Universidad Tecnolgica de PanamFacultad de Ing. MecnicaLic. en Ing. MecnicaProcesos y equipos de combustinMOTORES DE COMBUSTIN INTERNA

1. Qu son los motores de combustin interna?Bien antes de entrar en el profundo y amplio mundo de los motores, en este caso, de combustin interna, vamos a familiarizarnos con ellos, y por qu no empezar con lo principal, su definicin conceptual:Los motores de combustin interna (MCI), conocidos tambin como motores a explosin o motores a pistn, son tipos de mquinas que ha bien obtienen energa mecnica directamente de la energa qumica de un combustible que arde dentro de la cmara de combustin. Su nombre propiamente se debe a que dicha combustin se produce dentro de la propia mquina, diferencindolo, por ejemplo, la mquina de vapor. Si bien es cierto se conoce, ya, que es un MCI, ms que decir del proceso de combustin en s, como est definido el trmino combustin, qu es?Qu implica?...conozcamos un poco sobre ello:La combustin es una reaccin qumica de oxidacin, en la cual generalmente se desprende una gran cantidad de puntos en forma de calor y luz, manifestndose visualmente gracias al fuego, u otros. En toda combustin existe un elemento que arde (combustible) y otro que produce la combustin (comburente), generalmente el oxgeno en forma de O2 gaseoso. Existen tres tipos principales de combustin, que son la Combustin perfecta o completa, combustin con exceso de aire y combustin con dficit de aire o incompleta. Su frmula qumica general est dada por la siguiente expresin:Combustible + O2 H2O + CO2 + energa

2. Principales tipos de combustin:Entre los ms conocidos y estudiados tipos de motores de combustin interna, tenemos a los siguientes: Alternativos: dentro de los cuales existen dos: Motor de explosin ciclo Otto: es un tipo de motor de combustin interna que utiliza la explosin de un combustible, provocada mediante una chispa, para expandir un gas empujando as un pistn. Hay de dos y de cuatro tiempos (que explicaremos ms adelante). El ciclo termodinmico utilizado es conocido como Ciclo Otto. Motor disel: es un motor trmico que tiene combustin interna alternativa que se produce por el autoencendido del combustible debido a altas temperaturas derivadas de la compresin del aire en el interior del cilindro, segn el principio del ciclo del disel. Turbinas de gas Motores Rotatorios Motores de ciclo Atkinson

3. Clasificacin de MCI, segn sus ciclos:Como ya se mencion en puntos anteriores, existe una clasificacin dentro de los MCI, que implica a los de tipo alternativos, siendo ms especficos los motores OTTO (Gasolina) y Disel, estos incurren en una clasificacin an ms profunda, la misma en base a su ciclo y proceso de operacin, para ser ms directos existen dentro de lo ya precedido los motores de cuatro y de dos tiempos, tanto para los OTTO como para los Disel, que como bien se haba esclarecido, sern mejor explicados en esta seccin. Empezaremos con los motores OTTO:

Motores OTTOA groso modo, explicaremos el funcionamiento de un motor de gasolina a travs sus etapas, las mismas aparecern detalladas a continuacin:El ciclo consta de cuatro procesos, dos de los cuales no participan en el ciclo termodinmico del fluido operante pero son fundamentales para la renovacin de la carga del mismo:

E-A: admisin a presin constante (renovacin de la carga). A-B: comprensin de los gases e isotrpica. B-C: combustin, aporte de calor a volumen constante. La presin se eleva rpidamente antes de comenzar el tiempo til. C-D: fuerza, expansin isotrpica o parte del ciclo que entrega trabajo. D-A: Escape, cesin del calor residual al ambiente a volumen constante. A-E: Escape, vaciado de la cmara a presin constante (renovacin de la carga.)(isocnica).Como es de saber, este principio de funcionamiento tiene sus bases en los fundamentos termodinmicos, para lo cual presentaremos un esquema, en el cual se presentan los procesos por los que pasa un ciclo de motor OTTO, propiamente dicho ciclo OTTO.

