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CAPÍTULO 14 
Motores
INTRODUCCIÓN 
Recién llegamos al capítulo que a todos los 
ingenieros mecánicos nos gusta, los 
MOTORES !!...que los encontraremos por 
millones en todo el mundo (en EEUU circulan 
actualmente 145 millones de autos) y que los 
utilizamos diariamente; estudiaremos los 
motores a gasolina y a petróleo 
principalmente (ciclos Otto y Diesel), pero 
también estos motores pueden funcionar con 
gas, aire caliente o las mezclas de varios 
combustibles. 
Aprenderemos a diseñar los motores y a 
seleccionarlos según nuestras necesidades. 
Finalmente conoceremos un poquito sobre 
algunas tecnologías que tenemos en nuestros 
automóviles que siempre es bueno conocerlos, 
tales como el carburador, el embrague, la 
caja de cambios, la dirección.
ESQUEMA DE UN MOTOR A COMBUSTION INTERNA
INDICE 
Introducción 
Esquema de un Motor de Combustión Interna 
14.1 Ciclo Motores de Combustiòn Interna 
14.2 Ciclo Otto de 4 tiempos 
14.3 Ciclo Otto de 2 tiempos 
14.4 Ciclo Diesel de 4 tiempos 
14.5 Ciclo Diesel de 2 tiempos 
14.6 Ciclo Dual o Mixto 
14.7 Ciclo Wankel 
14.8 Ciclo Stirling 
14.9 Nomenclatura de Motores 
14.10 Curiosidades de esta tecnología 
Sistema de Refrigeración 
Embrague 
Caja de Cambios 
Dirección 
Frenos 
Problemas
14.1 CICLO MOTORES DE COMBUSTION INTERNA 
COMBUSTIBLE 
TIPO 
NUMERO DE 
TIEMPOS 
APLICACIONES 
2T 
BARCOS 
PETROLEO 
DIESEL 2 
4T 
CAMIONES 
2T 
MOTOS 
GASOLINA 
84 
OCTANOS 
90 SP 
95 
97 
4T 
AUTOS 
OTROS: 
H2 (COMBUSTIBLE DEL FUTURO) 
Este ciclo usa aire 
como portador de 
energía, por lo tanto 
solamente 
trabajaremos con 
fórmulas de gases 
ideales.
¿Dónde se utilizan estos ciclos ? 
Primer automóvil, Karl Benz - Alemania 
1886 - Velocidad 13 km/h. 
Motor de Volskwagen en Lab. Energìa 
PUCP 
Motor Ford T, 1914. 
En 1924 Ford había fabricado 10 millones de 
autos 
Motor Diesel 120 kW - Lab Energìa PUCP
Mini Minor - 1958, Tracción delantera, 
motor transversal 
Récord 24 personas en el interior 
Motocicleta Honda CB750, 1967 
Ferrari , Italia - Fórmula 1 
Ganó 8 veces el Campeonato del 
mundo entre 1961 y 1983 
Motor Ultraligero, 1990
CORTE DE UN MOTOR A GASOLINA DE 4 TIEMPOS 
CICLO OTTO DE CUATRO TIEMPOS: 
Todos los motores a gasolina usan 
bujías para dar chispa en el momento de 
la combustión. 
La General Motors en Detroit, EEUU. 
construye unos 2 millones de coches al 
año. 
Para el 2025 se planea que hayan 
carreteras que alberguen 1,000 millones 
de vehículos.
COMBUSTIBLES 
Rendimiento Medio de los combustibles 
Combustible Cantidad que produce 1kW-h considerando 
el rendimiento medio de la máquina 
Carbón 
Petróleo residual 5 y 6 
Petróleo Diesel 2 y 4 
Gasolina 
Gas Natural 
Gas Licuado 
Bagazo 
1.02kg 
0.45 l 
0.29 l 
0.50 l 
0.32 m3 * 
0.37 m3 * 
2 a 5 kg ** 
(*) A 15°C y a 760mm de Hg 
(**) Dependiendo de la humedad y de la composición. 
El número de octanos 
(OCTANAJE) indica la 
capacidad 
ANTIDETONANTE !!! 
del combustible en las 
gasolinas. En el 
petróleo es el número 
de cetanos 
(CETANAJE)
13.3 Compresores 
La gasolina de 95 octanos 
(95 SP) quiere decir que no 
tiene plomo en su 
composición, por lo que se le 
llama la gasolina ecológica. El 
plomo puede producir cáncer 
pues el organismo no lo 
absorbe. 
Principales características de los combustibles: 
COMBUSTIBLE 
GRAVEDAD 
ESPECIFICA 
A 15.5 °C 
DENSIDAD 
g/dm3 
PODER 
CALORÍFICO 
kcal/kg 
Petróleo Diesel 1 
Petróleo Diesel 2 
Petróleo Diesel 4 
Petróleo Residual 5 
Petróleo Residual 6 
Petróleo Crudo HCT 
Petróleo Crudo LCT 
Carbón del Alto 
Chicama 
Carbón del Santa 
Gas de Talara 
Gas de Aguaytia 
Bagazo 
0.8251 
0.8498 
0.8708 
0.9218 
0.9529 
0.8398 
0.8498 
- 
- 
- 
- 
- 
829 
853 
875 
925 
955 
845 
853 
- 
- 
- 
- 
- 
10950 * 
10850 * 
10800 * 
10363 * 
10235 * 
10900 * 
10850 * 
6570 
5300 
8900 * 
8450 
2300 a 4600 ** 
(*) Fuente PETROPERU 
(**) El poder calorífico del bagazo depende del % de celulosa y humedad que este contenga.
Arreglo de cilindros de Combustión Interna 
Motor de 6 cilindros en 
línea (Ford Motors Co.) 
Motor Transversal V-6 
de 2.8 litros, tracción 
delantera - Chevrolet
CICLO OTTO IDEAL de 4 tiempos 
1.CICLO OTTO (MOTORES A GASOLINA) 
Aplicaciones: 
-Transporte vehicular. 
-Motocompresores. 
-Motobombas. 
-Pequeños grupos electrógenos. 
También se les llama motores de 
mezcla, pues la gasolina y el aire 
ya entran mezclados al motor (en 
el carburador)
a)Motor de 4 tiempos: 
1er Tiempo: ADMISIÓN. 
La mezcla de gasolina y aire 
entran al motor debido a 
que el pistón crea una 
succión al bajar. En esta 
etapa la masa es variable y 
la presión disminuye un poco 
menos que la presión 
atmosférica. 
El cigüeñal da media vuelta 
de giro.
2do Tiempo: COMPRESIÓN 
Eleva la temperatura de la mezcla. 
PMS : Punto Muerto Superior 
PMI : Punto Muerto Inferior. 
La masa es constante y se 
produce la compresión de la 
mezcla, aumentándose la 
presión y la temperatura. 
De este tiempo depende la 
eficiencia del motor. 
La presión aumenta hasta que el 
pistón llega al punto máximo superior 
(llamado PMS - punto muerto 
superior) 
Relación de Presiones r k = P2/P1
3er Tiempo: EXPANSION 
m (constante) 
Salta la chispa: COMBUSTIÓN 
Relación de Compresión: r k 
En los motores a gasolina el r k varía entre 
6:1 a 12:1. 
Gasolina (Octanaje) 
Octanaje: Capacidad antidetonante. 
Suponer mayor presión a mayor octanaje. 
r k = (Vm + Vc )/Vm 
Se alcanza mayores rendimientos cuando la relación de presiones es 
mayor, por lo que también es necesario usar combustibles que 
“aguanten” más la compresión, por eso se aumenta el octanaje en las 
gasolinas. 
(ver pág.13)
4to Tiempo: EXPULSIÓN 
Esta etapa solamente sirve 
para expulsar los gases de 
combustión que están en el 
motor. 
La masa varía. 
También se le llama etapa de 
escape o descarga.
DIAGRAMA P -v CICLO OTTO REAL 
El diagrama P-v real del ciclo se saca 
del Osciloscopio donde podemos 
apreciar el ciclo verdadero dentro del 
motor. Para estudiar más fácilmente 
nosotros lo acondicionamos a un ciclo 
teórico ideal, pero manteniendo el 
mismo trabajo técnico (área dentro 
del ciclo P-v real). 
Para evitar cualquier error al hacer 
este cambio, es que consideramos un 
Factor de Diagrama fD que corrige 
cualquier defecto. 
Wi = fD x W teórico
RENDIMIENTO TERMICO: (ηth) 
    
