1_Tipos Básicos de Motores - funcionamientos

TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Y SU
FUNCIONAMIENTO
Máquinas e Instalaciones Térmicas II Ing. Guillermo A. Pic

De acuerdo a la definición de máquina térmica, teniendo en cuenta el ciclo
de Carnot como referencia y habiendo desarrollado las M.C.E., otros
dispositivos que funcionan entre fuente caliente y fuente fría, convirtiendo
parte de la energía (QE) en trabajo neto (WN), son los motores de
combustión interna (M.C.I.).
TIPOS BÁSICOS DE MOTORES OBJETIVO TÉRMICO
De acuerdo a sus cualidades termodinámicas,
cada uno de ellos tiene cierta eficiencia
térmica, las cuales analizaremos con más
detalle en su momento.
En general desarrollaremos dos tipos de M.C.I.
de acuerdo a ciclos termodinámicos que
explican su funcionamiento termo – mecánico.
Ellos son los motores que según su modo de
operación térmica, pueden explicarse con
ciclos termodinámicos Otto y Diesel.

M.C.I.
De fluido no
condensable
Rotativas
Alternativas
2T y 4T
Turbomáquinas: Turbina de Gas (Ciclo abierto)
Volumétricos: Motores Wankel
Encendido provocado: Motor naftero (Ciclo Otto)
Encendido por compresión: Motor Diesel (Ciclo Diesel)
TIPOS BÁSICOS DE MOTORES CLASIFICACIÓN

Primeros
M.C.I.
Gas como
combustible
• Étienne Lenoir  1860
• Alphonse Beau de Rochas  1862
• Nicolaus Otto  1876
TIPOS BÁSICOS DE MOTORES INICIOS
Encendido
con
electricidad
Encendido
por
compresión
rápida de la
mezcla
• Daimler  1884
Sólido como
combustible
(polvo de carbón)
• Rudolf Diesel  1892
Encendido por
compresión
rápida de Aire

Un motor de combustión interna es una máquina que transforma la energía
interna de una sustancia llamada combustible, en trabajo mecánico en un eje.
TIPOS BÁSICOS DE MOTORES
La energía liberada, se obtiene mediante un proceso de
reacción química exotérmica entre el combustible y el
oxígeno del aire llamada combustión.
El fluido de trabajo es el mismo gas producto de la
combustión.
DEFINICIÓN DE M.C.I.
Cámara de
combustión
Dentro de dicha cámara, la expansión de
los gases “quemados” elevan su presión
y ésta ejerce determinada fuerza sobre
una superficie móvil, desplazándola.
La combustión se lleva a cabo en un
recinto cerrado llamado cámara de
combustión.

TIPOS BÁSICOS DE MOTORES TRANSFORMACIÓN
La superficie desplazada corresponde a la parte superior o “cara” de un
émbolo o pistón.
El émbolo, si la máquina es alternativa, seguirá un movimiento lineal
transformando parte de la energía acumulada en los gases de combustión en
trabajo mecánico.
Pistón
Cara del émbolo

TIPOS BÁSICOS DE MOTORES TRANSMISIÓN
El trabajo realizado por el émbolo, si la máquina es alternativa, transforma el
movimiento lineal del émbolo en rotacional en la salida del eje principal
(cigüeñal) mediante un sistema biela-manivela.

TIPOS BÁSICOS DE MOTORES PROPUESTA MECÁNICA

El siguiente es un ciclo Otto ideal, el cual sólo se logra aproximadamente en
forma real.
Isocora
Isocora
Ws
WE
QS
QE
TIPOS BÁSICOS DE MOTORES CICLO DE 4 TIEMPOS
Motor Ciclo Otto

1
2
2’
3
4
4’
T3=TFC
T1=TFF
Si comparamos ambos ciclos, observaremos las diferencias de áreas entre el
ciclo de Carnot (1-2’-3-4’) y el ciclo Otto ideal (1-2-3-4).
Motor Ciclo Otto
Isoentrópica
Isoentrópica

Motor Ciclo Otto

Bobina
Bobina
Distribuidor
Bujía
Mezcla de
Aire y
Combustible
Motor Ciclo Otto

El siguiente es un ciclo Diesel ideal, el cual se logra aproximadamente en
forma real.
Isobara
Isocora
WE
QS
QE
Motor Ciclo Diesel

Si comparamos ambos ciclos, observaremos las diferencias de áreas entre el
ciclo de Carnot (1-2’-3-4’) y el ciclo Diesel ideal (1-2-3-4).
1
2
2’
3
4
4’
p
V
Motor Ciclo Diesel

Motor Ciclo Diesel

Motor de 2 tiempos

I.C.: Inicio de la combustión.
A.L.E.: Apertura de lumbrera de escape.
A.L.C.: Apertura de lumbrera de carga.
C.L.C.: Cierre de lumbrera de carga.
C.L.E.: Cierre de lumbrera de escape.
CICLO DE 2 TIEMPOS
Motor de 2 tiempos Ciclo Otto
A.L.E.
A.L.C.
L.E.
L.C.
C.L.C.
C.L.E.
I.C.