Fig. 1: Ciclo OTTO

Explicaremos ahora los motores de gasolina tanto de cuatro como de dos tiempos.

MOTORES DE 4 TIEMPOS:Para el caso de los motores de cuatro tiempos tenemos que se componen de 4 etapas bsicas de funcionamiento, con las cuales se completa el proceso de la combustin, dadas como Admisin, Compresin, Combustin-Fuerza y Escape, pero para una mayor compresin explicaremos cada una de las mismas:1. Admisin: Durante esta fase, el pistn se desplaza hasta el PMI (Punto Muerto Inferior) y la vlvula de admisin permanece abierta, permitiendo que se aspire la mezcla de combustible y aire hacia dentro del cilindro (esto no significa que entre de forma gaseosa).2. Compresin: Durante la segunda fase las vlvulas permanecen cerradas y el pistn se mueve hacia el PMS, comprimiendo la mezcla de aire y combustible. Cuando el pistn llega al final de esta fase, una chispa en la buja enciende la mezcla.3. Combustin: Durante la tercera fase, se produce la combustin de la mezcla, liberando energa que provoca la expansin de los gases y el movimiento del pistn hacia el PMI. Se produce la transformacin de la energa qumica contenida en el combustible en energa mecnica trasmitida al pistn, que la trasmite a la biela, y la biela la trasmite al cigeal, de donde se toma para su utilizacin.4. Escape: En la cuarta fase se abre la vlvula de escape y el pistn se mueve hacia el PMS (Punto Muerto Superior), expulsando los gases producidos durante la combustin y quedando preparado para empezar un nuevo ciclo (renovacin de la carga).

Fig. 2: Etapas de un motor de gasolina 4 tiemposMOTORES DE 2 TIEMPOS:Para el caso de motores a dos tiempos, tenemos una reduccin de 4 a solo 2 etapas o tiempos, descritas a continuacin:1. Admisin-Compresin: Cuando el pistn alcanza el PMI (Punto Muerto Inferior) empieza a desplazarse hasta el PMS (Punto Muerto Superior), creando una diferencia de presin que aspira la mezcla de aire y gasolina por la lumbrera de admisin hacia el crter de pre compresin .(Esto no significa que entre de forma gaseosa). Cuando el pistn tapa la lumbrera, deja de entrar mezcla, y durante el resto del recorrido descendente, el pistn la comprime en el crter inferior, hasta que se descubre la lumbrera de transferencia que lo comunica con la cmara de compresin, con lo que la mezcla fresca pre comprimida ayuda a expulsar los gases quemados del escape.Cuando el pistn empieza a subir la lumbrera de transferencia permanece abierta una parte de la carrera y el crter no coge aire fresco sino que retornan parte de los gases, perdiendo eficiencia de bombeo.2. Expansin-Escape: Una vez que el pistn ha alcanzado el PMS y la mezcla est comprimida, se la enciende por una chispa entre los dos electrodos de la buja, liberando energa y alcanzando altas presiones y temperaturas en el cilindro. El pistn se desplaza hacia abajo, realizando trabajo hasta que se descubre la lumbrera de escape. Al estar a altas presiones, los gases quemados salen por ese orificio.

