Curvas Características

November 27, 2017 | Author: Diego Lomba Fernández | Category: Torque, Combustion, Diesel Engine, Car, Machines
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Descripción: AUTOMOCIÓN "MOTORES TÉRMICOS Y SUS SISTEMAS AUXILIARES"...

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AUTOMOCIÓN MOTORES TÉRMICOS Y SUS SISTEMAS AUXILIARES

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PAR MOTOR ....................................................................................................02 POTENCIA DEL MOTOR ...................................................................................06 · POTENCIA AL FRENO ...................................................................................07 POTENCIA ESPECÍFICA ...................................................................................08 RELACIÓN ENTRE VELOCIDAD Y CARGA MOTOR ................................................09 CURVA DE CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTIBLE ..........................................10 CONSUMO DE COMBUSTIBLE DE UN AUTOMÓVIL ..............................................13 VARIABLES QUE INFLUYEN EN LAS PRESTACIONES ............................................13 · RELACIÓN DE COMPRESIÓN .........................................................................14 · RÉGIMEN DE ROTACIÓN .............................................................................14 · MASA DE LA CARGA INTRODUCIDA ...............................................................15 · DISEÑO DE LOS CONDUCTOS DE ADMISIÓN Y ESCAPE ................................15 · CONDUCTOS DE LONGITUD VARIABLE ...................................................15 · DIAGRAMA DE LA DISTRIBUCIÓN .............................................................16 EFECTOS SOBRE EL RENDIMENTO VOLUMÉTRICO ...............................................17 INSTANTE DE ENCENDIDO ..............................................................................18 RELACIÓN AIRE-COMBUSTIBLE ........................................................................19 · MOTORES DE CICLO OTTO .......................................................................19 · MOTORES DE CICLO DIESEL ......................................................................21 SOBREALIMENTACIÓN .....................................................................................22 · MOTORES DE CICLO OTTO .......................................................................22 · MOTORES DE CICLO DIESEL .....................................................................23

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Las prestaciones de un motor se definen con sus curvas características; que nos indican: -� El par motriz. -� La potencia. -� El consumo especifico. Todo ello en función de la velocidad angular del cigüeñal. Las curvas características de los motores indican las prestaciones y consumos de los mismos y se determinan en bancos de pruebas; en los motores Otto las pruebas se realizan con apertura total de la mariposa de aceleración y en los motores Diesel con el máximo caudal de la bomba de inyección.

Curvas características de los motores

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PAR MOTOR Toda fuerza aplicada a un cuerpo con libertad de movimiento en cualquier dirección, determina que éste se mueva en el mismo sentido y dirección que la fuerza. Sin embargo, cuando la misma fuerza se aplica a cierta distancia del eje del cuerpo (a través de un brazo rígido), da lugar a un par (producto de la fuerza por la distancia o brazo) que lo hace girar. Par (M) = F x d F = Fuerza. d = Distancia.

Par de giro

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Ejemplo: Si sobre una palanca de un metro aplicamos en su extremo una fuerza de un Kilo (tal como muestra la figura), el par que se genera es de 1 Kgm (0,98 daNm).

Par de 1 Kgm (0,98 daNm)

Ejemplo: Del mismo modo si sobre la misma palanca aplicamos una fuerza de 0,5 kilos, obtendremos un par de 0,5 kgm (0,49 da Nm).

Par de 0,5 Kgm (0,49 daNm)

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Ejemplo: Si aplicamos una fuerza de 1 kg sobre una palanca de 0,5 metros obtendremos un par también de 0,5 kgm (0,49 da Nm).