Q = Q = m PC = m c (T - 
T ) 
c (2 3 ) c a v 3 2 
  
Q = m c (T - 
T ) 
(4 1) a v 4 1 
  
h  
æ 
- ´ 
æ 
- ´ 
- 
å 
ö 
æ 
= ÷ ÷ø 
k 1 
k 
Además : 
æ 
= 
V 
V 
3 
4 
2 
4 
2 
1 
Q Q 
( 2 - 3 ) ( 4 - 
1) 
1 1 
T 
k 1 
k 
2 
4 
T 
T 
ö 
k 1 
- 
2 
V 
1 
t 
k 1 
1 
3 
4 
3 
T 
1 
2 
k 1 
k 
k 1 
2 
1 
3 
4 
3 
4 
3 
4 
2 
4 
th 
T - 
T 
4 1 
3 2 
(4 1) 
Q 
- 
(2 3 ) 
( 2 3 ) 
( 2 3 ) 
th 
r 
T 
T 
T 
T 
T 
T 
r 
1 
V 
V 
T 
T 
r 
V 
T 
T 
T 
T 
T 1 
T 
T 
T 1 
1 
T T 
1 
Q 
1 
Q 
Q 
W 
t 
- 
- 
- - 
- 
- 
- 
- 
- 
= = 
ö 
= ÷ ÷ø 
ç çè 
ö 
ç çè æ 
= 
= ÷ ÷ø 
ç çè 
= - 
÷ ÷ø 
÷ ÷ø ö 
ç çè 
ç çè 
= - 
- 
= - = - 
- 
= = 
h 
 
 
 
 
1 1- h = - 
k 1 
k 
th 
r
14.3 Relación de Compresión rk 
En la fase de Compresión 
es cuando se trata de 
llegar a aumentar la 
presión solamente con el 
pistón. 
A mayor rk el 
rendimiento del motor 
aumenta. 
En esta figura la relación de 
compresión r k sería V1 entre V2.
Para Disenar un motor debemos definir cual es la relacion de presiones 
que se debe escoger; esto es muy importante pues de esa decision se 
construiran miles de motores. Tenemos que decidir tambien cual sera 
el uso del motor, para segun ello elegir el mejor rk, a menudo se 
sacrifica el rendimiento en favor de un menor consumo de 
combustible, tal es el caso de disenar taxis o vehiculos pequenos. 
Para los carros de carrera debemos elegir el de mayor rendimiento.
Ciclo Otto de 2 tiempos 
FASES DEL CICLO DE 2 TIEMPOS PARA UN MOTOR CON VÁLVULA DE ESCAPE 
(Motor de Motocicleta) 
Diferencias : 
Solamente tiene una vàlvula que hace 
las veces de vàlvula de admisiòn y 
escape. 
Se usa en los motores lentos y en los 
muy pequeños.
En la figura podemos apreciar 
que el motor hace todos los 
tiempos que un motor de 4 
tiempos, pero el cigueñal 
solamente hace esto en UNA 
SOLA VUELTA !!!. 
Se tiene problemas mecánicos 
en la fase de admisión, pues - 
como es muy rápido el ciclo - no 
se puede separar exactamente 
la cantidad de combustible que 
pueda salirse por la válvula.
CARBURADOR 
Ciclo Otto
El carburador sirve para 
gasificar el combustible y lo 
hace a traves de una pequena 
tobera- Funciona como los 
rociadores de agua, o los 
flits, o los pulverizadores de 
pintura. 
Solo se usan en los ciclos 
otto porque los motores 
diesel inyectan directamente 
el combustible dentro del 
motor. 
No vayas a buscar un 
carburador en un motor 
petrolero !!
1. MOTOR DIESEL: (PETROLEO) 
Aplicaciones: 
- Transporte vehicular. 
- Propulsión fluvial 
- Propulsión naval. 
- Centrales Térmicas.
Motor a cuatro tiempos: 
- 1er Tiempo: ADMISIÓN 
Sólo entra aire (no existe carburador) 
- 2do Tiempo: COMPRESIÓN 
Eleva la temperatura a una mayor que la de la combustión del combustible. 
No existe bujía. 
- 3er Tiempo: INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE 
Combustión. 
- 4to Tiempo: EXPULSIÓN O ESCAPE. 
Eliminan gases del cilindro. 
CETANO: capacidad antidetonante. 
El funcionamiento es similar al ciclo Otto, solamente cambia 
en la fase de la inyecciòn del combustible. Ahora serà un 
proceso isobàrico en lugar de un proceso isocòrico. 
dq = du + p dv = dh - v dp 
Como la presiòn es constante usaremos la segunda igualdad y 
dq = dh = m (h - h )
El funcionamiento es similar al ciclo Otto, 
solamente cambia en la fase de la inyección 
del combustible. Ahora será un proceso (no 
hay sugerencias0.) en lugar de un proceso 
isocórico. 
dq = du + p dv = dh - v dp 
Como la presión es constante usaremos la 
segunda igualdad y dq = dh = m (h - h)
  