Fig. 3: Etapas de un motor de gasolina 2 tiempos

Motores DISELEn principio el funcionamiento y etapas de estos motores son parecidos a las del OTTO, sin embargo presente sus pequeas diferencias. Veremos a groso modo el ciclo con el que cumple un motor disel. 1. Compresin: proceso 1-2: es un proceso de compresin adiabtica reversible (isentrpica), es decir sin intercambio de calor con el exterior. Viene a simbolizar el proceso de compresin de la masa fresca en el motor real, en el que en el pistn, estando en el punto muerto inferior (PMI), empieza su carrera de ascenso, comprimiendo el aire contenido en el cilindro. Ello eleva el estado termodinmico del fluido, aumentando su presin, su temperatura y disminuyendo su volumen especfico, en virtud del efecto adiabtico.2. Combustin:Sin embargo, la combustin Diesel es mucho ms compleja: en el entorno del punto muerto superior (PMS) (en general un poco antes de alcanzarlo debido a problemas relacionados con la inercia trmica de los fluidos, es decir el retraso que hay entre la inyeccin y la inflamacin espontnea), se inicia la inyeccin del combustible (en motores de automviles, gasleo, aunque basta con que el combustible sea lo suficientemente auto inflamable y poco voltil). El inyector pulveriza y perliza "atomiza" el combustible, que, en contacto con la atmsfera interior del cilindro, comienza a evaporarse. Como quiera que el combustible de un motor Diesel tiene que ser muy auto inflamable (gran poder detonante, ndice de Citano alto), ocurre que, mucho antes de que haya terminado la inyeccin de todo el combustible, las primeras gotas de combustible inyectado se auto inflaman y dan comienzo a una primera combustin caracterizada por ser muy turbulenta e imperfecta, al no haber tenido la mezcla de aire y combustible tiempo suficiente como para homogeneizarse. Esta etapa es muy rpida, y en el presente ciclo se obvia, pero no as en el llamado ciclo Diesel rpido, en el que se simboliza como una compresin iscora al final de la compresin. Posteriormente, se da, sobre la masa fresca que no ha sido quemada, una segunda combustin, llamada combustin por difusin, mucho ms pausada y perfecta, que es la que aqu se simplifica por un proceso isbaro. En esta combustin por difusin se suele quemar en torno al 80% de la masa fresca, de ah que la etapa anterior se suela obviar. Sin embargo, tambin es cierto que la inmensa mayora del trabajo de presin y de las prdidas e irreversibilidades del ciclo se dan en la combustin inicial, por lo que omitirla sin ms slo conducir a un modelo imperfecto del ciclo Diesel.3. Explosin escape: proceso 3-4: se simplifica por una expansin isentrpica (adiabtica) del fluido termodinmico, hasta el volumen especfico que se tena al inicio de la compresin.4. El proceso 4-1: esta etapa es un proceso isocrico (escape) es decir a volumen constante. Desde la presin final de expansin hasta la presin inicial de compresin.

Fig. 4: Ciclo diesel, para motores

Para el caso de los motores DIESEL de cuatro y de dos tiempos, los principios de operacin son exactamente iguales, en cuanto a etapas, que los del caso de motores OTTO, con la diferencia bsica que estos (Diesel) contrariamente a los de gasolina no inciden la explosin o combustin por medio de una chispa, sino que poseen una cmara de recalentamiento para elevar las temperaturas, pues es esta propiedad la causante de la combustin, es decir se requieren altas temperaturas para provocar la explosin en la recmara.

Fig. 5: Principal diferencia entre motor diesel y gasolina.