Par de 0,5 Kg (0,49 daNm)

Con un misma fuerza cuanto mayor sea la distancia donde la apliquemos, mayor será el par obtenido (un claro ejemplo de esto lo tenemos cuando queremos aflojar un tornillo que está muy apretado; cuanto mayor sea el brazo de palanca de la llave, lo aflojaremos con menos esfuerzo porque aplicamos más par). Si el cuerpo con libertad de movimiento es el cigüeñal, y la fuerza aplicada es la transmitida por la biela, veremos que cuanto mayor es la distancia entre el eje de giro de la biela y el eje de giro del cigüeñal y mayor es la fuerza aplicada, superior es el par motor obtenido en el cigüeñal. La fuerza recibida por el cigüeñal varía por la presión media de los gases y por los diferentes ángulos que la biela va describiendo en su movimiento desde el P.M.S. al P.M.I.

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El par motriz (M) representa la capacidad del motor para producir trabajo. En el caso de un motor de un vehículo, el par representa la capacidad de desplazar la carga (es decir de mover el vehículo).

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POTENCIA DEL MOTOR La potencia (P) por definición, es el trabajo o la energía desarrollada en la unidad de tiempo. En el caso de un motor de un vehículo, la potencia se desarrolla durante el desplazamiento de la carga (el vehículo se mueve y vence las resistencias pasivas con una cierta velocidad). Potencia (P) = T / t� T = Trabajo.� t = Tiempo. La potencia del motor se obtiene, en cualquier régimen, multiplicando el par motor expresado en Kgm por el número de revoluciones del cigüeñal y dividiéndolo entre la constante 716,2. � Potencia (CV) =[M(kgm) x

r.p.m.]/716,2=[M(kgm) x

r.p.m. x 4 π ]/60x2x75

En el sistema internacional de medidas (S.I.) la potencia se mide en Kilovatios, donde: 1 CV = 736 W = 0,736 Kw 1 Kw = 1,36 CV La potencia de un motor también se puede indicar con la siguiente fórmula: P (CV) = p.m.e. x V x r.p.m. / 225 x h Donde: P (CV) = potencia del motor en CV. p.m.e. = presión media efectiva en kg/cm2. V = cilindrada total en litros. r.p.m. = velocidad de rotación del motor en giros por minuto. h = número de tiempos del ciclo. Para el motor de cuatro tiempos tenemos: Potencia (CV) = p.m.e. x V x r.p.m. / 900 Mientras que para el motor de dos tiempos: Potencia (CV) = p.m.e. x V x r.p.m. / 450

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POTENCIA AL FRENO Entre los valores de la potencia Pf al freno o efectiva del motor y par motriz M, en los motores de cuatro tiempos, existe la siguiente relación: P = (M x 4 x π x r.p.m.)/ 60 x 75 x 2 ð⇒ Pfreno = M n / 716,2 Entre los valores de la potencia Pf al freno o efectiva del motor y par motriz M, en los motores de dos tiempos, existe la siguiente relación:

⇒ Pfreno = M n / 716,2 P = (M x 2 x π x r.p.m.)/ 60 x 75 ð En los motores Wankel la potencia al freno o efectiva del motor y el par motriz M, tendrá en cuenta el trabajo desarrollado por la suma de las tres caras del rotor, existiendo la siguiente relación: P = 3 x (M x 2 x π x r.p.m.)/ 60 x 75 x 3 ð⇒ Pfreno = M n / 716,2 Como puede observarse, la formula de la potencia al freno es idéntica para cualquier tipo de motor, luego la potencia esta en función del par a un régimen determinado de revoluciones. Por tanto es sencillo, conociendo la curva de par, conseguir la de potencia o viceversa.

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POTENCIA ESPECÍFICA Por último, la potencia específica es la relación entre potencia y la cilindrada en litros, es decir: Psp = P / V Donde: Psp = potencia específica en CV/litro o KW/litro. P = potencia en CV, (1CV = 0,736 KW). V = cilindrada total en litros. La potencia específica nos da una idea de como se aprovecha la cilindrada.

