Mci mec299 -cap1.1

16/03/2011
1
Motores de Combustión Interna
MEC299
Ingeniería Mecánica
1
Programa
1.1.1.- Reseña histórica
1.1.2.- Clasificación y campos de aplicación
1.1.3.- Esquema básico y nomenclatura del motor
1.1.4.- Ciclos de funcionamiento de 2 y 4 tiempos
Capitulo 1.1 : Introducción
2

16/03/2011
2
Que es un MCI?
3
1.1 Introducción (1)
1.1.1.- Reseña Histórica
Los orígenes de los motores de combustión interna son muy remotos. Especialmente si se
consideran los inicios o precedentes de algunos componentes de los motores, imprescindibles
para su funcionamiento como tales.
Considerados como máquinas completas y funcionales, y productoras de energía mecánica,
hay algunos ejemplos de motores antes del siglo XIX. A partir de la producción comercial de
petróleo a mediados del siglo XIX (1850) las mejoras e innovaciones fueron muy importantes.
A finales de ese siglo (XIX) había una multitud de variedades de motores usados en todo tipo
de aplicaciones.
En la actualidad los motores de combustión interna, a pesar de los problemas asociados
(crisis energéticas, dependencia del petróleo, contaminación del aire, aumento de los niveles
de CO2,...) son todavía imprescindibles y se fabrican según diseños muy diferentes y una
gama muy amplia de potencias que va desde pocos vatios hasta miles de kW.
4

16/03/2011
3
Precedentes (1).-
•Prehistoria. El pistón fogón se usaba en el Sureste de Asia y en las islas del Pacífico para
encender el fuego, aprovechando la compresión adiabática del aire en un cilindro de madera
y un pistón.
•Siglo III dC: Sistema biela-manivela empleado en el molino de agua de una serrería. Este
mecanismo es básico en muchos motores.
•S. XIII: los cohetes de pólvora negra (motores cohete, de combustión interna) fueron usados
por los chinos, mongoles y árabes.
5
1.1.1.-Reseña Histórica
Precedentes (2).-
•1509: Leonardo da Vinci describe un motor "atmosférico".
•1680: El inventor Christian Huygens haga experimentos con un motor de pólvora negra.
•1772: Antoine Laurent Lavoisier determina la composición del aire atmosférico,
explicando que era una mezcla de oxígeno y de nitrógeno ("ázoe" en francés). La mayoría
de motores de combustión funcionan con aire atmosférico y, por tanto, conocer su
composición es fundamental.
•1780: Alessandro Volta inventa una pistola de juguete que dispara un tapón de corcho
por la explosión de una mezcla de aire y hidrógeno inflamada por una chispa eléctrica.
•1790: Antoni de Martí i Franquès presentó una memoria de sus experimentos sobre la
composición del aire, mejorando la precisión de Lavoisier.
•1791: John Barber propone una turbina en su solicitud de la British patente # 1833 ("A
Method for Rising Inflammable Air for the Purposes of Producing Motion and Facilitating
Metallurgical Operations").
•1798: El sultán Tippu, gobernante de Mysore (India) hace el primer uso documentado de
cohetes de hierro contra soldados británicos.
6