4. Partes de un MCI:Antes de definir las partes en los MCI, veamos unas estructuras bsicas para el funcionamiento de los mismos. Estas incluyen: Cmara de combustin: La cmara de combustin es el lugar donde se realiza la combustin del combustible con el comburente, generalmente aire, en el motor de combustin interna.es un cilindro, por lo general fijo, cerrado en un extremo y dentro del cual se desliza un pistn muy ajustado al cilindro. La posicin hacia dentro y hacia fuera del pistn modifica el volumen que existe entre la cara interior del pistn y las paredes de la cmara.Un motor alternativo puede tener de 1 a 28 cilindros. Sistema de alimentacin: El sistema de alimentacin de combustible de un motor Otto consta de un depsito, una bomba de combustible y un dispositivo dosificador de combustible que vaporiza o atomiza el combustible desde el estado lquido, en las proporciones correctas para poder ser quemado.Comnmente conocido como carburador (actualmente no utilizado). En los motores disel se dosifica el combustible gasoil de manera no proporcional al aire que entra, sino en funcin del mando de aceleracin y el rgimen motor (mecanismo de regulacin) mediante una bomba inyectora de combustible. Sistema de distribucin: Cada cilindro toma el combustible y expulsa los gases a travs de vlvulas de cabezal o vlvulas deslizantes.Un muelle mantiene cerradas las vlvulas hasta que se abren en el momento adecuado, al actuar las levas de un rbol de levas rotatorio movido por el cigeal, estando el conjunto coordinado mediante la cadena o la correa de distribucin. Encendido: Los motores necesitan una forma de iniciar la combustin del combustible dentro del cilindro. En los motores Otto, el sistema de encendido consiste en un componente llamado bobina de encendido, que es un auto-transformador de alto voltaje al que est conectado un conmutador que interrumpe la corriente del primario para que se induzca un impulso elctrico de alto voltaje en el secundario.El impulso se lleva al cilindro correspondiente (aquel que est en compresin en ese momento) utilizando un distribuidor rotativo y unos cables que llevan la descarga de alto voltaje a la buja, dispositivo que produce la chispa de ignicin para el motor. El arranque de los motores Diesel se produce por elauto inflamacin del combustible inyectado como un aerosol en el cilindro cuando el pistn se acerca al punto muerto superior.

Para garantizar esta auto inflamacin el aire en el interior del cilindro al momento de la inyeccin debe estar lo suficientemente caliente para evaporar el combustible e incendiarlo. Sistema de refrigeracin: en los motores se utiliza refrigeracin por agua, lo que implica que los cilindros se encuentran dentro de una carcasa llena de agua que en los automviles se hace circular mediante una bomba. El agua se refrigera al pasar por las lminas de un radiador. Es importante que el lquido que se usa para enfriar el motor no sea agua comn y corriente porque los motores de combustin trabajan regularmente a temperaturas ms altas que la temperatura de ebullicin del agua. Esto provoca una alta presin en el sistema de enfriamiento dando lugar a fallas en los empaques y sellos de agua, as como en el radiador; se usa un refrigerante, pues no hierve a la misma temperatura que el agua, sino a ms alta temperatura, y que tampoco se congela a temperaturas muy bajas. Sistema de arranque: Al contrario que los motores y las turbinas de vapor, los motores de combustin interna no producen un par de fuerzas cuando arrancan (vase Momento de fuerza), lo que implica que debe provocarse el movimiento del cigeal para que se pueda iniciar el ciclo. Los motores de automocin utilizan un motor elctrico (el motor de arranque) conectado al cigeal por un embrague automtico que se desacopla en cuanto arranca el motor. Por otro lado, algunos motores pequeos se arrancan a mano girando el cigeal con una cadena o tirando de una cuerda que se enrolla alrededor del volante del cigeal.