Motor Con ciclo Otto Con ciclo Diesel

Tipo de alimentación Aspirado (2 válvulas) Aspirado (4 válvulas) Sobrealimentado Aspirado Sobrealimentado

Potencia específica CV/l 40 ÷ 65 70 ÷ 80 70 ÷ 100 30 ÷ 40 40 ÷ 50

Potencia específica de los distintos motores de 4 tiempos

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RELACIÓN ENTRE VELOCIDAD Y CARGA MOTOR Las fuerzas que hacen girar el cigüeñal dependen de la presión que los gases realizan en la cabeza del pistón, mientras que las que se oponen a su rotación son los rozamientos internos del motor y la resistencia exterior, que suelen llamarse carga y que es un par resistente aplicado al cigüeñal. La regulación de la carga y de la velocidad es una cuestión de equilibrio entre las fuerzas que producen la rotación y las que la impiden. Establecido el régimen de rotación, si varía la carga se desequilibra el motor y esto debe compensarse con una variación parecida de las fuerzas motrices, para que no cambie el régimen de rotación. En el motor Otto la regulación de la cantidad de combustible se realiza simultáneamente a la del aire, mediante una válvula de mariposa. En el motor Diesel sólo se regula el combustible, variando el caudal de la bomba de inyección. Se denominan puntos de funcionamiento con apertura parcial todo el conjunto de las posibles combinaciones de carga y de revoluciones incluidas entre el funcionamiento al mínimo (carga nula y régimen mínimo) y el funcionamiento con plena apertura (máxima carga para todos los regímenes de rotación del motor). Durante el funcionamiento con plena apertura, variando la carga tenemos el régimen al que el motor suministra la máxima potencia. Si, a partir de estos valores, aumentamos la carga aplicada, el régimen y la potencia disminuyen; si se reduce la carga, la velocidad del motor aumenta, pero la potencia también disminuye. El régimen con máxima potencia se llama régimen de potencia máxima. El par motor, que corresponde a la fuerza desarrollada durante la rotación, alcanza su valor máximo a un determinado régimen (inferior al de la potencia máxima), a partir del cual disminuye al aminorarse: -� El rendimiento volumétrico (esto se explica teniendo en cuenta que para cada motor existe una velocidad de rotación en correspondencia de la cual la masa del fluido activo que entra en los cilindros en cada ciclo es la máxima posible). -� El rendimiento mecánico (debido al aumento de las pérdidas por rozamiento en los órganos fundamentales del motor y en los mecanismos auxiliares que éste arrastra). Con este régimen la p.m.e. y por lo tanto el par motriz tienen su valor máximo. La potencia sigue creciendo al aumentar la velocidad de rotación, y por lo tanto la masa utilizada en la unidad de tiempo ya que, aunque disminuya la masa del fluido activo utilizada en cada ciclo, aumenta el número de ciclos.

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Curva de Par y de Potencia

A partir de un determinado régimen, el incremento de las revoluciones no compensa ya la disminución de par (se alcanza un valor a partir del cual la masa del fluido introducido en cada ciclo disminuye más rápidamente de lo que aumenta el número de ciclos en la unidad de tiempo); en este punto, el producto alcanza su valor máximo, es decir, la potencia máxima. Rebasado este punto la potencia desciende (si el par motor permaneciese constante, la potencia aumentaría indefinidamente al incrementarse el número de revoluciones).

CURVA DE CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTIBLE El consumo específico (qb) representa la cantidad de combustible consumido por el motor en gramos (gr) para suministrar una determinada potencia, caballos (CV), en la unidad de tiempo, hora (h). Ya que el trabajo por la unidad de tiempo es la potencia, el consumo específico representa la cantidad de combustible necesario para que el motor pueda efectuar un trabajo útil, venciendo los rozamientos y las pérdidas. Por consiguiente, el consumo específico representa un índice del rendimiento global del motor, cuanto más bajo es el consumo específico, mejor es el rendimiento de éste y viceversa. La relación de compresión (ρ) influye en el consumo específico. De hecho aumentando la relación de compresión aumenta el rendimiento térmico y por lo tanto disminuye el consumo específico.

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Curva de consumo específico en función de la relación de compresión



El consumo específico se expresa en gr/CV h y es el combustible consumido por un motor por cada CV que produce en una hora. El consumo específico se mide experimentalmente en los bancos de prueba para motores en cada punto de funcionamiento del motor; estos datos se reflejan en un plano acotado de consumos.