16/03/2011
4
Primeros motores construidos (1).-
•1807: Nicéphore Niépce instala un motor Pyréolophore en una barca y navega por el río
Saona. El motor iba con una mezcla de musgo, carbón en polvo y resina. Obtiene la patente el
28 de julio de 1807 por parte del emperador Napoleon Bonaparte.
•1807: El ingeniero suizo François Isaac de Rivaz construye un motor de combustión interna
propulsado por una mezcla de oxígeno y hidrógeno, con ignición por chispa eléctrica.
•1823: Samuel Brown patenta el primer motor de combustión interna aplicado en la
industria. Era "atmosférico" (sin compresión) y se basaba en el "ciclo de Leonardo"-según
Hardenberg-, con una tecnología ya anticuada en aquella época.
•1824: El físico francés Sadi Carnot publicó la teoría termodinámica de los motores térmicos.
Con la justificación teórica de la necesidad de una compresión de los gases para aumentar la
diferencia entre las temperaturas de trabajo superior e inferior. Y el incremento del
rendimiento asociado.
•1826: El americano Samuel Morey obtiene una patente para un motor de gasolina o vapor
sin compresión.
7
Primeros motores construidos (2).-
•1832: El francés Hyppolyte Pixii construye una dínamo con un imán permanente (que de
hecho era una " magneto "). La magneto y sistemas derivados ("platos magnéticos") se
usarían después en motores de aviación, automóviles de competición y motocicletas.
•1838: El inglés William Barnet obtiene una patente para un motor con compresión. Primera
referencia documentada de una compresión en el interior del cilindro de un motor.
•1854-1857: Los italianos Eugenio Barsanti y Felipe Matteucci inventan un motor de 4
cilindros en línea. La patente parece perdida.
•1856: El italiano Pietro Benini construye un prototipo de motor con una potencia de 5 CV. En
los años siguientes fabrica motores de uno o dos cilindros más potentes usados en
aplicaciones estáticas en sustitución de máquinas de vapor.
8

16/03/2011
5
Innovaciones a partir de 1860 (1).-
•1860: El belga Jean Joseph Etienne Lenoir fabrica un motor
de combustión interna similar a un motor de vapor de doble
efecto con cilindro horizontal. Con cilindros, pistones, bielas y
volante. Fue el primer motor que fue construido en
cantidades importantes. Su motor tenia 5% de eficiencia
mecánica.
•1860: Philander y Francis Roots patentar un compresor
volumétrico, que pronto fue aplicado a la sobrealimentación
de motores.
•1861: Primera patente confirmada de un motor de 4
tiempos, a cargo de Alphonse Beau de Rochas. Un año antes
parece que Christian Reithmann había hecho un motor
similar pero no se puede confirmar a falta de una patente
concreta.
•1862: El alemán Nikolaus Otto empieza a fabricar un motor
de gas. Se trataba del motor sin compresión de Lenoir con un
pistón libre. 9
•1863: Nikolaus Otto, patenta en Inglaterra y otros países el
primer motor de gas con ciclo de 4 tiempos (a compresión)
diseñado en colaboración con Eugene Langen y lo empieza
a fabricar en 1864.
•1864:Nikolaus Otto fue el primero en fabricar y vender un
motor de gas. Se trataba del motor sin compresión con un
pistón libre con un buen rendimiento en su época. En la
exposición Universal de París de 1867, el jurado le da el
primer premio, dado que tiene unas prestaciones mucho
más altas comparándolo con el de Lenoir que no es de
compresión. Funcionaba con un mecanismo de piñón
cremallera como se puede apreciar en la figura. Tuvo un
gran éxito en el mercado de pequeños motores
estacionarios.
10

16/03/2011
6
•1876: Nikolaus Otto, en colaboración con Gottlieb Daimler y
Wilhelm Maybach, perfeccionó el motor con ciclo de 4 tiempos.
Los tribunales alemanes no le concedieron la exclusiva de
motores con compresión ni del ciclo de 4 tiempos. A partir de
esta decisión la compresión en los motores se generalizó.
•1879: Karl Benz patentó un motor de 2 tiempos basado en la
tecnología del motor de 4 tiempos de Beau de Rochas.
Posteriormente diseñó y construyó un motor de 4 tiempos
según ideas propias. Motor que montó en sus automóviles.
Desarrollado en el 1885 fue patentado en 1886. Fueron los
primeros automóviles fabricados.
•1882: James Atkinson patentó el motor con ciclo Atkinson, que
ofrecía una fase de potencia por cada revolución con volúmenes
diferentes de aspiración y expansión.
•1885: Gottlieb Daimler patentó un compresor volumétrico.
11
•1891: Herbert Akroyd Stuart, inventor y fabricante de motores semi-
diesel (motores de bulbo caliente, con ignición por compresión) que
empleaban un sistema de inyección de combustible a presión
•1892: Rudolf Diesel, patento su primer motor de combustión interna.
•1896: Karl Benz. Motor "boxer".
•1896: Lanchester "boxer“.
•1897: Lo que sería ganador de un premio Nobel, el sueco Nils Gustaf
Dalén propuso una turbina de gas.
•1900: Rudolf Diesel expuso su motor en la Exposición Universal. El
aceite de cacahuete era el combustible.
Un motor diesel
construido por MAN
(1906)
12

