Introducción al motor de combustión interna.

Introducción al motor de combustión interna.

La propulsión de los vehículos suele obtenerse mediante motores, también conocidos como motores primarios, es decir, dispositivos mecánicos capaces de convertir la energía química de un combustible en energía mecánica. Por cierto, es probable que el término inglés 'motor' tenga un origen francés en la palabra francesa antigua 'engin', que a su vez se cree que proviene del latín 'ingenium' (que comparte la misma raíz de 'ingénieur' o ' ingeniero').

La energía química del combustible se convierte primero en calor a través de la combustión, y luego el calor se convierte en trabajo mecánico por medio de un medio de trabajo. Este medio de trabajo puede ser un líquido o un gas. En efecto, el calor producido por la combustión aumenta su presión o su volumen específico, y gracias a su expansión se obtiene un trabajo mecánico.

En los motores de combustión interna (ICE), los productos de combustión (por ejemplo, aire y combustible) se utilizan como medio de trabajo, mientras que en los motores de combustión externa, los productos de combustión transfieren calor a un medio de trabajo diferente por medio de un intercambiador de calor. Además, mientras que en los HIELO la combustión se produce en el interior del cilindro, en los motores de combustión externa la combustión se obtiene en una cámara separada, habitualmente denominada quemador.

Clasificación de los tipos de motores.



Desde el proceso de combustión de un ICE cambia las características del medio de trabajo, la operación cíclica se puede obtener solo a través de un reemplazo periódico del medio de trabajo mismo, es decir, a través de un ciclo abierto. El término 'ciclo' para ICE se refiere así al ciclo de trabajo del motor que debe ser reemplazado periódicamente, y no a un ciclo termodinámico del fluido de trabajo. Los combustibles deben tener características compatibles con la operación ICE, lo que significa que sus productos de combustión deben permitir ser utilizados como medios de trabajo (por ejemplo, la combustión no debe formar cenizas como en su chimenea, lo que provocaría el atascamiento del mecanismo del motor).

Motor de combustión interna

Los motores alternativos de combustión interna generalmente se seleccionan para la propulsión de vehículos terrestres con algunas excepciones ( motor electrico para tranvías, trolebuses o coches eléctricos), debido a su densidad de potencia favorable y a sus costes de fabricación y servicio relativamente bajos (en comparación con las turbinas de gas, por ejemplo).

En el ICE alternativo, el movimiento de un pistón dentro de un cilindro, cerrado en el extremo opuesto por la culata, produce una variación cíclica del volumen del cilindro. El pistón está conectado a una biela y una manivela al eje, cuya rotación constante provoca un movimiento cíclico del pistón entre dos posiciones extremas, el punto muerto superior (TDC, más cercano a la culata) y el punto muerto inferior (BDC, mayor distancia desde la culata). Estas dos posiciones corresponden respectivamente al volumen mínimo del cilindro (volumen de holgura, Vc) y al volumen máximo del cilindro (volumen total, Vt). La diferencia entre el volumen máximo y mínimo se denomina volumen de barrido o desplazamiento del cilindro y se denomina Vd. Y finalmente, la relación entre el volumen máximo y mínimo se denomina relación de compresión (rc).

definición de hielo

clasificación ICE

Los motores de combustión se pueden clasificar en diferentes categorías. Los dos más importantes se basan en el proceso de combustión (encendido por chispa vs encendido por compresión) y en el ciclo de trabajo (2 tiempos vs 4 tiempos). La clasificación adicional se puede basar en la admisión de aire (aspiración natural o turboalimentada), el suministro de combustible (inyección indirecta o directa) y sistema de refrigeración (refrigeración por aire o refrigeración por agua). En este artículo, solo se presentarán las diferencias entre los procesos de combustión.

clasificación ICE

Encendido por chispa y encendido por compresión

Chispa de ignición

En los motores de encendido por chispa se utilizan combustibles con una reactividad relativamente baja como la gasolina, el Gas Natural Comprimido (GNC) o el Gas Licuado de Petróleo (GPL). Dichos combustibles se mezclan con aire para formar la mezcla combustible y homogénea de aire/combustible, y luego se comprimen en el motor para alcanzar temperaturas de aproximadamente 700 K (400 °C) y presiones de aproximadamente 20 bar, sin ningún encendido espontáneo.

