UNIDAD 4 (MOTORES)

1.       Rendimiento del motor

  El motor de combustión interna es una máquina que transforma energía.

  La energía contenida en el combustible se transforma en calor mediante la combustión. Una buena parte se pierde, por la energía aprovechable que se obtienes menos a la inicial.

 El rendimiento de un motor será mayor cuanto menores sean las pérdidas.

         N=Energía obtenida/Energía aportada x 100%

PERDIDAS DE ENERGÍA

- Pérdidas de calor. Producidas por el sistema de refrigeración y la radiación de calor al exterior.

- Pérdidas mecánicas. Debido al rozamiento entre las piezas en movimiento y accionamiento auxiliar.

- Pérdidas químicas. Motivadas por una combustión incompleta.

    2. Tipos de rendimientos

- Rendimiento térmico

- Rendimiento mecánico

- Rendimiento efectivo

- Rendimiento volumétrico

    2.1. Rendimiento térmico

  El rendimiento térmico será mayor cuánto más alta sea la temperatura alcanzada en la combustión y menores sean las pérdidas de calor.

  Nc = p/mt . Q

  Las pérdidas de calor a través de los gases de escape suponen al 35% en los motores Otto y el 30% en los Diésel.

  Del 100% de la energía calorífica que poseen el combustible, los motores térmicos de combustión interna solamente son capaces de transformar entre el 35% y el 50%.

- Rendimiento térmico de los motores Otto: de 35 a 40%.

- Rendimiento térmico de los motores Diésel: de 40 a 50%. 

 2.2. Rendimiento mecánico

  Es la relación que existe entre la potencia efectiva y la potencia indicada.

  Nm=p/p1

  Las pérdidas de carácter mecánico que se consideran para determinar el rendimiento mecánico son:

- La energía empleada en transmitir el movimiento del pistón hasta el eje de salida.

- La parte de energía que consumen los dispositivos auxiliares, como el sistema de distribución, las bombas de agua y aceite, el distribuidor de encendido, etc.

El conjunto de pérdidas mecánicas supone entre un 10 y un 15%.

    2.3. Rendimiento efectivo

  El balance entre el total de pérdidas y el 100% de la energía contenida en el combustible consumido dan lugar al rendimiento efectivo del motor.

    2.4. Rendimiento volumétrico

  Se puede definir como el grado de eficacia con que se logra llenar el cilindro.

  Se expresa como la relación entre la masa de gas que es introducida en el cilindro (ma) en un ciclo y la masa que teóricamente cabe en el volumen del cilindro (mc).

  Nv=ma/mc

  La presión en el interior del cilindro al final de la carrera de admisión es siempre inferior a la presión atmosférica y está entre 0.8 y 0.9 bares. El rendimiento volúmetrico máximo está entre el 70% y 90% y depende de muy diversos factores:

- Régimen de giro

- Las condiciones de distribución

- La sección de las válvulas y los conductos de admisión

- La eficacia de barrido de los gases quemados.

    3. Características principales de los motores

  Las principales características que definen las prestaciones que se obtienen en un motor son el par motor, la potencia y el consumo especifico de combustible.

    3.1 Par motor

  Se denomina par de giro al efecto de rotación que se obtiene cuando se aplica una fuerza sobre un brazo de palanca.

  El par motor está en función de la fuerza F aplicada a la biela, y de la longitud del codo del cigüeñal (d), siendo esta igual a la mitad de la carrera.

  M=F.D

El valor de la presión media obtenida en la combustión depende fundamentalmente de dos factores:

- Grado de llenado de los cilindros ( rendimiento volumétrico ).

- Eficacia con que se desarrolla la combustión.

    3.2. Potencia

  La potencia mecánica se define como la cantidad de trabajo realizado en la unidad de tiempo.

   P=T/t

  El trabajo es el producto de la fuerza por el espacio

   P= T/t = f.e/t

  La potencia se puede obtener en función de la fuerza y la velocidad lineal.

   P= f.e/t= f.v

  La velocidad lineal expresada en m/s se obtiene con la ecuación.

   V= NºPi .2.r.n / 60

  Obtendremos la potencia en vatios si expresamos el par en newton.

   P=f.v= M. nºPi.2r.n /r.60=m.3,14.n/30= M.n/9,25 (W)

 FACTORES QUE DETERMINAN LA POTENCIA DE UN MOTOR

  -Cilindrada: A medida que aumenta el volumen también lo hace la cantidad de combustible quemado en cada ciclo.

  -Llenado de cilindros. Si se consigue que los cilindros admitan más cantidad de gas, la presión interna aumenta y también el par motor, consiguiendo mayor potencia.