16/03/2011
7
•1900: Wilhelm Maybach diseñó un motor según
especificaciones de Emil Jellinek, para ser fabricado
en la fábrica de Daimler Motoren Gessellschaft . El
motor se llamó Daimler-Mercedes por el nombre
de la hija del señor Jellinek. Automóviles con este
motor fueron construidos desde 1902.
•1901: George Herbert Skinner. Carburador SU .
•1905: Alfred Buchi patentó el turbo-compresor y
en fabricó algunos.
•1905: Cameron Waterman patenta un motor de
fuera de borda de 4 tiempos. En 1907 fabricó
unos 24. Los cinco años siguientes vendió miles de
unidades.
13
•1908: Hans Holzwarth investiga de forma práctica en una turbina basada en el ciclo Otto. La
combustión se producía a volumen constante y, a igualdad de materiales, debía tener más
rendimiento que las turbinas de ciclo Brayton. En 1927 había alcanzado un rendimiento del 13%.
•1908: Comienza la fabricación del automóvil Ford T, con un motor de 4 cilindros.
•1912: Peugeot ganó las 500 millas de Indianápolis con un motor de 4 cilindros en línea y 2
árboles de levas en culata, de 4.600 cc de cilindrada.[
Motor de un Ford T, de 4 cilindros, 2.896 cc. Con
válvulas laterales y 20 CV/15kW (fabricado desde
1908 )
14

16/03/2011
8
Innovaciones desde la Primera Guerra Mundial hasta el final de la Segunda (1).-
1914: Motor Hispano Suiza para aviones, modelo 8A.
1916: Auguste Rateau sugirió usar los gases de escape del motor para accionar compresores y
mejorar las prestaciones de los motores de aviación a gran altitud.
1923: Tatra. Motor 2 cilindros enfriado por aire.
Motor Hispano Suiza 8A
Avión de combate Spad S. XIII con
motor Hispano Suiza 8B (1916) 15
•1925: El sueco Jonas Hesselman presentó un motor de gasolina con inyección directa de
combustible.
•1925: Clessie L. Cummins . Patente de un inyector de combustible.
•1925: Wilhelm Pape patentó un motor de volumen constante.
•1927: Bomba de inyección Bosch, de tipo mecánico para gasóleo y destinada a motores diesel.
•1927: Prueba de un turbocompresor de eje único en la Royal Aircraft Establishment, con álabes
de sección aerodinámica (tipo ala de avión).
16

16/03/2011
9
Innovaciones desde la Primera Guerra Mundial hasta el final de
la Segunda (3).-
1928: Raul Pateras, marqués de Pescara y residente en
Barcelona, patentó un motor de pistones libres.
1929: Wright R-975. Motor de 9 cilindros en estrella, enfriado
por aire.
1929: Frank Wittle publicó sus ideas sobre motores de reacción.
1929: Patente para una válvula con sodio en el interior. Desde
1910 había habido varios intentos de mejorar el enfriamiento de
las válvulas, con diseños de válvulas vacías y llenas de mercurio.
El uso del sodio fue un progreso importante que se ha
mantenido hasta la época actual.
1930: Frank White patentó el motor a reacción.
1931: Tatra. Motor V12 enfriado por agua.
Motor de pistones libres
Pescara funcionando
como generador de gases
calientes para accionar
una turbina.
17
•1933: Heraclio Alfaro. Patente de un motor con árbol central y cilindros en disposición de
“revólver” actuando sobre el árbol a través de un sistema de levas.
•1934: Acorazados Deutchsland, Admiral Graf Spee y Admiral Scheer cada uno con 8 motores
diesel de dos tiempos y doble acción y una potencia total de 52.050 CV.
•1937: Patente de Michael Kadenacy (sobre el efecto Kadenacy en motores de dos tiempos).
Hay patentes inglesas previas.
•1937: El motor de reacción experimental Heinkel HeS 1, con compresor centrífugo y hidrógeno
como combustible hace las primeras pruebas en Hirth.
•1937: Patente para un sistema de compresor con enfriamiento del aire comprimido
("intercooler"). Louis Birkin (familiar de Marco Birkin de Hispano Suiza?).
•1938: Volkswagen. Motor de 4 cilindros boxer enfriado por aire.
•1940: Alfa Romeo 6C2500. Sistema eléctrico de inyección de gasolina Caproni-Fuscaldo.
18