CICLO OTTO

CICLO DIESEL
ADMISIÓN COMPRESIÓN INYECCIÓN Y
COMBUSTIÓN
ESCAPE Y
ADMISIÓN
Disponen de un compresor que introduce aire a 1Bar aproximadamente para
realizar el barrido y la refrigeración de la cabeza del pistón y del cilindro.

La cilindrada de un motor de un cilindro es el volumen o espacio que queda
comprendido entre el PMS y el PMI, del recorrido del émbolo; o sea es lo que
“respira el motor” (V).
Se expresa en cm3 o en litros y si el motor tiene varios cilindros, se multiplica el
volumen de un cilindro por el número de cilindros que tiene el motor.
El espacio que queda cuando el émbolo llega al PMS se denomina volumen de
la cámara de combustión (Vcc).
El volumen total (V+Vcc)
es 7 a 24 veces mayor
que el volumen de la
cámara de combustión;
y esa relación se
denomina “relación de
compresión
volumétrica”.
TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Cilindrada y relación
de compresión

Un motor diesel necesita mayor relación de compresión volumétrica que un
motor a gasolina.
Ciclo ideal se obtiene como un proceso de adición de calor a presión
constante.
A diferencia del motor a gasolina, un motor diesel sólo succiona aire, lo
comprime y entonces le inyecta combustible al aire comprimido.
La temperatura del aire comprimido logra que se transfiera calor al
combustible, donde el mismo se vaporiza, se mezcla con el aire y se
enciende espontáneamente.
Un motor a gasolina comprime a un porcentaje de 8:1 a 11:1, mientras un
motor diesel comprime a un porcentaje de 14:1 hasta 24:1.
Además podemos definir la relación de presiones o simplemente relación
de compresión (rp) como el cociente entre las presiones máxima y mínima
del ciclo.
de compresión
rp =
pmax
pmin

de compresión

TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Par Motor
El par torsor, torque o momento torsor, estará dado por la fuerza actuante
sobre el émbolo debido a la presión existente en la cámara de combustión y
por el brazo de palanca del codo del cigüeñal.
Dicha fuerza se comunica a la biela y la misma produce el giro del cigüeñal.
El esfuerzo provocado sobre el área del pistón dependerá de diversas causas,
entre las más importantes, la cantidad de gases que ingresa al cilindro.
El llenado del cilindro mejorará según el régimen y el diseño del motor,
mejorando así el par producido en el eje.

Vcc
TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Parámetros geométricos
S : carrera del pistón.
D : diámetro del cilindro.
VD : volumen desplazado.
Vcc : volumen cámara de combustión.
L : longitud biela.
l : longitud manivela.
 : ángulo barrido.
VE : velocidad instantánea del émbolo.
VM : velocidad tangencial de la
manivela del cigüeñal.
VE-M : velocidad relativa émbolo -
manivela.
VE
VM
VE-M
VE-M

TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Relación S/D

El trabajo desarrollado para un desplazamiento elemental ds del punto de
aplicación de la fuerza F que actúa sobre el pistón será:
dW = F.ds = p.Ap.ds = p.dV
Donde:
Ap: Área del pistón.
Ap.ds: incremento elemental de volumen.
Entonces, el trabajo desarrollado entre los estados inicial y final será:
𝑊 = න
𝑖
𝑓
𝑝. 𝑑𝑉
Debido a la complejidad de la determinación de la función que representa a la
presión, se establece un valor medio ideal de presión pm, la cual, de actuar entre
los mismos volúmenes, produciría el mismo trabajo al que realizan las presiones
variables en ese mismo desplazamiento volumétrico.
TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Trabajo y presión media

Entonces:
W = pm.Vcil
El trabajo indicado será:
Wi = pmi.Vcil
pmi: presión media indicada.
El diagrama indicado surge de medir presiones en función de volumen
desplazado en el movimiento del motor sin tener en cuenta las pérdidas
mecánicas.
TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Trabajo y presión media

Motor Ciclo Otto
1-2 Compresión isentrópica
2-3 Adición de calor a volumen constante
3-4 Expansión isentrópica
4-1 Rechazo de calor a volumen constante
Rendimiento Térmico
Sin tomar en cuenta los cambios en las
energías cinética y potencial, el balance de
energía para cualquiera de los procesos se
expresa, por unidad de masa, como:
Para un ciclo es:
෍ 𝑄𝑖 − ෍ 𝑊𝑖 = 𝑄𝑛𝑒𝑡𝑜 − 𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜 = ∆𝑢
𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 + 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑊𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 + 𝑊𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = ∆𝑢
𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 + 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑊𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 + 𝑊𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 0
𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 + 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑊𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 + 𝑊𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