  -Relación de compresión. A medida que aumenta, el rendimiento térmico mejora y por consiguiente también lo hace la potencia obtenida.

  -Régimen de giro. La potencia cree progresivamente con la velocidad, es decir, con el número de ciclos que se realizan por minuto.

POTENCIA Y RÉGIMEN DE GIRO

  En  los motores Otto el combustible se inyecta en la admisión, de manera que en el momento del encendido se encuentra bien mezclado con el aire y la combustión es rápida. Las presiones son relativamente bajas y sus componentes ligeros.

 En los motores Diésel se requiere tiempo para formar la mezcla de aire y combustible dentro del cilindro y realizar la combustión ya que el combustible se inyecta al final de la compresión. Las presiones que se alcanzan son elevadas y los componentes son más pesados.

  Los diésel lentos son motores de grandes cilindradas que giran a pocas revoluciones, tienen un buen rendimiento y un bajo consumo, se emplean en transporte pesado y en maquinaria industrial.

  Los diésel rápidos trabajan con menores presiones y sus componentes son más ligeros con el fin de alcanzar mayor número de revoluciones.

    3.3. Consumo específico combustible

  El consumo específico se define como la relación que existe entre la masa de combustible consumida y la potencia entregada.

-Rendimiento térmico. Aumenta la relación de compresión, ya que se consiguen mayores temperaturas y mayores presiones.

-Rendimiento volúmetrico. Empeora a medida que aumenta el régimen, por lo que el consumo también se incrementa.

  Los valores medios de consumo específico son:

    Motores Otto: 280 a 320 g/kW.h

    Motores Diésel: 180 a 280 g/kW.h

    3.4. Tipos de potencia

POTENCIA AL FRENO

 Se calcula a partir del par motor obtenido en el freno dinamométrico y es es la que ofrece el fabricante en los datos técnicos del motor junto al número de revoluciones al que se obtiene.

POTENCIA ESPECÍFICA

  Relaciona la potencia efectiva máxima obtenida en el motor con su cilindrada o con su peso:

  Potencia por litro: p/v      V= cilindrada en litros

  Potencia por kilogramo: P/m      m= peso del motor en kilogramos

   4. curvas características

  Las curvas características del motor se confeccionan a partir de datos obtenidos mediante pruebas en el freno dinamométrico. Representan los valores que toman la potencia, el par de motor y el consumo especifico a medida que varía el número de revoluciones.

   4.1. curva de potencia

  Esta curva muestra los valores que va tomando la potencia en función del número de revoluciones.

  Se expresa en kW o en CV

  La potencia es el resultado de multiplicar el par de motor por la velocidad de rotación, si ambos factores aumentan la potencia crecerá rápidamente.

  4.2 Curva de par de motor

   Representa la evolución del par en función del régimen del motor. Normalmente viene expresado en Nm y a veces en mkg.

La curva asciende a medida que aumenta el número de revoluciones hasta el par máximo, este punto representa el máximo rendimiento volumétrico, es decir, el llenado de los cilindros empeora y el par desciende, a pesar de que la potencia sigue aumentando. El régimen de máximo par depende de las características de los conductos de admisión y del diagrama de distribución

 4.3. Curva de consumo especifico

  Representan el consumo de combustible respecto al número de revoluciones. Se mide en g/kW, es decir, la masa de combustible comida en relación con la potencia entregada en la unidad de tiempo

Esta curva guarda cierta simetría con la del par de debido a que los valores máximos del rendimiento volumétrico coinciden con los mínimos de consumo.

 5. Obtención de las curvas características

  Solamente es posible obtener las prestaciones reales de un motor mediante pruebas en el banco de potencia o freno dinamométrico.

Los parámetros fundamentales que deben medirse en el banco son:

1. Par motor

2. Potencia

3. Consumo especifico de combustible

 Estos datos se toman para cada régimen de giro, manteniendo la mariposa de gases en su máxima apertura, por lo que se denomina prueba a plena carga. De esta forma se obtienen los datos necesarios para dibujar las curvas características del motor.
-El par motor se mide oponiendo una fuerza de frenado proporcional a la que suministra el eje del motor, así ambas fuerzas queden equilibradas para un determinado régimen de giro.

-La potencia se calcula a partir del par motor y del régimen de giro

-El consumo específico se obtiene midiendo el tiempo que tardan en consumirse 100  de combustible.

Otros datos

  Las condiciones ambientales de la sala donde se realiza la prueba son especialmente importantes, ya que influyen en el rendimiento volumétrico y, por tanto , en la potencia desarrollada por el motor.

Proceso de obtención de los datos

  Existen varios tipos de bancos, que se diferencian en el sistema empleado para ejercer la fuerza de frenado. Los más utilizados son los frenos electromagnéticos y los hidráulicos.