16/03/2011
10
•1941: Tanque Sherman. Con motor Wright (véase Wright R-975, año 1929) fabricado por
Continental.
•1942: Primer vuelo de un avión con motor de reacción, con el Messerschmitt Me 262.
•1942: Motor Rolls-Royce Merlin 61. Primer motor de aviación con compresor centrífugo de dos
etapas con "intercooler" y "aftercooler".
•1945: Stuart Hillborn . Sistema de inyección para automóviles "hot rod".
Messerschmitt Me 262 ª en el museo
National Museum of the United States
Air Force . Con dos motores de
reacción.
19
Período 1945-2000 (1).-
•1947: Primer motor Ferrari V12, diseñado por Gioacchino Colombo . Dos válvulas por cilindro,
un árbol de levas en cada culata y una cilindrada total de 1.496,77 cc. Con una relación de
compresión de 7,5:1 daba una potencia de 118 CV (88kW) a 6.800 rpm.
•1952: Bosch. Sistema de inyección de gasolina en automóviles de turismo (Goliath GP700,
Gutbrod Superior 600).
Motor de aviación Continental O-520. De 6
cilindros opuestos en plano (bóxer) y
enfriados por aire 20

16/03/2011
11
Período 1945-2000 (2).-
•1954: Primer prototipo funcional del motor rotativo de Felix Wankel .
•1956: Inyección de combustible Lucas , por sistema mecánico. Usada por primera vez en los
automóviles Jaguar tipo D.
•1963: Motor Porsche 6 cilindros opuestos en plano (bóxer), enfriado por aire forzado.
Originalmente tenía una cilindrada de 2000 cc y equipaba el modelo 911.
Motor Ferrari 125 "Testa Rossa”,
1961
21
Motor Wankel,
1964
Período 1945-2000 (3).-
•1963: Automóvil de turbina Chrysler Turbine, fabricado en pequeña serie para pruebas reales
en carretera.
•1967: Motor Ford Cosworth para Fórmula 1, 3000 cc, V8.
•1967: Un STP Oil Special con motor de turbina participó (y estuvo a punto de ganar) en las 500
millas de Indianápolis.
Automóvil de competición STP
Oil con motor de turbina de gas.
500 Millas de Indianápolis, 1967.
Véase la turbina dispuesta
longitudinalmente a la izquierda
del piloto
22

16/03/2011
12
Período 1945-2000 (4).-
•1973: Camión dumper prototipo Terex 33-19 "Titan". Con un motor de 16 cilindros en V de
169.5 litros y una potencia de 3,300 CV (2500 kW).
•1980: Renault Fórmula 1. Válvulas con muelle neumática .
•1991: Victoria de un Mazda 787 B a las 24 Horas de Le Mans. Con un motor Wankel de 4
rotores.
•1997: Patente de un motor de turbina con ciclo de detonación ("Detonation Cycle Gas Turbine
engine").
Ro-80 NSU Wankel 23
Innovaciones en el siglo XXI.-
•2004: Camión dumper Liebherr T 282B. Carga útil de 347 Tm. Con un motor de 20 cilindros en V
de 90,000 cc (90 litros).
•2006: Motor Wärtsilä diesel de 2 tiempos, 14 cilindros y 80 MW (109,000 hp) de potencia.
•2010: Una de las patentes sobre el sistema Gerotor. Se trata de una especie de turbina que
dispone de un compresor y un expansor de gases a base de engranajes "sin rozamiento“,
evitando las pérdidas aerodinámicas del álabes de las turbinas convencionales.
http://peswiki.com/index.php/Directory:Engines
El buque portacontenedores Emma
Mærsk , con un motor principal
Wärtsilä, diesel de 14 cilindros y
109.000 CV
24