Motor Ciclo Otto
No hay trabajo involucrado durante los dos
procesos de transferencia de calor porque
ambos ocurren a volumen constante. Por lo
tanto, la transferencia de calor hacia y desde el
fluido de trabajo puede expresarse como:
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑢3 − 𝑢2 = 𝑐𝑣. 𝑇3 − 𝑇2
𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = 𝑢1 − 𝑢4 = 𝑐𝑣. 𝑇1 − 𝑇4 = −𝑐𝑣. 𝑇4 − 𝑇1
Entonces, la eficiencia térmica del ciclo de Otto ideal supuesto para el aire
estándar es:
𝜂𝑡𝑒𝑟,𝑂𝑡𝑡𝑜 =
𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
=
𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 + 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
= 1 −
𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
Tener en cuenta que 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 > 0 ; 𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 < 0 y 𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜 > 0.

Motor Ciclo Otto
Sustituyendo y factorizando 𝑇1 y 𝑇2, queda:
𝜂𝑡𝑒𝑟,𝑂𝑡𝑡𝑜 = 1 −
𝑇1 − 𝑇4
𝑇3 − 𝑇2
= 1 −
𝑇1. 𝑇4/𝑇1 − 1
𝑇2. 𝑇3/𝑇2 − 1
Los procesos 1-2 y 3-4 son isoentrópicos, v2 = v3 y v4 = v1. Por lo tanto:
𝑇1
𝑇2
=
𝑣2
𝑣1
𝑘−1
=
𝑣3
𝑣4
𝑘−1
=
𝑇4
𝑇3
Sustituyendo estas ecuaciones en la relación de la eficiencia térmica, y
conociendo la definición de relación de compresión volumétrica, se obtiene:
𝑇1
𝑇2
= 1 −
𝑣2
𝑣1
𝑘−1
1
𝑟𝑐
𝑘−1

La potencia media de un motor es el trabajo realizado por unidad de tiempo
será:
𝑁𝑚𝑒𝑑 = 𝑊/t ; [Watt]
Donde, el trabajo realizado en una vuelta del cigüeñal es:
𝑊 = 𝜏. 𝜃 = 𝐹. 𝑟. 2. 𝜋 ; [N.m]
Donde: 𝐹. 𝑟 es el Par o torque (𝜏) y 𝜃 el ángulo barrido, (2 [rad] = una vuelta).
También se puede expresar la potencia instantánea como: 𝐹. 𝑣inst en movimiento
lineal o en movimiento rotacional:
𝑁𝑖𝑛𝑠𝑡 = 𝜏. 𝜔𝑖𝑛𝑠𝑡 ; [Watt]
Unidades:
En Sistema Internacional: W ó KW.
Otras unidades: CV, HP, etc.
Conversión:
1CV = 0,736 KW ó 1KW = 1,36 CV.
TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Potencia

La potencia entregada por un motor alternativo de combustión interna,
dependerá de la frecuencia ( f ) con que se repite el ciclo de trabajo del fluido
activo.
Entonces, la potencia entregada al pistón (potencia indicada) será:
Ni = Wi . f = pmi . f . Vcil
f : número de ciclos completados por segundo y está determinado por la velocidad
de rotación del eje motor (RPS).
𝑓 =
𝑛
𝑡. 60
Donde t =1 para motores de 2 tiempos y t =2 para motores de 4 tiempos. Y n: RPM
Entonces:
𝑁𝑖 =
𝑝𝑚𝑖. 𝑉𝑐𝑖𝑙. 𝑛
60. 𝑡
TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Potencia Indicada

El trabajo efectivo resultará descontándole el trabajo de fricción al trabajo
indicado:
We = Wi – Wroz
O bien:
𝑁𝑒 =
𝑝𝑚𝑒. 𝑉𝑐𝑖𝑙. 𝑛
60. 𝑡
pme: presión media efectiva; resulta de: pme = pmi . hmec.
Otra forma de hallar la potencia efectiva:
We= WN . hter . hi . hm
Además:
Ne = We . G
Donde:
G: caudal o gasto másico de mezcla (A/F), en kg/s.
TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Potencia Efectiva

De acuerdo a ensayos realizados en máquinas especiales para tal fin, se
determinarán los valores de torque mediante frenado del MCI y tendremos:
Ne = t . w
TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Potencia Efectiva
Par (N.m)
Potencia
DETERMINACIÓN DE POTENCIA EN UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA.

TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Rendimiento Volumétrico
Se denomina rendimiento volumétrico a la relación entre la cantidad real de
aire que ingresa al cilindro del motor en la carrera de admisión y la cantidad
que ingresaría si el motor siguiera un ciclo ideal.
Este rendimiento puede aumentar cuando el motor es sobrealimentado.
𝜂𝑣 =
𝑚𝑟𝑒𝑎𝑙
𝑚𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙

TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Consumo Específico
Es el consumo de combustible por unidad de potencia efectiva y tiempo de
funcionamiento.
El consumo de un motor suele medirse en litros de combustible por cada
100Km, ó Km recorridos por litro de combustible consumido; pero cuando se
prueba un motor en un banco de ensayo, el consumo específico es el que se
tiene en cuenta.
Se suele medir en:
g
CV . h
ó
g
KW. min

Para mejorar el rendimiento del motor, las válvulas
de admisión y escape no se abren y cierran en los
puntos muertos superior e inferior, se modifican sus
tiempos de apertura y cierre.
La combustión no es instantánea, sino que demora
un cierto tiempo en producirse, pero con las
velocidades que adquiere el émbolo hace que sea
necesario modificar el instante en que se produce la
chispa de encendido.
El comportamiento de un motor durante sus fases o tiempos de trabajo no se realiza con la
exactitud del ciclo teórico supuesto, hay factores que hacen que el trabajo desarrollado sea
menor.
La mezcla Aire/Combustible (A/F) no ingresa al
cilindro de forma instantánea, el llenado no es
perfecto a la presión atmosférica, hay pérdidas de
calor y no se consiguen las presiones teóricas
expuestas (son ligeramente inferiores). La superficie
útil del diagrama indicador en el ciclo práctico es
inferior a la del teórico.
TIPOS BÁSICOS DE MOTORES CICLO OTTO 4T REAL

Durante el tiempo de admisión, el llenado del cilindro no se produce a la presión
atmosférica, sino con un valor menor.
El recorrido de los gases está sujeto a roces en las paredes del múltiple o colector de
admisión (pérdidas de carga), que hacen que el llenado no sea perfecto y que la presión
en el cilindro esté por debajo de la atmosférica.
Para remediar en parte estas pérdidas,
la válvula de admisión se abre antes
de que el pistón llegue al PMS (AAA),
unos 20° aproximadamente de giro
del cigüeñal. La mezcla comienza a
entrar antes al cilindro.
Luego existe un retraso al cierre de la
válvula de admisión (RCA), por inercia
los gases siguen entrando luego de
que el pistón pasó el PMI.

Con el objeto de aprovechar al
máximo la expansión de los gases, se
produce la chispa unos grados antes
de que el pistón llegue al PMS
(avance del encendido: AE).
Unos 10° de avance en marcha y
unos 25° a 30° en aceleración.
La chispa de encendido debe lograrse antes de que el pistón llegue al PMS del tiempo
de compresión.
Hay que considerar que la combustión no es instantánea. Al producirse la chispa,
comienza la reacción química en zonas cercanas a la bujía. El frente de llama avanza
hacia las capas más alejadas.

Actualmente a lo que se apunta es al
adelanto del cierre de la válvula de
escape tratando de disminuir el
solape (las dos válvulas abiertas a la
vez)
En general en todos los motores el avance de apertura de la válvula de escape (AAE),
es entre 18° y 37°de giro del cigüeñal.
También se produce un retraso del cierre de la válvula de escape (RCE) para lograr la
evacuación total de los gases quemados.

Motor Ciclo Otto

La ubicación de los puntos de apertura y cierre tiene la misma justificación
que los avances y retardos en aperturas y cierres de las válvulas en
motores de 4 tiempos.
CICLO OTTO 2T REAL

Motor de 2 tiempos
CICLO OTTO 2T REAL
AE
AAE
AAA
RCA
RCE

TIPOS BÁSICOS DE MOTORES CICLO DIESEL 4T REAL
Motor Ciclo Diesel
A.A.A.
R.C.E.
A.I.
A.A.E.
R.C.A.
Barrido
Admisión

TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Componentes

TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Cilindro y Block

TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Tapa de Cilindros

TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Múltiple de Admisión

TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Múltiple de Escape

TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Émbolo o Pistón

TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Biela

TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Cigüeñal

TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Cárter

TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Árbol de levas

TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Válvulas

TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Distribución
Motor ciclo Otto

TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Distribución
Motor ciclo Diesel

Motores
sobrealimentados
En la carrera de admisión de los motores alternativos, es difícil que los
mismos logren un alto grado de llenado de cilindros debido a la presión
atmosférica existente.
Esto puede mejorar (aumento del grado de llenado) utilizando un compresor
que logre aumentar la presión de admisión por encima de la presión
atmosférica.
La sobrealimentación
permite: compensar
las deficiencias en la
aspiración natural y
aumentar la potencia
desarrollada respecto
a la que el motor
desarrollaría sin
sobrealimentación.

TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Motores Rotativos
Motor Wankel

TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Motores Rotativos
Turbinas de gas

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