Curva de consumo específico

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En los motores Otto el consumo específico varía mucho al variar la p.m.e. (presión media eficaz) y relativamente poco al variar el régimen de rotación. En general el valor mínimo de consumo específico se obtiene en correspondencia de la máxima p.m.e. En condiciones de p.m.e. máxima el consumo específico es mayor con bajos regímenes y disminuye al aumentar el número de revoluciones, hasta cuando la velocidad del motor no alcanza el 65 a 75% de la máxima, para después crecer de nuevo. Al disminuir la p.m.e., con el mismo régimen de rotación, se produce un aumento del consumo específico, debido principalmente a las pérdidas por fricción, que en porcentajes son cada vez más importantes. Además, si se reduce la p.m.e. cerrando parcialmente la mariposa, se incrementan sensiblemente las pérdidas por estrangulamiento en la fase de admisión (es necesario más trabajo para bombear). Los motores Diesel tienen consumos específicos más bajos que los motores Otto en todo el campo de variación del número de revoluciones y de la carga motor. De hecho, aún siendo el rendimiento del ciclo Diesel inferior al del ciclo Otto con igual relación de compresión, el ciclo Diesel utiliza relaciones de compresión aproximadamente dobles de las utilizadas en los Otto, por lo que el rendimiento es superior y el consumo específico inferior. También las pérdidas de trabajo por bombeo son inferiores que las de los motores Otto, sobre todo con cargas parciales ya que no se cierra la mariposa; el aumento de consumo específico al disminuir la p.m.e. es por lo tanto bastante menor. Por último, al contrario de lo que sucede en los motores de ciclo Otto, el mínimo de la curva de consumo especifico no corresponde con el máximo de la curva de la p.m.e., sino que se encuentra en correspondencia de valores muy inferiores. Esto explica que, en el motor Diesel, para obtener la máxima p.m.e. necesitamos una cantidad de combustible muy superior a la teóricamente necesaria, para poder utilizar todo el oxigeno del cilindro. En estas condiciones el combustible no se quema totalmente (por consiguiente emisión de humo negro) y el consumo específico sube. Al disminuir la carga, el consumo específico, influido por las pérdidas por fricción que son proporcionalmente más grandes, se reduce porqué mejora la combustión, ya que aumenta el exceso de aire respecto al combustible inyectado.

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CONSUMO DE COMBUSTIBLE DE UN AUTOMÓVIL El consumo de combustible de un automóvil aumenta con la velocidad del mismo, ya que la resistencia aerodinámica que tiene que vencer se incrementa con el cuadrado de la velocidad.

Curva de consumo de un automóvil en función de la velocidad

El diagrama muestra la variación de consumo de combustible en función de la velocidad del vehículo, con la relación del cambio más larga y a velocidades distintas. El trazado de la curva de este diagrama de consumo de combustible está determinado también por el hecho de que el consumo específico no es constante en todos los regímenes de rotación del cigüeñal y que, a bajas velocidades y con cargas parciales, el motor funciona con un rendimiento menor.

VARIABLES QUE INFLUYEN EN LAS PRESTACIONES La fórmula de la potencia de un motor es la siguiente: Potencia (CV) = p.m.e. x V x r.p.m. / 225 h Donde: p.m.e. = presión media efectiva en kg/cm2. V = cilindrada total en litros. r.p.m. = velocidad de rotación del motor en r.p.m. h = número de tiempos del ciclo.

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Una vez fijado el ciclo operativo (si es de cuatro tiempos h = 4, si es de dos h = 2) y la cilindrada total del motor, la potencia es en la práctica una función lineal de n (régimen de rotación) y de la p.m.e. (presión media efectiva). Estos dos parámetros no son del todo independientes entre ellos, sino que se influyen recíprocamente, y a su vez numerosos factores influyen en ellos como: -� La relación de compresión. -� La masa de la carga introducida. -� El régimen de rotación.