Q Q 
(2 - 3 ) ( 4 - 
1) 
Q 
å 
Q 
W 
(2 3 ) 
(2 3 ) 
th 
  
Q = m c (T - 
T ) 
( 2 - 
3 ) a p 3 2 
Q = m c (T - 
T ) 
( 4 1) a v 4 1 
- 
= = 
- 
- 
- 
  
 
 
 
h 
ö 
÷ ÷ ÷ 
ø 
æ 
ç ç ç 
k 
a 
r 1 
1 1 
= - - k( r 1) 
è 
- 
- 
r 
a 
k 1 
k 
th h 
(Relación de admisión) 
V 
= 
V 
V 
donde : 
r 
(Relación de compresión) 
V 
r 
1 
3 
2 
a 
2 
k 
=
En el diagrama p -v real del ciclo 
podemos apreciar varias curvas; 
estas dependen de si el motor es 
rápido o lento. Pero el diagrama p-v 
ideal o teórico sigue siendo de la 
misma forma !! 
algunos motores tienen una 
pequeña bujía para el arranque del 
motor, pero que una vez que el 
ciclo se inicia deja de trabajar. 
En la figura inferior se muestra el 
probador de inyectores del 
laboratorio de energía de la PUCP
CICLO DIESEL DE DOS TIEMPOS: (BARCOS) 
Este caso es similar al ciclo 
Otto, pero también se tiene 
el factor de la relación de 
admisión como parámetro.
TURBO COMPRESOR 
Se utiliza para aumentar la 
eficiencia en los motores, 
especialmente los de 
petróleo. Sirven para 
introducir mayor cantidad de 
aire en el motor y por lo 
tanto podemos introducir 
mas combustible, entonces el 
calor suministrado 
aumentara, por lo tanto 
también el trabajo técnico.
14.7 Ciclo Dual o Mixto 
1.CICLO DUAL: (Mixto: Gasolina y gas) 
Si las presiones superiores, por razones de orden 
constructivo o de técnica de combustión (detonación) 
resultan muy altas, entonces se hace que el encendido 
tenga lugar más tarde, por lo que la combustión no sólo 
transcurre isócora, sino también, isóbaramente, debido a 
la rapidez creciente del pistón. 
( 4 1) 
Q Q Q 
- 
+ - 
- - - 
th Q Q 
( 2 3 ) ( 3 4 ) 
( 2 3 ) ( 3 4 ) ( 4 1) 
( 2 3 ) (3 4 ) 
sum sum 
Q 
1 
Q Q 
Q 
Q 
Q 
W 
- - 
- - 
+ 
= - 
+ 
= = = å å h 
ö 
÷ ÷ ÷ 
ø 
æ 
ç ç ç 
r 1 
1 1 
= - - ( 1) k ( r 1) 
th a a 
è 
- 
- + - 
r 
a 
k 
a 
k 1 
k 
a 
h 
V 
1 
2 
k 
4 
3 
a 
P 
3 
2 
V 
r 
V 
V 
r 
P 
Donde : 
a = = =
En realidad este ciclo se 
asemeja mas a los ciclos 
reales. 
Si juntáramos el punto 2 
con el 3 tendríamos un ciclo 
Diesel y, si juntamos el 
punto 3 con el 4 tendremos 
un ciclo Otto. 
Ya existen en el Peru los autos que 
utilizan gasolina y gas 
alternativamente, depende del 
conductor pues solamente tiene que 
accionar un switch para decidir en 
que momento usa cualquier tipo de 
combustible. Cuando llegue el gas 
de Camisea a Lima esta puede ser 
una solución al problema del 
transporte.
14.10 Ciclo Wankel 
Este motor fue creado por el inventor alemán Félix 
Wankel, en 1954. Recién actualmente se tienen unos 
500,000 automóviles en todo el mundo. Es mejor 
que los motores a pistón, por ejemplo un motor de 
pistón V-8 de 195 HP tiene 1029 piezas, pesa 600 lb 
y ocupa 15 ft3; mientras que un motor Wankel de la 
misma potencia tiene 633 piezas, pesa 237 libras y 
ocupa 5 ft3. Además, no tiene válvulas !. 
Opera como el ciclo Otto de 4 tiempos. 
El nombre matemático de la forma de la cámara es 
epitrozoide. 
No tuvo mucho éxito debido a los problemas en el 
diseño del sello del ápice que se usaba para sellar 
los compartimientos, ahora con los nuevos 
materiales cerámicos se soluciona este problema. 
El Mazda RX-7 es el único auto comercial que usa 
este motor giratorio.
Creditos: Pietro Hadzich http://www.webdelfiat.com.ar
Creditos: Pietro Hadzich http://www.webdelfiat.com.ar
14.11 Ciclo Stirling Los Motores Stirling pueden ser la 
solución del futuro. En estos motores no 
se mezcla el combustible con el aire, 
están completamente separados, es decir 
son motores de aire caliente propiamente 
dichos, 
Entonces, tiene la ventaja que el calor 
puede ser suministrado por cualquier cosa 
que se queme, puede ser cualquier 
combustible, leña, carbón, etc y se puede 
usar hasta basura, energía solar y 
cualquier cosa que de calor.
La combustión 
es externa por 
lo que podemos 
quemar todo lo 
que queramos !!.
Están investigando en corazones 
artificiales usando este tipo de 
motor, solamente con el calor del 
cuerpo...y la otra temperatura sería 
el ambiente...
Factor de Diagrama: (FD) 
Es la relación entre el área del diagrama indicado y el área del diagrama teórico, es decir es la 
relación entre el trabajo indicado y el correspondiente trabajo neto del ciclo teórico o de 
comparación. 
1 
= i( real ) < 
W 
W 
FD 
neto( teórico ) 
Presión media indicada (Pmi) o Presión Media Efectiva (Pme) 
Presión constante hipotética, que actuando durante la carrera de expansión, realizaría un 
trabajo equivalente al trabajo indicado. 
W 
= = 
V 
Pmi 
W 
neto 
V 
Pme 
i 
c 
c 
Si FD = 1, Pme = 
Pmi
 