Fig. 6: Sistema de distribucin del motor

Partes del motor: Culata del motor: Sirve, entre otras cosas, de cierre a los cilindros por su parte superior. En ella van alojadas, las vlvulas de admisin y escape, las bujas (en los OTTO),el rbol de levas y los conductos de admisin de aire y gasolina y de escape. Es la encargada de soportar las explosiones originadas en la cmara de combustin.Est unida firmemente al bloque por tornillos. Entre ambas piezas se coloca una junta de culata garantizando as un sellaje entre el bloque y la culata hermtica. Bloque del motor: Es la estructura bsica del motor y parte ms grande del motor. contiene los cilindros donde los pistones suben y bajan, conductos por donde pasa el lquido refrigerante y otros conductos independientes por donde circula el lubricante.Existen tres formas, que dependen de cmo se coloquen los pistones: en lnea, en V u opuestos. Carter del motor: Es la parte donde se deposita el aceite para lubricar todas las partes del motor.Normalmente esto lo hace de dos formas: 1) Golpeando el propio cigeal en su giro sobre el aceite, lubricando enforma de salpicadura. 2) Mediante la bomba de aceite. Esta bomba coge el aceite del crter y lo enva a las zonas a refrigerar a travs de los conductos en un ciclo cerrado. Filtro de aceite: El filtro de aceite recoge cualquier impureza que pueda contener el aceite. Cilindrada del motor: Los cilindros son los huecos por donde se desplazan los pistones en su recorrido. La capacidad (volumen interior del hueco) til de los cilindros es lo que se llama la Cilindrada del motor, y suele expresarse en centmetros cbicos (cm3). Carburador: La gasolina que entra dentro de los cilindros tiene que entrar con aire para que se produzca la combustin. Bomba de inyeccin: enva la gasolina del depsito al carburador, o a los inyectores al presionar el pedal del acelerador. rbol de levas: Un rbol de levas es un mecanismo formado por un eje en el que se colocan distintas levas. Las levas presionan las vlvulas para que se abran o cierren, dependiendo del tiempo del motor en que se encuentren, en el momento oportuno. Distribuidor: Manda tensin a la buja que tiene que saltar la chispa en ella en ese momento (distribuye la chispa entre las 4 bujas). Motor de arranque: motor elctrico que mueve los pistones para que pueda iniciarse el arranque del motor. Filtro de aire: El filtro de aire es para filtrar el aire y limpiarlo de impurezas como basuras pequeas este filtro es prcticamente para que el aire que va a ser admitido este limpio y as no entre basura a la cmara de combustin. Busos: Los busos complementan son metales de forma cilndrica el cual se tiene que calibrar y van en una cavidad para el funcionamiento de la cabeza del motor en cuanto a las vlvulas. Vlvulas: Esta es un metal el cual est formado para tapar,hay de dos tipos: admisin y escape. Inyectores: son los que se encargan de subministrar o inyectar el combustible ya sea gasolina (esta es inyectada en chorro) o el Diesel(este es inyectado como ms gaseoso o en aerosol). Bujas: son las que dan el chispazo para que explote el combustible y el aire que est alojado en la cmara de combustin. Cigeal: es una parte pesada que va en la parte baja del bloque antes del crter, este lo hacen girar las bielas con los pistones. Bielas: son metales los cuales van sujetados con un seguro o buln a los pistones para que al subir y bajar le den el movimiento al cigeal. Pistones: es una pieza metlicacilndrica la cual sube y baja con las bielas para formar el ciclo Otto(admisin, compresin, explosin y escape) en el cual tiene 2 fases que es punto muerto superior (cuandoest arriba el pistn) y punto muerto inferior (cuandoestabajo el pistn). Camisa: son la cavidad por donde pasa el lquidorefrigerante ya sea agua o anticongelante, esto es as para enfriar el motor. Bomba de aceite: es la que se encarga de bombear el aceite para que pase por el motor. Alternador: mecanismo que tienen los motores de combustin interna que es capaz de generar energaelctrica con energamecnica,adems de que mantiene cargada la batera del automvil. Cremallera: volante el cual hace girar al cigeal, este es parte de la marcha o el encendido. Filtro de gasolina: este es encargado de filtrar y as mismo limpiar la gasolina.

Fig. 8: Partes de un MCI - bFig. 7: Partes de un MCI a

Conclusiones

1. Pude familiarizarme con las principales partes de los motores de combustin interna y el funcionamiento o desempeo de cada una dentro el proceso.

2. Conocer detalladamente las etapas que implica el proceso de combustin, tanto desde el punto de vista terico, como prctico.

3. Poder reconocer las partes, etapas y principios de un motor de combustin interna, considerando las principales diferencias entre el de ciclo OTTO y el de ciclo DISEL.

1Desarrollado por: Quirs, Alex (8 865 693)