RELACIÓN DE COMPRESIÓN Aumentando la relación de compresión aumenta el rendimiento termodinámico; esto se transforma, con igual consumo específico, en un aumento de potencia. Podemos afirmar que la potencia aumenta al crecer la relación de compresión, hasta un límite variable según el tipo de motor, del combustible empleado y de la forma de la cámara de combustión. Cuando se adoptan relaciones de compresión altas, hay que tener en cuenta que las presiones más elevadas provocan mayores pérdidas por fricción y que, al aumentar el esfuerzo, hay que construir órganos más resistentes. En los motores Otto el aumento de la relación de compresión está también limitado por el fenómeno de la detonación.

RÉGIMEN DE ROTACIÓN A bajas velocidades hay más tiempo para que el calor pase a través de las paredes y por lo tanto existe una mayor pérdida de calor que a velocidades altas; aumentando la velocidad aumenta la entrada de aire y por lo tanto aumenta la potencia, pero aumentan rápidamente las pérdidas por fricción. Para aprovechar la cilindrada total cuando no es muy pequeña, es aconsejable dividirla entre varios cilindros, para disminuir la cilindrada unitaria; esto permite un elevado régimen de rotación y por lo tanto una mayor potencia, con un aumento también de las pérdidas por fricción y un mayor consumo específico de combustible. Por consiguiente, es una característica de los motores veloces, la de alcanzar elevadas potencias con un mayor consumo específico comparado con los motores lentos.

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MASA DE LA CARGA INTRODUCIDA Mayor es la masa de la carga introducida, mayor es el rendimiento volumétrico y mayor es la potencia. El medio más eficaz para incrementar la masa de la carga introducida en cada ciclo es la sobrealimentación, mientras que en los motores aspirados, donde es necesario optimizar el rendimiento volumétrico, se eligen oportunamente: -� Las dimensiones de los conductos y de las válvulas. -� Los tiempos de apertura de las mismas.

DISEÑO DE LOS CONDUCTOS DE ADMISIÓN Y ESCAPE El diseño de los conductos de admisión y escape tiene mucha importancia. Los conductos de admisión deben permitir la entrada de la mayor cantidad posible de mezcla airegasolina (o sólo de aire en los motores Diesel) y los de escape deben oponer la mínima resistencia al paso de los gases quemados. Del área de la sección de los conductos de admisión y del área de paso entre la válvula y su alojamiento depende la velocidad del aire. Se obtiene el mejor rendimiento volumétrico generalmente con velocidades del aire de 50 a 70 m/s. En el rendimiento volumétrico pueden influir las ondas de presión que se crean en los conductos de admisión y escape en relación a las rápidas variaciones de velocidad de la masa gaseosa en movimiento. Cuando las ondas de presión del conducto de admisión tienen un ritmo que determina que, antes del cierre de la válvula, la presión en la entrada del cilindro alcance un máximo, el rendimiento volumétrico aumenta (sobrealimentación por inercia). Algo parecido sucede en los conductos de escape.

CONDUCTOS DE LONGITUD VARIABLE Se han estudiado conductos de longitud variable en función del régimen de rotación y d e l a c a r g a d e l m o t o r, p a ra a p r o ve c h a r a l m á x i m o e s t e f e n ó m e n o. La configuración más simple prevé dos diferentes longitudes de los conductos de admisión. La longitud mayor se utiliza con regímenes medios-bajos donde la velocidad del aire no es muy elevada y las pérdidas de carga son pequeñas y prevalece el efecto de sobrealimentación por inercia. La longitud menor se adopta para conseguir la máxima potencia, situación en la que es esencial que el aire tenga la mínima resistencia de entrada en el cilindro.