Potencia Indicada: (Wi ) 
Es la potencia realmente entregada por los gases en el motor. Se determina usualmente por la 
presión media indicada. 
W  = Pmi ´ V = Pmi ´p 
LD 
4 
2 
i c 
 
Potencia al freno: (Wf ) 
También denominada potencia al eje, es la potencia entregada por el motor al eje de salida; es 
igual a la potencia indicada disminuida en las pérdidas mecánicas. Esta potencia se determina 
mediante los ¨dinamómetros¨. 
 
Wf =Wi ´hm =T ´w
Los dinamómetros 
tratan de frenar el eje 
y como eso te levanta 
puedes conocer la 
fuerza (peso) y por 
distancia (tu brazo) 
tendremos el torque. 
Las revoluciones por 
minuto RPN se miden 
con los tacómetros o 
con los estroboscopios 
(como las luces de las 
discotecas) sin tener 
que haber contacto con 
el eje. Motor de Combustión interna en el 
Lab, de Energía, se puede observar el 
torquímetro que mide directamente 
el Torque del eje de los motores.
Eficiencia Mecánica: 
Es la relación entre la potencia al freno y la potencia indicada. 
f 
i 
 
W 
 
h = 
m W 
Si FD 1 
f 
t 
 
W 
m W 
 
= 
= 
h 
Esta es la 
FÓRMULA que da 
la potencia de 
TODO EL MOTOR !! 
Potencia Técnica Total:(Wt  
) 
W  = m ´ w ´ 2 ´ RPM 
t a i ´ Z 
Donde: 
60 
T 
P V 
1 1 
a RT 
1 
m =
Eficiencia Volumétrica: 
Es la relación entre la masa del aire aspirada por cilindro y la masa del aire que, en las 
condiciones ambientes entraría en el volumen de desplazamiento. 
V 
1 
h = Donde: 
c 
v V 
m RT 
a 1 
P 
= 
V D L 
4 
V 
2 
c 
1 
1 
=p 
Consumo específico de combustible: 
Es la relación entre el consumo de combustible y la potencia. Se expresa usualmente en 
kg/kW-h. 
 
m 
g  
å = 
t 
c 
e W 
Porcentaje de Volumen muerto: 
c 1 
c 
cV V 
c c 
cV 
V 
m 
V V 
m c 
V 
r 
= 
V 
c 
c 
m 
k 
c 
= + 
+ 
= 
+ 
= 
r c 1 k 
= + 
c
14.6 Curiosidades de esta tecnología
A mayor diferencia de 
temperatiuras en un 
ciclo su rendimiento es 
mayor (recordemos a 
Carnot); por eso 
tratamos de bajarle lo 
mas posible el calor 
evacuado, por eso 
usamos el radiador. 
Los volskwagen tipo 
escarabajo no tienen 
radiadores, solamente 
refrigeran por aire.
Embrague 
Sirve para 
desconectar el 
motor - que 
siempre esta 
funcionando - del 
carro mismo.
Caja de Cambios 
Sirve para 
cambiar la 
velocidad del 
carro, en realidad 
intercambia el 
torque con la 
velocidad para 
tener una misma 
potencia.
1.- En un motor ideal a gasolina se obtuvieron los siguientes datos: rk = 9, T1 = 27° C, P1 = 1bar, 
z = 4 cilindros, 103 RPM, 2 tiempos, L = 12cm, D = 10cm, relación de aire-combustible: ma / 
mc = 16, Poder Calorífico, PC = 40000kJ/kg. Se pide: 
a) La potencia desarrollada por el motor (kW) 
b) Consumo específico de combustible (kg/kW-h) 
c) Calor del combustible (kW) 
d) Eficiencia (%)
2.Un motor Diesel tiene una relación de compresión de 18 y el cierre de la inyección de 
combustible ocurre al 10% de la carrera; si la presión y la temperatura del aire al inicio 
de la compresión son 1 bar y 27° C, determinar: 
a) El calor suministrado al ciclo, en kJ/kg. 
b) La temperatura del aire al final de la expansión. 
c) La eficiencia térmica del ciclo, en %. 
d) Si el volumen de desplazamiento es de 400cm3 y el motor es monocilíndrico, 
determinar el diámetro y la carrera del pistón en cm, si D/L = 0.8
3.Se tiene un motor de combustión interna de las siguientes características: 
Motor de 2 tiempos y de 10 cilindros. 
L = 50cm 
D = 40cm 
Presión Media Indicada (pmi) = 10 bar. 
n = 500 rpm. 
Eficiencia Mecánica = 80% 
Eficiencia Térmica = 40% 
Poder Calorífico = 40 MJ/kg. 
Se pide calcular el consumo específico de combustible en kg/kW-hr.
4.Se tiene dos ciclos: OTTO y DIESEL. Grafique en un mismo diagrama P-v y en un mismo 
diagrama T-s, los ciclos mencionados y determine cual de ellos es más eficiente para las 
condiciones dadas a continuación: 
a)Igual estado inicial, igual temperatura y presión máxima. 
b)Igual estado inicial. Igual presión máxima e igual trabajo neto.
5.En un motor ideal de explosión se obtuvieron los siguientes datos: 
Relación de compresión: 9-T1 = 27° C-P1 = 1 bar-4 cilindros-n = 1000 rpm-2 tiempos 
L = 12 cm-D = 18 cm-Relación aire /combustible = 40 MJ /kg. 
Se pide determinar: 
a)La potencia desarrollada por el motor en kW. 
b)El consumo específico de combustible, en kg /kW-hr. 
c)El calor suministrado al ciclo, en kW. 
d)La eficiencia térmica del ciclo, en %.
6.El consumo específico de combustible al freno de un motor Diesel es de 0.3348kg 
/kW-hr, con un combustible cuyo poder calorífico es de 44MJ/kg. y una eficiencia 
mecánica de 80%. 
Determinar: 
a)La eficiencia térmica indicada, en %. 
b)La presión media indicada, si la relación aire combustible es de 18, la eficiencia 
volumétrica es de 82% y al inicio de la compresión las condiciones del aire son; 1 bar y 
18° C.
7.Se tiene un motor Diesel que desarrolla una potencia de 10MW, se pide determinar el 
diámetro y la carrera del pistón, en cm. Si se conocen los siguientes datos: 
n = 500rpm 
relación aire /combustible = 18 
eficiencia mecánica = 90% 
condiciones ambientales : 1bar y 20° C. 
Motor de 4 tiempos. 
Poder Calorífico = 45.6MJ /kg. 
Densidad del combustible = 0.85 kg /litro 
Eficiencia Térmica del ciclo = 40% 
Eficiencia Volumétrica = 80%