  Para realizar la prueba se instala el motor en el banco y se le hace funcionar hasta alcanzar la temperatura normal de funcionamiento. La prueba se desarrolla a plena carga, es decir, con la mariposa de gases completamente abierta.

ENTRA EN INTERNET
http://members.fortunecity.es/100pies/mecanica/potenciaypar.htm
  Ésta página no está disponible
http://www.gassattack.com/articulos%20tecnicos/powervstoeque.pdf
  Ésta página en pdf trata de discusiones comunes entre los aficionados el debatir qué es más importante, si un motor que entregue mucho par u otro que tenga una gran cifra de potencia máxima.
http://es.wikipedia.org/wiki/par_motor
  En este enlace podemos ver bien explicado el par motor y la potencia junto a otras consideraciones
http://www.mcatronic.com/documentacion/Automoviles/potencia%20y%20par%20motor.pdf
  Éste enlace no esta disponible
http://www.escharlamotor.org/info/parypotencia/
  Éste enlace no está instalado
http://www.bancosdepotencia.net/index.html
  Éste enlace no está disponible
http://motor.terra.es/flash/pruebas.htm
  Éste enlace trata de portada, noticias sobre motor
http://www.sc.ehu.es/nmwmigaj/bancomot.htm
  Trata sobre el banco de ensayos de motores

ACTIVIDADES PAG96

1. ¿Qué tipo de pérdidas de energía se producen en el motor?
 -Pérdidas de calor: Producidas por el sistema de refrigeración y la radiación de calor al exterior. Otra pérdida es la importante cantidad de calor que se evacúa a través de los gases de escape.
 -Pérdidas mecánicas: Debido al rozamiento entre las piezas en movimiento, por el accionamiento de dispositivos auxiliares, como la bomba de agua, bomba de aceite, etc.
 -Pérdidas químicas: Motivadas por una combustión incompleta.

2. ¿Qué es el rendimiento mecánico?
 Relación que existe entre la potencia efectiva que se obtiene en el eje del motor y la potencia indicada, que se obtiene en el diagrama de trabajo indicado, el cual expresa el trabajo interno obtenido dentro del cilindro y en el que no intervienen las pérdidas mecánicas.

3. ¿Qué es el rendimiento volumétrico?
 Se puede definir como el grado de eficacia con que se logra llenar el cilindro. Se expresa como la relación entre la masa de gas que es introducida en el cilindro en un ciclo y la masa que teóricamente cabe en el volumen del cilindro.

4. ¿De qué factores depende el rendimiento volumétrico?
 Régimen de giro
 Las condiciones ambientales exteriores, que determinan la densidad del aire.
 El diagrama de distribución
 La sección de las válvulas y los conductos de admisión
 La eficacia de barrido de los gases quemados

5. ¿Qué cifras de rendimiento global suelen tener los motores Otto y Diésel?
 OTTO
-Pérdidas térmicas: 60%-65%
-Pérdidas mecánicas: 10%-15%
-Total pérdidas: 70%-75%
-Rendimiento efectivo: 25%-30%
 DIÉSEL
-Pérdidas térmicas: 50%-60%
-Pérdidas mecánicas: 10%-15%
-Total pérdidas: 60%-70%
-Rendimiento efectivo: 30%-40%

6. ¿Qué es la presión media efectiva?
 La presión media efectiva resulta de hallar la medida de la presión existente dentro del cilindro durante el tiempo de combustión y expansión , de forma que podemos suponer que sobre el pistón actúa una presión media uniforme durante la carrera de expansión.

7. ¿Qué relación existe entre el par máximo y el rendimiento volumétrico máximo?
 Los 2 varían según la longitud y el diámetro de los conductores de admisión y los tiempos de apertura y cruce de válvulas.

8. ¿Cuál es la definición de potencia mecánica?
 Es la cantidad de trabajo realizado en la unidad de tiempo.

9. Escribe las expresiones para determinar la potencia en kW y en CV.
           P=M.n/9.550 (kW)
P= potencia en kW (kilovatios)
M= par en Nm (newton metro)
n= rpm (revoluciones por minuto)
r= radio o longitud del codo del cigüeñal = 1/2 de la carrera
           P=M.n/716 (CV)
P= potencia en cv (caballos de vapor)
M= par en kg m (kilogramos metro)

10. ¿Cuál es la equivalencia entre kW y CV? ¿Y entre Nm y mkg?
  1 CV: 0.736 kW          1mkg=9.8 Nm
  1 kw: 1.36 CV           1 daNn: 0.98mkg

11. ¿De qué factores depende la potencia de un motor?
 Cilindrada
 Llenado de los cilindros
 Relación de compresión
 Régimen de giro