16/03/2011
13
1.1.2.- Clasificación y Campos de aplicación
CLASIFICACIÓN.-
•Por su aplicación.- Automotriz, marino, generación, locomoción, aviación.
•Por su diseño básico.- Reciprocantes (lineales, V, opuestos y radiales), rotativos (wankel, etc)
• Por su ciclo de trabajo.- 4 ciclos (aspiración natural, turbo-cargados y super-cargados), 2
ciclos (barrido de cigüeñal, super-cargados y turbo-cargados).
•Diseño y ubicación de las válvulas.- En la sobre la culata o en los lados.
•Por combustible usado.- Gasolina, diesel, pesado, GNV, GLP, etanol, metanol, hidrogeno,
duales .
•Método de preparación de la mezcla.- Carburadores, Inyección secuencial en el múltiple de
admisión, inyección directa en el cilindro, Inyección con pre-combustión.
•Método de encendido o ignición.- Por chispa, por compresión o en motores a gas se usa una
inyección piloto de diesel.
•Diseño de la cámara de combustión.-
•Método de control de la carga.- Estrangulamiento del combustible y aire por un acelerador
tipo mariposa , control de la cantidad de combustible inyectado o una combinación de ambas.
•Método de enfriamiento.- Por agua, por aire
25
APLICACIÓN.-
• Vehículos de transporte de carga y pasajeros: Tracto camiones, camiones, automóviles, etc.
26

16/03/2011
14
APLICACIÓN.-.
• Maquinaria para la minería y construcción: camiones, tractores, excavadoras, cargadores,
compactadoras, etc.
27
APLICACIÓN.-
• Generadores eléctricos.
• Embarcaciones marinas y fluviales.
•Industriales.
28

16/03/2011
15
APLICACIÓN.-
• Trenes.
•Tractores agrícolas.
•Aviación.
29
ESQUEMA BÁSICO
Motor DOHC : C: Cigueñal, E: Eje de Levas, I: Levas, P: Pistón, R: Biela, S: Bujía,
V: Valvulas, W: Chaquetas refrigerantes.
30

16/03/2011
16
NOMENCLATURA Y CONFIGURACIONES DEL MOTOR:
En línea “L” En “V” Opuestos horizontales
Radial 31
Video
1.1.4.- Ciclos de funcionamiento:
GEOMETRIA BÁSICA DEL MOTOR (1)
32

16/03/2011
17
GEOMETRIA BÁSICA DEL MOTOR (2)
33
SINCRONIZACIÓN DE LA CHISPA DE ENCENDIDO:
34

16/03/2011
18
1.1.4.- Ciclos de funcionamiento de 2 tiempos: Motor de 2 tiempos.-
Admisión-compresión
Fase de admisión-compresión
El pistón se desplaza hacia arriba (la culata) desde su punto muerto inferior, en su recorrido deja
abierta la lumbrera de admisión. Mientras la cara superior del pistón realiza la compresión en el
cilindro, la cara inferior succiona la mezcla de aire y combustible a través de la lumbrera. Para
que esta operación sea posible el cárter tiene que estar sellado. Es posible que el pistón se
deteriore y la culata se mantenga estable en los procesos de combustión.
35
1.1.4.- Ciclos de funcionamiento de 2 tiempos: Motor de 2 tiempos.-
Explosión-escape
Al llegar el pistón a su punto muerto superior se finaliza la compresión y se provoca la
combustión de la mezcla gracias a una chispa eléctrica producida por la bujía. La expansión de
los gases de combustión impulsan con fuerza el pistón que transmite su movimiento al cigüeñal
a través de la biela.
En su recorrido descendente el pistón abre la lumbrera de escape para que puedan salir los
gases de combustión y la lumbrera de transferencia por la que la mezcla de aire-combustible
pasa del cárter al cilindro. Cuando el pistón alcanza el punto inferior empieza a ascender de
nuevo, se cierra la lumbrera de transferencia y comienza un nuevo ciclo.
36

