r d iés el (0 ,0 1 – 0 ,0 4 )
r
a
r
r
o
r
P
P
P
T
T
T








Coeficiente variación molecular real:
r
 = 1.046483251

INTERCOOLER
TEMPERATURA DE ADMISION ( a
T )
La temperatura al salir del compresor está dada como:
k
T = 419.3362133 °K
To 288 °K
k 1.4
ηk 0.75
πk 2.8














k
k
k
k
O
K T
T

 1
1
1
PRESION Y TEMPERATURA A LA SALIDA DEL INTERCOOLER:
ΔTref 70 °K
ΔPref 0.02941995 MPa
ΔP 0.0704818756 bar
Tk 419.3362133 °K
s
P = 1.83482005 bar 2
/
03
.
0 cm
Kg
P
ref 
 (Pérdidas Hidráulicas)
s
T = 349.336213 °K a
P = 1.760001294 bar
Luego la temperatura de admisión será:
a
T = 377.508425 °K
In t é r v a l o d e c o n f ia n z a Ta [3 2 0 - 4 0 0 ] °K
ref
k
s P
P
P 


ref
k
s T
T
T 


r
r
r
s
a
T
T
T
T








1
P
P
P s
a 



INTERCOOLER
EFICIENCIA TÉRMICA DE LLENADO ( v
 )
Donde: 1
 = coef. de recarga = 0.98 (Asumido)
Reemplazando valores la eficiencia será: v
 = 0.95816103
)
1
(
1
1
r
a
s
s
a
v
T
T
P
P










Proceso De Compresión
= 0.9882419375
= 0.01175806247
 Buscando valores en la compresión
Pa r a mo t o r es so br ea l imen t a d o s
= 1.32 (Asumido)
 Hallando la temperatura de compresión
Tc= 543.68505 °C
 Interpolando los valores de la tabla 2 obtenemos Ua (Kj/Kmol)
Ta( C ) Ua
0 0
84.508425 Ua
100 2015
Ua=1702.84476 kj/kmol
 Interpolando de la tabla 4 obtenemos U"a (Kj/Kmol)
Ta( C ) U"a
0 0
84.508425 U"a
100 2252
U"a=1903.12973 kj/kmol
 Interpolando los valores de la tabla 2 obtenemos Uc (kj/kmol)
Tc( C ) Uc
500 10890
543.68505 Uc
600 15684
Uc=11923.1514 kj/kmol
 Interpolando los valores de la tabla 4 obtenemos U”c (kj/kmol)
Tc( C ) u”c
500 12100
543.68505 U"c
600 14779
U"c=13270.3225 kj/kmol

INTERCOOLER
 Se tienen 2 valores de B, interpolamos para hallar el verdadero valor de n1
B n1
-1696.190892 1.32
0 n1
3244.876869 1.38
1
n = 1.359402943
 La presión al final de la compresión es:
Pc= 4.75808743 MPa
 La temperatura al final de la compresión es:
Tc = 898.090945 °K
E) Proceso De Combustión
La ecuación en términos de q1 y q2 es la siguiente para motores diésel:
 Grado de elevación de presiones
=1.5 (Asumido)
 Hallando la presión en el punto z
Pz= 7.137131145 MPa
P z ma x = (5 - 9 ) M P a
 Energía interna del aire y de los productos de la combustión Uc y U"c:
 Hallando Uc interpolando de la tabla 2 obtenemos Uc (Kj/Kmol)
Tc( C ) Uc
800 18171
898.090945 Uc
900 20708
Uc= 20659.5673 kj/kmol
 Teniendo todo los valores reemplazamos en la ecuación:
R=8,314 KJ/Kg.K
B =
B= -1696.190892 KJ/Kg
 Buscando valores en la compresión
Pa r a mo t o r es s o b r ea l imen t a d o s
= 1.38 (Asumido)
 Hallando la temperatura de compresión
Tc= 670.824176 °C
 Interpolando los valores de la tabla 2 obtenemos Uc (Kj/Kmol)
Tc( C ) Uc
600 13255
670.824176 Uc
700 15684
Uc= 14975.3192 kj/kmol
 Interpolando los valores de la tabla 4 obtenemos U"c (kj/kmol)
Tc( C ) U"c
600 14779
670.824176 U"c
700 17585
U"c=16766.3264 kj/kmol
 Teniendo todo los valores reemplazamos en la ecuación:
R=8,314 KJ/Kg.K
B =
B= 3244.876869 KJ/Kg