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Termodinámica del motor otto

  • 2. INTRODUCCIÓN Recién llegamos al capítulo que a todos los ingenieros mecánicos nos gusta, los MOTORES !!...que los encontraremos por millones en todo el mundo (en EEUU circulan actualmente 145 millones de autos) y que los utilizamos diariamente; estudiaremos los motores a gasolina y a petróleo principalmente (ciclos Otto y Diesel), pero también estos motores pueden funcionar con gas, aire caliente o las mezclas de varios combustibles. Aprenderemos a diseñar los motores y a seleccionarlos según nuestras necesidades. Finalmente conoceremos un poquito sobre algunas tecnologías que tenemos en nuestros automóviles que siempre es bueno conocerlos, tales como el carburador, el embrague, la caja de cambios, la dirección.
  • 3. ESQUEMA DE UN MOTOR A COMBUSTION INTERNA
  • 4. INDICE Introducción Esquema de un Motor de Combustión Interna 14.1 Ciclo Motores de Combustiòn Interna 14.2 Ciclo Otto de 4 tiempos 14.3 Ciclo Otto de 2 tiempos 14.4 Ciclo Diesel de 4 tiempos 14.5 Ciclo Diesel de 2 tiempos 14.6 Ciclo Dual o Mixto 14.7 Ciclo Wankel 14.8 Ciclo Stirling 14.9 Nomenclatura de Motores 14.10 Curiosidades de esta tecnología Sistema de Refrigeración Embrague Caja de Cambios Dirección Frenos Problemas
  • 5. 14.1 CICLO MOTORES DE COMBUSTION INTERNA COMBUSTIBLE TIPO NUMERO DE TIEMPOS APLICACIONES 2T BARCOS PETROLEO DIESEL 2 4T CAMIONES 2T MOTOS GASOLINA 84 OCTANOS 90 SP 95 97 4T AUTOS OTROS: H2 (COMBUSTIBLE DEL FUTURO) Este ciclo usa aire como portador de energía, por lo tanto solamente trabajaremos con fórmulas de gases ideales.
  • 6.
  • 7. ¿Dónde se utilizan estos ciclos ? Primer automóvil, Karl Benz - Alemania 1886 - Velocidad 13 km/h. Motor de Volskwagen en Lab. Energìa PUCP Motor Ford T, 1914. En 1924 Ford había fabricado 10 millones de autos Motor Diesel 120 kW - Lab Energìa PUCP
  • 8. Mini Minor - 1958, Tracción delantera, motor transversal Récord 24 personas en el interior Motocicleta Honda CB750, 1967 Ferrari , Italia - Fórmula 1 Ganó 8 veces el Campeonato del mundo entre 1961 y 1983 Motor Ultraligero, 1990
  • 9. CORTE DE UN MOTOR A GASOLINA DE 4 TIEMPOS CICLO OTTO DE CUATRO TIEMPOS: Todos los motores a gasolina usan bujías para dar chispa en el momento de la combustión. La General Motors en Detroit, EEUU. construye unos 2 millones de coches al año. Para el 2025 se planea que hayan carreteras que alberguen 1,000 millones de vehículos.
  • 10.
  • 11. COMBUSTIBLES Rendimiento Medio de los combustibles Combustible Cantidad que produce 1kW-h considerando el rendimiento medio de la máquina Carbón Petróleo residual 5 y 6 Petróleo Diesel 2 y 4 Gasolina Gas Natural Gas Licuado Bagazo 1.02kg 0.45 l 0.29 l 0.50 l 0.32 m3 * 0.37 m3 * 2 a 5 kg ** (*) A 15°C y a 760mm de Hg (**) Dependiendo de la humedad y de la composición. El número de octanos (OCTANAJE) indica la capacidad ANTIDETONANTE !!! del combustible en las gasolinas. En el petróleo es el número de cetanos (CETANAJE)
  • 12. 13.3 Compresores La gasolina de 95 octanos (95 SP) quiere decir que no tiene plomo en su composición, por lo que se le llama la gasolina ecológica. El plomo puede producir cáncer pues el organismo no lo absorbe. Principales características de los combustibles: COMBUSTIBLE GRAVEDAD ESPECIFICA A 15.5 °C DENSIDAD g/dm3 PODER CALORÍFICO kcal/kg Petróleo Diesel 1 Petróleo Diesel 2 Petróleo Diesel 4 Petróleo Residual 5 Petróleo Residual 6 Petróleo Crudo HCT Petróleo Crudo LCT Carbón del Alto Chicama Carbón del Santa Gas de Talara Gas de Aguaytia Bagazo 0.8251 0.8498 0.8708 0.9218 0.9529 0.8398 0.8498 - - - - - 829 853 875 925 955 845 853 - - - - - 10950 * 10850 * 10800 * 10363 * 10235 * 10900 * 10850 * 6570 5300 8900 * 8450 2300 a 4600 ** (*) Fuente PETROPERU (**) El poder calorífico del bagazo depende del % de celulosa y humedad que este contenga.
  • 13. Arreglo de cilindros de Combustión Interna Motor de 6 cilindros en línea (Ford Motors Co.) Motor Transversal V-6 de 2.8 litros, tracción delantera - Chevrolet
  • 14. CICLO OTTO IDEAL de 4 tiempos 1.CICLO OTTO (MOTORES A GASOLINA) Aplicaciones: -Transporte vehicular. -Motocompresores. -Motobombas. -Pequeños grupos electrógenos. También se les llama motores de mezcla, pues la gasolina y el aire ya entran mezclados al motor (en el carburador)
  • 15. a)Motor de 4 tiempos: 1er Tiempo: ADMISIÓN. La mezcla de gasolina y aire entran al motor debido a que el pistón crea una succión al bajar. En esta etapa la masa es variable y la presión disminuye un poco menos que la presión atmosférica. El cigüeñal da media vuelta de giro.