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Dispositivo para aumentar el rendimiento volumétrico: Colectores largos y cortos

DIAGRAMA DE LA DISTRIBUCIÓN El tiempo de apertura y cierre de las válvulas es otra variable que influye en el rendimiento volumétrico. De hecho existe una estrecha relación entre el tiempo de apertura de la válvula y el llenado del cilindro según el régimen de rotación. Los datos sobre los tiempos de apertura y cierre de las válvulas se indican en el diagrama de la distribución. La apertura de la válvula de admisión se anticipa respecto al P.M.S. ya que ésta se abre gradualmente y no instantáneamente. Luego, para que la válvula esté totalmente abierta en el momento más conveniente para llenar al máximo el cilindro, es necesario que se abra antes del P.M.S. (en los motores veloces el avance debe ser mayor que en los motores lentos). También se retrasa el cierre respecto al P.M.S. por el mismo motivo (cierre gradual de la válvula) y por la inercia de los gases quemados.

Diagrama de distribución

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EFECTOS SOBRE EL RENDIMENTO VOLUMÉTRICO Para modificar el rendimiento volumétrico hay que variar: -� Las dimensiones de los conductos. -� El diagrama de la distribución. Aumentando las dimensiones de los conductos y de las válvulas disminuye la velocidad de los gases y mejora el rendimiento volumétrico a altas revoluciones, ya que la resistencia de paso es menor. Con bajas revoluciones, sucede lo contrario, puede verificarse también que al empezar la fase de compresión una cierta cantidad de mezcla vuelva al conducto de admisión. Si se adoptan dos válvulas de admisión se obtiene el máximo aumento de las dimensiones compatibles con las dimensiones del cilindro; en general esta solución se combina con dos válvulas de escape para favorecer al máximo la salida de los gases quemados. En definitiva, aumentando las dimensiones de las válvulas y los conductos, se desplaza a un régimen más elevado el valor máximo del rendimiento volumétrico y por lo tanto el par máximo y la potencia. El régimen máximo del motor aumenta y también la potencia, mientras la potencia con bajos regímenes disminuye. Al reducir las dimensiones de los conductos y válvulas se produce lo contrario. El aumento de la velocidad de los gases en los conductos desplaza a un régimen interior el rendimiento volumétrico máximo y por lo tanto también el par y la potencia máxima. El régimen máximo del motor disminuye y la potencia correspondiente se reduce, mientras que aumenta con bajos regímenes. Algo parecido sucede al variar los tiempos de apertura de las válvulas. Con tiempos de apertura largos (es decir grandes ángulos de admisión y escape), los resultados son parecidos a los que se obtienen aumentando las dimensiones de los conductos y las válvulas. Con regímenes bajos puede suceder que, durante la fase de cruce, la mezcla no pueda entrar por el empuje de los gases de escape. Con tiempos cortos eliminamos la posibilidad de que el motor funcione con regímenes altos de rotación. Importante es el tamaño de las válvulas y, como se ha indicado anteriormente, su tiempo de apertura que, influyen en las curvas características. El dibujo representa la potencia (P), la presión media efectiva (p.m.e.), el rendimiento volumétrico (ρ) y la velocidad media (W) de los gases a través de la válvula, para dos distribuciones distintas.

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- - - - - - Distribución con tiempos cortos. Válvulas más pequeñas.� ----------- Distribución con tiempos largos� Válvulas más grandes.

Curvas características de un motor Otto para dos distintos diagramas de la distribución y dimensiones de las válvulas Está claro que, en los casos en los que se quiera conseguir una elevada potencia específica (motores deportivos) se incrementará el ángulo de apertura y los conductos y válvulas tendrán grandes dimensiones, junto con una distribución de cuatro válvulas por cilindro en los motores más rápidos. Se adoptarán en cambio ángulos y conductos pequeños cuando no son importantes los elevados regímenes de rotación y las altas potencias, pero es importante un gran par motriz con un régimen bajo. También en este caso son importantes los dispositivos que varían la fase en función de las condiciones de régimen y de carga del motor (fase variable).