TURBO INTERCOOLER
 Hallando U"c interpolando de la tabla 4 obtenemos U”c (Kj/Kmol)
Tc( C ) U"c
800 20390
898.090945 U"c
900 23237
U"c=23140.2873 kj/kmol
 Coeficiente de aprovechamiento de calor
=0.71 (Asumido)
 Poder calorífico del combustible Hu:
Hu= 42500 kj/kg
 Hallando A de la ecuación:
A=74753.18062
 Asumimos el valor de Tz para hallar el valor de Uz y U"z :
Tz= 1700 °C = 1973 °K
Uz= 42203 (Kj/Kmol) Tabla 2
U"z= 48358 (Kj/Kmol) Tabla 4
 Entonces hallamos el valor de B con la ecuación:
B=66007.07777
 Observamos que A>B por lo tanto asumimos un nuevo valor de Tz:
Tz= 2000 °C = 2273 °K
Uz= 50660 (Kj/Kmol) Tabla 2
U"z= 58197 (Kj/Kmol) Tabla 4
B=78517.17872
 Entonces interpolando se tiene:
B Tz
78517.17872 2000
74753.18062 Tz
66007.07777 1700
Tz= 1909.73698 °C
Tz= 2182.73698 °K
 Hallando el grado de expansión:
 = 1.696371759
F) Proceso De Expansión
 Grado de expansión posterior
 = 6.5728517
 Exponente poli trópico de expansión
1.18 (Asumido)
 Coeficiente de aprovechamiento de calor
0.83 (Asumido)
.
 Calculando A:
A= 7155.514204

EJEMPLO DE DISEÑO DE UN MOTOR DIESEL
CON TURBO INTERCOOLER
 Como B es diferente de A se asume un nuevo n2:
n2= 1.28
 Calculamos un nuevo Tb:
Tb=1287.749291 °K = 1014.749291 °C
 Hallando Ub de la tabla 2:
Tb( C ) Ub
1000 23983
1014.749291 Ub
1100 25899
Ub = 24265.5964 (Kj/Kmol)
 Hallando U"b de la tabla 4:
Tb( C ) U"b
1000 26293
856.49472 U"b
1100 29308
U"b = 26737.6911 (Kj/Kmol)
 Calculamos el nuevo valor de B:
B = -661.8577254
 Interpolando valores para hallar el verdadero n2:
B n2
9498.897249 1.18
7155.514204 n2
-661.8577254 1.28
2
n = 1.203063084
 Calculamos Pb
Pb = 0.7408226089 MPa
 Hallamos Uz y U"z para Tz verdadero
 Interpolando de la tabla 2 para Uz:
Tz Uz
1900 47813
1909.73698 Uz
2000 50660
Uz=48090.2118 (KJ/Kmol)
 Interpolando de la tabla 4 para U"z:
Tz U"z
1900 54931
1926.87114 U"z
2000 58197
U"z= 55249.0098 (Kj/Kmol)
 Hallamos Tb:
Tb=1555.269719 °K = 1282.269719 °C
 Hallando Ub de la tabla 2:
Tb( C ) Ub
1200 28554
1282.269719 Ub
1300 31238
Ub=30762.1193 (Kj/Kmol)
 Hallando U"b de la tabla 4:
Tb( C ) U"b
1200 32406
1282.269719 U"b
1300 35504
U"b= 34954.7159 (Kj/Kmol)
 Hallando B de la ecuación:
B = 9498.897249

EJEMPLO DE DISEÑO DE UN MOTOR DIESEL
CON TURBO INTERCOOLER
Parámetros Indicados
 Presión media indicada para diésel:
Pmi=1.60012344 MPa
 Presión media indicada real
=0.94
Pi=1.50411603 MPa
 Consumo especifico indicado de combustible:
gi=93.644794 g/KW-h
 Rendimiento indicado
ni= 0.90454449
H) Parámetros Efectivos
 Hallando la presión media de perdidas mecánicas Pm :
Motores DIESEL sobrealimentados: Vm < 13m/s
Vp= 11 m/s
A= 0.105
B= 0.012
Pm = 0.237 MPa
 Presión media efectiva del ciclo Pe:
Pe =1,26711603 MPa
 Potencia efectiva (KW):

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