16/03/2011
19
1.1.4.- Ciclos de funcionamiento de 2 tiempos:
Motor de 2 tiempos.-
Ventajas
El motor de dos tiempos no precisa válvulas de los mecanismos que las gobiernan, por lo tanto es más
liviano y de construcción más sencilla, por lo que resulta más económico.
Al producirse una explosión por cada vuelta del cigüeñal, desarrolla mucha más potencia para una misma
cilindrada y su marcha es más regular.
Pueden operar en cualquier orientación ya que el cárter no almacena el lubricante.
Alcanza revoluciones muy altas y esto produce un mejor par/ torque.
Desventajas
El motor de dos tiempos es altamente contaminante ya que en su combustión se quema aceite
continuamente, y nunca termina de quemarse la mezcla en su totalidad.
Al no quemarse la mezcla en su totalidad en el interior de la cámara de explosión no se aprovecha
completamente todo el combustible utilizado, y esto genera un alto consumo.
Al ser un motor mas revolucionado por los ciclos del cigüeñal ( 1 vuelta un ciclo) su desgaste es mayor que el
motor de 4 tiempos. Y el motor no dura los mismo kilómetros que uno de 4T.
37
38

16/03/2011
20
39
Motor de 4 tiempos (1).-
1-Primer tiempo o admisión: en esta fase el descenso del pistón aspira la mezcla aire combustible en los
motores de encendido provocado o el aire en motores de encendido por compresión. La válvula de
escape permanece cerrada, mientras que la de admisión está abierta. En el primer tiempo el cigüeñal gira
180° y el árbol de levas da 90° y la válvula de admisión se encuentra abierta y su carrera es descendente.
2-Segundo tiempo o compresión: al llegar al final de carrera inferior, la válvula de admisión se cierra,
comprimiéndose el gas contenido en la cámara por el ascenso del pistón. En el 2º tiempo el cigüeñal da
360°y el árbol de levas da 180°, y además ambas válvulas se encuentran cerradas y su carrera es
ascendente.
40

16/03/2011
21
Video M4T (2)
3-Tercer tiempo o explosión/expansión: al llegar al final de la carrera superior el gas ha alcanzado la presión
máxima. En los motores de encendido provocado o de ciclo Otto salta la chispa en la bujía, provocando la
inflamación de la mezcla, mientras que en los motores diesel, se inyecta a través del inyector el combustible
muy pulverizado, que se auto-inflama por la presión y temperatura existentes en el interior del cilindro. En
ambos casos, una vez iniciada la combustión, esta progresa rápidamente incrementando la temperatura y la
presión en el interior del cilindro y expandiendo los gases que empujan el pistón. Esta es la única fase en la
que se obtiene trabajo. En este tiempo el cigüeñal gira 180° mientras que el árbol de levas da gira, ambas
válvulas se encuentran cerradas y su carrera es descendente.
4 -Cuarto tiempo o escape: en esta fase el pistón empuja, en su movimiento ascendente, los gases de la
combustión que salen a través de la válvula de escape que permanece abierta. Al llegar al punto máximo de
carrera superior, se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión, reiniciándose el ciclo. En este tiempo
el cigüeñal gira 180° y el árbol de 90° .
Video M4T (1)
41
Ventajas:
- Mejor consumo de
combustible.
- Mas autonomía
- Motor mas confiable
- Contamina menos
- Vibra menos
- Mejor torque
Desventajas:
- Mas peso
- Menos potencia
- Motor mas costoso al reparar
Motor de 4 tiempos (1).-
42

16/03/2011
22
43
1.1.4.- Ciclos de funcionamiento de 2 y 4 tiempos
Diferencias entre motores de 2 y 4 tiempos (1).
http://www.animatedengines.com/index.shtml 44

Mci mec299 -cap1.1

Recomendados

Recomendados

Más contenido relacionado

La actualidad más candente

La actualidad más candente (13)

Destacado

Destacado (19)

Similar a Mci mec299 -cap1.1

Similar a Mci mec299 -cap1.1 (20)

Último

Último (20)

Mci mec299 -cap1.1