Termodinámica del motor otto

1. CAPÍTULO 14
Motores

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.

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.

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 m
3
*
0.37 m
3
*
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/dm
3


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: (η th)

1k
k
4
3
1
2
1k
k
1k
1
2
1k
4
3
3
4
1k
k
1k
2
1
1
2
4
3
3
4
4
2
3
4
2
2
1
4
th
23
14
)32(
)14(
)32(
)14()32(
)32(
t
th
14va)14(
23vac)32(c
r
T
T
T
T
r
1
V
V
V
V
T
T
r
V
V
T
T
:Además
T
T
1
1
T
T
T
T
1T
T
T
T
T
1T
1
TT
TT
1
Q
Q
1
Q
QQ
Q
W
t
)TT(cmQ
)TT(cmPCmQQ
-
-
--
-
-
-
-
-
--
-
-
-
==
=
÷
÷
ø
ö
ç
ç
è
æ
=
÷
÷
ø
ö
ç
ç
è
æ
=
=
÷
÷
ø
ö
ç
ç
è
æ
=
-=
÷
÷
ø
ö
ç
ç
è
æ
´-
÷
÷
ø
ö
ç
ç
è
æ
´-
-=
-
-
-=-=
-
==
-=
-===
å
h
h










1k
k
th
r
1
1
-
-=h

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.

25. CARBURADOR
Ciclo Otto

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.
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 )
CETANO: capacidad antidetonante.

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. )TT(cmQ
)TT(cmQ
Q
QQ
Q
W
14va)14(
23pa)32(
)32(
)14()32(
)32(
th
-=
-=
-
==
-
-
-
--
-
å






h




÷
÷
÷
ø
ö
ç
ç
ç
è
æ
-
-
-=
-
)1r(k
1r
r
1
1
a
k
a
1k
k
th
h
admisión) de (Relación
V
V
r
)compresión de (Relación
V
V
r
:donde
2
3
a
2
1
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.

)43()32(
)14(
)43()32(
)14()43()32(
sumsum
th
QQ
Q
1
QQ
QQQ
Q
Q
Q
W
--
-
--
---
+
-=
+
-+
===
åå
h

÷
÷
÷
ø
ö
ç
ç
ç
è
æ
-+-
-
-=
-
)1r(k)1(
1r
r
1
1
a
k
a
1k
k
th
aa
a
h


2
1
k
3
4
a
2
3
V
V
r
V
V
r
P
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 ft
3
; mientras que un motor Wankel de la
misma potencia tiene 633 piezas, pesa 237 libras y
ocupa 5 ft
3
. 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.

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
W
W
FD
)teórico(neto
)real(i
<=
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.


PmiPme 1,FD Si
V
W
Pmi
V
W
Pme
c
i
c
neto
==
==

44. Potencia Indicada: )W(
i


Es la potencia realmente entregada por los gases en el motor. Se determina usualmente por la
presión media indicada.

4
LD
PmiVPmiW
2
ci
p
´=´=


Potencia al freno: )W(
f


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¨.
wh´=´= TWW
mif


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.

i
f
m
W
W


=h
t
f
m
W
W
1FD Si


=
=
h

Esta es la
FÓRMULA que da
la potencia de
TODO EL MOTOR !!
Potencia Técnica Total:)W(
t



Z
60
RPM
T
2
wmW
iat ´´´´=

Donde:
1
11
a
RT
VP
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.

c
1
v
V
V
=h Donde:
4
LD
V
P
RTm
V
2
c
1
1a
1
p
=
=



Consumo específico de combustible:
Es la relación entre el consumo de combustible y la potencia. Se expresa usualmente en
kg/kW-h.

å
=
t
c
e
W
m
g



Porcentaje de Volumen muerto:

c
1c
cV
VcV
V
VV
r
V
V
c
c
cc
m
cm
k
c
m
+
=
+
=
+
=
=


c
1c
r
k
+
=

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.

55. 1.- En un motor ideal a gasolina se obtuvieron los siguientes datos: r
k
= 9, T
1
= 27° C, P
1
= 1bar,
z = 4 cilindros, 10
3
RPM, 2 tiempos, L = 12cm, D = 10cm, relación de aire-combustible: m
a
/
m
c
= 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 400cm
3
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-T
1
= 27° C-P
1
= 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%