  • 16. 2do Tiempo: COMPRESIÓN Eleva la temperatura de la mezcla. PMS : Punto Muerto Superior PMI : Punto Muerto Inferior. La masa es constante y se produce la compresión de la mezcla, aumentándose la presión y la temperatura. De este tiempo depende la eficiencia del motor. La presión aumenta hasta que el pistón llega al punto máximo superior (llamado PMS - punto muerto superior) Relación de Presiones r k = P2/P1
  • 17. 3er Tiempo: EXPANSION m (constante) Salta la chispa: COMBUSTIÓN Relación de Compresión: r k En los motores a gasolina el r k varía entre 6:1 a 12:1. Gasolina (Octanaje) Octanaje: Capacidad antidetonante. Suponer mayor presión a mayor octanaje. r k = (Vm + Vc )/Vm Se alcanza mayores rendimientos cuando la relación de presiones es mayor, por lo que también es necesario usar combustibles que “aguanten” más la compresión, por eso se aumenta el octanaje en las gasolinas. (ver pág.13)
  • 18. 4to Tiempo: EXPULSIÓN Esta etapa solamente sirve para expulsar los gases de combustión que están en el motor. La masa varía. También se le llama etapa de escape o descarga.
  • 19. DIAGRAMA P -v CICLO OTTO REAL El diagrama P-v real del ciclo se saca del Osciloscopio donde podemos apreciar el ciclo verdadero dentro del motor. Para estudiar más fácilmente nosotros lo acondicionamos a un ciclo teórico ideal, pero manteniendo el mismo trabajo técnico (área dentro del ciclo P-v real). Para evitar cualquier error al hacer este cambio, es que consideramos un Factor de Diagrama fD que corrige cualquier defecto. Wi = fD x W teórico
  • 20. RENDIMIENTO TERMICO: (ηth)     Q = Q = m PC = m c (T - T ) c (2 3 ) c a v 3 2   Q = m c (T - T ) (4 1) a v 4 1   h  æ - ´ æ - ´ - å ö æ = ÷ ÷ø k 1 k Además : æ = V V 3 4 2 4 2 1 Q Q ( 2 - 3 ) ( 4 - 1) 1 1 T k 1 k 2 4 T T ö k 1 - 2 V 1 t k 1 1 3 4 3 T 1 2 k 1 k k 1 2 1 3 4 3 4 3 4 2 4 th T - T 4 1 3 2 (4 1) Q - (2 3 ) ( 2 3 ) ( 2 3 ) th r T T T T T T r 1 V V T T r V T T T T T 1 T T T 1 1 T T 1 Q 1 Q Q W t - - - - - - - - - = = ö = ÷ ÷ø ç çè ö ç çè æ = = ÷ ÷ø ç çè = - ÷ ÷ø ÷ ÷ø ö ç çè ç çè = - - = - = - - = = h     1 1- h = - k 1 k th r
  • 21. 14.3 Relación de Compresión rk En la fase de Compresión es cuando se trata de llegar a aumentar la presión solamente con el pistón. A mayor rk el rendimiento del motor aumenta. En esta figura la relación de compresión r k sería V1 entre V2.
  • 22. Para Disenar un motor debemos definir cual es la relacion de presiones que se debe escoger; esto es muy importante pues de esa decision se construiran miles de motores. Tenemos que decidir tambien cual sera el uso del motor, para segun ello elegir el mejor rk, a menudo se sacrifica el rendimiento en favor de un menor consumo de combustible, tal es el caso de disenar taxis o vehiculos pequenos. Para los carros de carrera debemos elegir el de mayor rendimiento.
  • 23. Ciclo Otto de 2 tiempos FASES DEL CICLO DE 2 TIEMPOS PARA UN MOTOR CON VÁLVULA DE ESCAPE (Motor de Motocicleta) Diferencias : Solamente tiene una vàlvula que hace las veces de vàlvula de admisiòn y escape. Se usa en los motores lentos y en los muy pequeños.
  • 24. En la figura podemos apreciar que el motor hace todos los tiempos que un motor de 4 tiempos, pero el cigueñal solamente hace esto en UNA SOLA VUELTA !!!. Se tiene problemas mecánicos en la fase de admisión, pues - como es muy rápido el ciclo - no se puede separar exactamente la cantidad de combustible que pueda salirse por la válvula.
  • 26. El carburador sirve para gasificar el combustible y lo hace a traves de una pequena tobera- Funciona como los rociadores de agua, o los flits, o los pulverizadores de pintura. Solo se usan en los ciclos otto porque los motores diesel inyectan directamente el combustible dentro del motor. No vayas a buscar un carburador en un motor petrolero !!
  • 27. 1. MOTOR DIESEL: (PETROLEO) Aplicaciones: - Transporte vehicular. - Propulsión fluvial - Propulsión naval. - Centrales Térmicas.
  • 28. Motor a cuatro tiempos: - 1er Tiempo: ADMISIÓN Sólo entra aire (no existe carburador) - 2do Tiempo: COMPRESIÓN Eleva la temperatura a una mayor que la de la combustión del combustible. No existe bujía. - 3er Tiempo: INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE Combustión. - 4to Tiempo: EXPULSIÓN O ESCAPE. Eliminan gases del cilindro. CETANO: capacidad antidetonante. El funcionamiento es similar al ciclo Otto, solamente cambia en la fase de la inyecciòn del combustible. Ahora serà un proceso isobàrico en lugar de un proceso isocòrico. dq = du + p dv = dh - v dp Como la presiòn es constante usaremos la segunda igualdad y dq = dh = m (h - h )
  • 29. El funcionamiento es similar al ciclo Otto, solamente cambia en la fase de la inyección del combustible. Ahora será un proceso (no hay sugerencias0.) en lugar de un proceso isocórico. dq = du + p dv = dh - v dp Como la presión es constante usaremos la segunda igualdad y dq = dh = m (h - h)