INSTANTE DE ENCENDIDO Para aprovechar al máximo la presión de la combustión y obtener la máxima p.m.e., hay que elegir el instante de encendido de tal modo que, teniendo en cuenta el tiempo utilizado para la combustión, se consiga la presión máxima al empezar la carrera de expansión. Como regla general aproximadamente la mitad del aumento de presión debido a la combustión debe alcanzarse cuando el pistón está en el P.M.S. con un determinado instante de encendido y velocidad de combustión. Con los modernos sistemas de encendido electrónico digital se puede conseguir un avance óptimo en cada instante de funcionamiento del motor.

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RELACIÓN AIRE-COMBUSTIBLE En el motor endotérmico la combustión, se desarrolla regularmente sólo si, con las otras condiciones constantes, el sistema de alimentación suministra una mezcla aire-combustible con la relación correcta. La relación aire-combustible, llamada también dosificación o porcentaje de la mezcla, se denomina estequiométrica cuando el aire y el combustible tienen los porcentajes adecuados para una combustión completa.

MOTORES DE CICLO OTTO En los motores Otto existen dos dosificaciones óptimas para cada punto de funcionamiento del motor: -� Una de mínimo consumo específico. -� Otra de máxima potencia suministrada. Si define con la relación entre la dosificación real y la estequiométrica, de tal forma que: -� = 1 significa mezcla con dosificación estequiométrica. -� < 1 significa mezcla rica (exceso de gasolina). -� > 1 significa mezcla pobre (exceso de aire). Examinando el diagrama sabemos que para obtener la máxima potencia, la mezcla debe ser rica ( < 1) mientras que para obtener el máximo rendimiento tiene que ser ligeramente pobre ( > 1).

Como influye la dosificación en la potencia y el consumo específico de un motor Otto

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Por lo tanto la dosificación de la mezcla varía al cambiar las condiciones de funcionamiento. Si partimos de un uso medio-bajo, al reducirse la carga (es decir al cerrarse la mariposa), la mezcla debe enriquecerse hasta alcanzar un máximo cuando el motor funciona al mínimo sin cargas y mariposa totalmente cerrada. La posición de la mariposa no influye mucho en la presión de los gases de escape, por lo tanto la masa de los gases residuales del cilindro al final de la fase de escape, suele mantenerse casi constante en todos los regímenes. Viceversa, al mínimo, la carga de los gases introducidos es menor de la que corresponde con funcionamiento normal; por lo tanto la proporción de gases quemados presentes en la carga es mucho más grande. Además, al ser la presión del conducto de admisión más baja que la atmosférica, cuando la válvula de admisión empieza a abrirse la diferencia de presión entre la cámara de combustión y los conductos de admisión provoca inicialmente un trasvase de gases quemados en el conducto de admisión, que después vuelven al cilindro en cuanto el pistón empieza su carrera de admisión. El resultado final, es que la mezcla de la cámara de combustión se diluye en los gases residuales que reducen el contacto del combustible con las partículas de aire, y la combustión empeora. Por lo tanto es necesario enriquecer la mezcla añadiendo combustible para que aumenten las probabilidades de contacto entre combustible y aire. Cuando la mariposa empieza a abrirse las diferencias de presión se reducen y la dilución de la mezcla es mínima, por lo que el porcentaje debe ser más pobre. Con un régimen medio de funcionamiento el sistema de alimentación debe suministrar una mezcla con dosificación que corresponda al mínimo consumo, tanto para ahorrar combustible como para que la dosificación pobre reduzca al mínimo la emisión de óxido de carbono en el escape. El funcionamiento a plena potencia necesita de una relación rica, ya que con altas potencias es necesario eliminar una cantidad mayor de calor de las superficies térmicamente muy activas. Enriqueciendo la mezcla se baja la temperatura de la llama y por lo tanto se reducen estos esfuerzos térmicos de las válvulas de escape; además se reduce el fenómeno de la detonación. De hecho el combustible en exceso, vaporizado, reduce el calor de la combustión bajando la temperatura de la cámara de combustión y reduciendo el peligro de la detonación.

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MOTORES DE CICLO DIESEL Las características que diferencian sustancialmente los motores Diesel de los motores Otto, desde el punto de vista de la formación de la mezcla, son: Ausencia de la mariposa. Formación de la mezcla aire-combustible en el interior del cilindro. Ya que los combustibles usados no son muy volátiles y el tiempo a disposición para vaporizar el combustible, desde el instante en el que entra en la cámara hasta que se produce el encendido, es muy pequeño, es necesario mezclar todo enérgicamente para que el combustible entre en contacto con el oxígeno del aire. Además es necesario introducir en la cámara de combustión una cantidad de aire mucho mayor de la dosis estequiométrica para que existan mayores probabilidades de que se queme todo el combustible introducido (combustión con exceso de aire). En el motor Diesel la cantidad de aire que entra en el cilindro es prácticamente constante aunque varíe la carga o la velocidad (de hecho no existe mariposa) y la regulación de la carga se efectúa actuando en la cantidad de combustible; por consiguiente varía la relación aire-combustible. Al acercarnos a la dosis estequiométrica el motor Diesel emite un humo negro en el escape (emisión de partículas) ya que en algunas zonas de la cámara de combustión se forma una mezcla muy rica y no todas las partículas de carbono y de oxígeno reaccionan entre ellas en el poco tiempo disponible de la combustión. Para evitar esto, se establece una dosificación más pobre de la que corresponde a la máxima potencia. La máxima cantidad de humos aceptable (medida como porcentaje de la opacidad de los gases quemados) corresponde a: 80% para los turismos. 75% para los vehículos industriales.

Efecto de la dosificación en la potencia y el consumo específico en un motor de ciclo Diesel

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SOBREALIMENTACIÓN Sobrealimentación significa introducir en los cilindros una masa de aire superior a la que el motor aspira normalmente y, por consiguiente, posibilidad de introducir una cantidad mayor de combustible. Mediante la sobrealimentación se puede aumentar la potencia de un motor, sin aumentar la cilindrada y el número de revoluciones, u obtener la misma potencia con una cilindrada menor, y por lo tanto con menor peso y tamaño. Se denomina grado de sobrealimentación el valor de sobrepresión, del sistema de sobrealimentación, respecto a la presión atmosférica.

Sobrealimentación con turbo-compresor

MOTORES DE CICLO OTTO En los motores Otto, el límite al aumento del grado de sobrealimentación y por lo tanto de la potencia es la detonación, por lo que es necesario reducir la relación de compresión y enriquecer mucho la dosificación para controlar la temperatura de los gases de escape. Estas intervenciones empeoran el rendimiento termodinámico del ciclo, provocando un aumento considerable del consumo específico. El aire, por efecto de la compresión, se calienta, y su densidad disminuye; para solucionar esto se monta un intercambiador de calor aire-aire (intercooler) que, situado entre el turbocompresor y el colector de admisión, reduce la temperatura del aire aspirado a un nivel suficientemente bajo.

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Al sobrealimentarse un motor de ciclo Otto, se incrementan los esfuerzos térmicos y mecánicos respecto al ciclo normal, por esta razón se incrementan las dimensiones de los órganos principales, se utilizan materiales más resistentes y se mejora la eficiencia de la instalación de lubrificación y refrigeración.

MOTORES DE CICLO DIESEL La sobrealimentación se adapta mejor en los motores Diesel que en los de ciclo Otto. De hecho en los Diesel el aumento de presión reduce el retraso del encendido y por lo tanto facilita el funcionamiento. En estos motores se puede introducir una cantidad adicional de aire y combustible para aumentar la potencia hasta el límite en el que aparezca humo negro. Además, la estructura de los motores Diesel con admisión natural resiste mejor los esfuerzos provocados por la sobrealimentación sin la necesidad de particulares modificaciones mecánicas, salvo las relativas a la lubrificación y refrigeración, como en los motores de ciclo Otto. En general, para no alcanzar una presión máxima demasiado elevada, la relación de compresión se reduce ligeramente, aunque esto no influye en los consumos, siendo esta reducción muy pequeña.

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