  • 30.   Q Q (2 - 3 ) ( 4 - 1) Q å Q W (2 3 ) (2 3 ) th   Q = m c (T - T ) ( 2 - 3 ) a p 3 2 Q = m c (T - T ) ( 4 1) a v 4 1 - = = - - -      h ö ÷ ÷ ÷ ø æ ç ç ç k a r 1 1 1 = - - k( r 1) è - - r a k 1 k th h (Relación de admisión) V = V V donde : r (Relación de compresión) V r 1 3 2 a 2 k =
  • 31. En el diagrama p -v real del ciclo podemos apreciar varias curvas; estas dependen de si el motor es rápido o lento. Pero el diagrama p-v ideal o teórico sigue siendo de la misma forma !! algunos motores tienen una pequeña bujía para el arranque del motor, pero que una vez que el ciclo se inicia deja de trabajar. En la figura inferior se muestra el probador de inyectores del laboratorio de energía de la PUCP
  • 32. CICLO DIESEL DE DOS TIEMPOS: (BARCOS) Este caso es similar al ciclo Otto, pero también se tiene el factor de la relación de admisión como parámetro.
  • 33. TURBO COMPRESOR Se utiliza para aumentar la eficiencia en los motores, especialmente los de petróleo. Sirven para introducir mayor cantidad de aire en el motor y por lo tanto podemos introducir mas combustible, entonces el calor suministrado aumentara, por lo tanto también el trabajo técnico.
  • 34. 14.7 Ciclo Dual o Mixto 1.CICLO DUAL: (Mixto: Gasolina y gas) Si las presiones superiores, por razones de orden constructivo o de técnica de combustión (detonación) resultan muy altas, entonces se hace que el encendido tenga lugar más tarde, por lo que la combustión no sólo transcurre isócora, sino también, isóbaramente, debido a la rapidez creciente del pistón. ( 4 1) Q Q Q - + - - - - th Q Q ( 2 3 ) ( 3 4 ) ( 2 3 ) ( 3 4 ) ( 4 1) ( 2 3 ) (3 4 ) sum sum Q 1 Q Q Q Q Q W - - - - + = - + = = = å å h ö ÷ ÷ ÷ ø æ ç ç ç r 1 1 1 = - - ( 1) k ( r 1) th a a è - - + - r a k a k 1 k a h V 1 2 k 4 3 a P 3 2 V r V V r P Donde : a = = =
  • 35. En realidad este ciclo se asemeja mas a los ciclos reales. Si juntáramos el punto 2 con el 3 tendríamos un ciclo Diesel y, si juntamos el punto 3 con el 4 tendremos un ciclo Otto. Ya existen en el Peru los autos que utilizan gasolina y gas alternativamente, depende del conductor pues solamente tiene que accionar un switch para decidir en que momento usa cualquier tipo de combustible. Cuando llegue el gas de Camisea a Lima esta puede ser una solución al problema del transporte.
  • 36. 14.10 Ciclo Wankel Este motor fue creado por el inventor alemán Félix Wankel, en 1954. Recién actualmente se tienen unos 500,000 automóviles en todo el mundo. Es mejor que los motores a pistón, por ejemplo un motor de pistón V-8 de 195 HP tiene 1029 piezas, pesa 600 lb y ocupa 15 ft3; mientras que un motor Wankel de la misma potencia tiene 633 piezas, pesa 237 libras y ocupa 5 ft3. Además, no tiene válvulas !. Opera como el ciclo Otto de 4 tiempos. El nombre matemático de la forma de la cámara es epitrozoide. No tuvo mucho éxito debido a los problemas en el diseño del sello del ápice que se usaba para sellar los compartimientos, ahora con los nuevos materiales cerámicos se soluciona este problema. El Mazda RX-7 es el único auto comercial que usa este motor giratorio.
  • 37.
  • 38. Creditos: Pietro Hadzich http://www.webdelfiat.com.ar
  • 39. Creditos: Pietro Hadzich http://www.webdelfiat.com.ar
  • 40. 14.11 Ciclo Stirling Los Motores Stirling pueden ser la solución del futuro. En estos motores no se mezcla el combustible con el aire, están completamente separados, es decir son motores de aire caliente propiamente dichos, Entonces, tiene la ventaja que el calor puede ser suministrado por cualquier cosa que se queme, puede ser cualquier combustible, leña, carbón, etc y se puede usar hasta basura, energía solar y cualquier cosa que de calor.
  • 41. La combustión es externa por lo que podemos quemar todo lo que queramos !!.
  • 42. Están investigando en corazones artificiales usando este tipo de motor, solamente con el calor del cuerpo...y la otra temperatura sería el ambiente...
  • 43. Factor de Diagrama: (FD) Es la relación entre el área del diagrama indicado y el área del diagrama teórico, es decir es la relación entre el trabajo indicado y el correspondiente trabajo neto del ciclo teórico o de comparación. 1 = i( real ) < W W FD neto( teórico ) Presión media indicada (Pmi) o Presión Media Efectiva (Pme) Presión constante hipotética, que actuando durante la carrera de expansión, realizaría un trabajo equivalente al trabajo indicado. W = = V Pmi W neto V Pme i c c Si FD = 1, Pme = Pmi
  • 44.  Potencia Indicada: (Wi ) Es la potencia realmente entregada por los gases en el motor. Se determina usualmente por la presión media indicada. W  = Pmi ´ V = Pmi ´p LD 4 2 i c  Potencia al freno: (Wf ) También denominada potencia al eje, es la potencia entregada por el motor al eje de salida; es igual a la potencia indicada disminuida en las pérdidas mecánicas. Esta potencia se determina mediante los ¨dinamómetros¨.  Wf =Wi ´hm =T ´w
  • 45. Los dinamómetros tratan de frenar el eje y como eso te levanta puedes conocer la fuerza (peso) y por distancia (tu brazo) tendremos el torque. Las revoluciones por minuto RPN se miden con los tacómetros o con los estroboscopios (como las luces de las discotecas) sin tener que haber contacto con el eje. Motor de Combustión interna en el Lab, de Energía, se puede observar el torquímetro que mide directamente el Torque del eje de los motores.
  • 46. Eficiencia Mecánica: Es la relación entre la potencia al freno y la potencia indicada. f i  W  h = m W Si FD 1 f t  W m W  = = h Esta es la FÓRMULA que da la potencia de TODO EL MOTOR !! Potencia Técnica Total:(Wt  ) W  = m ´ w ´ 2 ´ RPM t a i ´ Z Donde: 60 T P V 1 1 a RT 1 m =
  • 47. Eficiencia Volumétrica: Es la relación entre la masa del aire aspirada por cilindro y la masa del aire que, en las condiciones ambientes entraría en el volumen de desplazamiento. V 1 h = Donde: c v V m RT a 1 P = V D L 4 V 2 c 1 1 =p Consumo específico de combustible: Es la relación entre el consumo de combustible y la potencia. Se expresa usualmente en kg/kW-h.  m g  å = t c e W Porcentaje de Volumen muerto: c 1 c cV V c c cV V m V V m c V r = V c c m k c = + + = + = r c 1 k = + c
  • 48. 14.6 Curiosidades de esta tecnología
  • 49. A mayor diferencia de temperatiuras en un ciclo su rendimiento es mayor (recordemos a Carnot); por eso tratamos de bajarle lo mas posible el calor evacuado, por eso usamos el radiador. Los volskwagen tipo escarabajo no tienen radiadores, solamente refrigeran por aire.
  • 50. Embrague Sirve para desconectar el motor - que siempre esta funcionando - del carro mismo.
  • 51. Caja de Cambios Sirve para cambiar la velocidad del carro, en realidad intercambia el torque con la velocidad para tener una misma potencia.
  • 52.
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  • 55. 1.- En un motor ideal a gasolina se obtuvieron los siguientes datos: rk = 9, T1 = 27° C, P1 = 1bar, z = 4 cilindros, 103 RPM, 2 tiempos, L = 12cm, D = 10cm, relación de aire-combustible: ma / mc = 16, Poder Calorífico, PC = 40000kJ/kg. Se pide: a) La potencia desarrollada por el motor (kW) b) Consumo específico de combustible (kg/kW-h) c) Calor del combustible (kW) d) Eficiencia (%)
  • 56. 2.Un motor Diesel tiene una relación de compresión de 18 y el cierre de la inyección de combustible ocurre al 10% de la carrera; si la presión y la temperatura del aire al inicio de la compresión son 1 bar y 27° C, determinar: a) El calor suministrado al ciclo, en kJ/kg. b) La temperatura del aire al final de la expansión. c) La eficiencia térmica del ciclo, en %. d) Si el volumen de desplazamiento es de 400cm3 y el motor es monocilíndrico, determinar el diámetro y la carrera del pistón en cm, si D/L = 0.8
  • 57. 3.Se tiene un motor de combustión interna de las siguientes características: Motor de 2 tiempos y de 10 cilindros. L = 50cm D = 40cm Presión Media Indicada (pmi) = 10 bar. n = 500 rpm. Eficiencia Mecánica = 80% Eficiencia Térmica = 40% Poder Calorífico = 40 MJ/kg. Se pide calcular el consumo específico de combustible en kg/kW-hr.
  • 58. 4.Se tiene dos ciclos: OTTO y DIESEL. Grafique en un mismo diagrama P-v y en un mismo diagrama T-s, los ciclos mencionados y determine cual de ellos es más eficiente para las condiciones dadas a continuación: a)Igual estado inicial, igual temperatura y presión máxima. b)Igual estado inicial. Igual presión máxima e igual trabajo neto.
  • 59. 5.En un motor ideal de explosión se obtuvieron los siguientes datos: Relación de compresión: 9-T1 = 27° C-P1 = 1 bar-4 cilindros-n = 1000 rpm-2 tiempos L = 12 cm-D = 18 cm-Relación aire /combustible = 40 MJ /kg. Se pide determinar: a)La potencia desarrollada por el motor en kW. b)El consumo específico de combustible, en kg /kW-hr. c)El calor suministrado al ciclo, en kW. d)La eficiencia térmica del ciclo, en %.
  • 60. 6.El consumo específico de combustible al freno de un motor Diesel es de 0.3348kg /kW-hr, con un combustible cuyo poder calorífico es de 44MJ/kg. y una eficiencia mecánica de 80%. Determinar: a)La eficiencia térmica indicada, en %. b)La presión media indicada, si la relación aire combustible es de 18, la eficiencia volumétrica es de 82% y al inicio de la compresión las condiciones del aire son; 1 bar y 18° C.
  • 61. 7.Se tiene un motor Diesel que desarrolla una potencia de 10MW, se pide determinar el diámetro y la carrera del pistón, en cm. Si se conocen los siguientes datos: n = 500rpm relación aire /combustible = 18 eficiencia mecánica = 90% condiciones ambientales : 1bar y 20° C. Motor de 4 tiempos. Poder Calorífico = 45.6MJ /kg. Densidad del combustible = 0.85 kg /litro Eficiencia Térmica del ciclo = 40% Eficiencia Volumétrica = 80%