Este comportamiento puede explicarse en base a las características de la molécula del combustible: los combustibles de hidrocarburo utilizados en los motores de encendido por chispa (SI) están hechos de moléculas de estructura compacta, rígida y de cadena corta (como CH4 para GNC o isooctano C8h28 para gasolina) para que incluso a altas temperaturas y presiones, el tiempo necesario para iniciar el proceso de combustión es bastante largo. Sin embargo, este concepto no debe confundirse con la capacidad de un combustible líquido de evaporarse a temperatura ambiente y formar una mezcla combustible en el aire ambiente. Esta capacidad es alta con la gasolina y determina el riesgo de explosión si se proporciona una fuente de ignición.

En los motores SI, el proceso de combustión solo puede iniciarse (al menos para una combustión clásica) con una fuente externa de energía como una eléctrica Chispa - chispear. La energía añadida a la mezcla por la descarga eléctrica es pequeña (alrededor de 10 mJ de magnitud) pero de todos modos es esencial para iniciar el proceso de combustión.Dibujo del cilindro de encendido por compresión

A partir del primer núcleo encendido por la chispa, la combustión se propaga a través de la mezcla: capa tras capa, el frente de llama viaja a través de la cámara, principalmente gracias a un intercambio de calor convectivo entre los gases quemados y la mezcla fresca, hasta las últimas zonas (llamadas “ gas final”) lejos de la chispa.

La velocidad del frente de la llama es de unos 20-40 m/s, y aumenta considerablemente con la turbulencia dentro de la mezcla (la turbulencia aumenta el área de superficie entre el gas fresco y el gas quemado, por lo que aumenta el intercambio de calor y la velocidad de propagación de la llama). Dado que la intensidad de la turbulencia aumenta con la velocidad del motor y la velocidad del frente de llama es proporcional a la intensidad de la turbulencia, la velocidad del frente de llama aumentará con la velocidad del motor, compensando así la reducción del tiempo disponible para la combustión. Gracias a eso, casi no hay limitación en términos de velocidad del motor para motores SI de la combustión punto de vista (el motor de Fórmula 1 puede funcionar hasta 20 000 revoluciones por minuto).

Sin embargo, la mezcla de aire/combustible, cuando se mantiene a altas temperaturas y presiones durante un tiempo prolongado, eventualmente puede sufrir una autoignición. Por este motivo, pueden producirse combustiones anómalas cuando el gas final se autoinflama espontáneamente antes de la llegada del frente de llama. Esta combustión anormal provoca un aumento repentino de presión del cilindro seguido de ondas de presión dentro de la cámara de combustión que se transmiten a través de la estructura del motor al entorno circundante. Esto se denomina “Golpe” y puede causar daños al pistón y al cilindro debido a las tensiones de fatiga térmica. Para evitar que se produzcan detonaciones, el motor SI debe cumplir con varias limitaciones relativas a la longitud máxima de la trayectoria de la llama (que limita el diámetro máximo del cilindro llamado orificio a unos 100 mm) y la temperatura y presión máximas admisibles del gas final (fresco) (que limitar tanto la relación de compresión como la presión de sobrealimentación).

Además, solo se pueden lograr valores altos de velocidad de la llama si la relación aire/combustible es bastante cercana a la relación estequiométrica: por lo tanto, cuando un motor SI tiene que funcionar a carga parcial, es imposible reducir solo el combustible manteniendo sin cambios la masa de aire en el cilindro. Entonces, se necesita el uso de un dispositivo para reducir el flujo de masa de aire para el control de la carga (a menudo se elige un estrangulador de admisión) incluso si está causando penalizaciones en la eficiencia a carga parcial.

[colored_boxvariation=”moss green” title=”¿Qué es la estequiometría?”]La estequiometría se define como el punto en el que, en la mezcla, se consume todo el oxígeno y se quema todo el combustible. Para la gasolina, la relación dada por masa es 14,7:1 (14,7 gramos de aire por 1 gramo de combustible). [/caja_coloreada]

Encendido por compresión

Evolución de las temperaturas en la cámara de combustiónCuando se utilizan combustibles con mayor reactividad, como el diésel, no se pueden mezclar con aire y luego comprimirse en el cilindro porque, de lo contrario, el proceso de combustión comenzaría espontáneamente durante la carrera de compresión. De hecho, el combustible diésel es una mezcla de hidrocarburos que puede representarse por el cetano, C16H34, con una molécula de cadena lineal larga en la que las reacciones preliminares del proceso de oxidación se desarrollan con bastante rapidez a temperaturas y presiones elevadas.

Por lo tanto, El combustible diesel se inyecta a alta presión. pulverización de líquido en el aire ya comprimido, inmediatamente antes del inicio deseado de la combustión (en caso de combustión diésel clásica). Las pequeñas gotas de combustible (alrededor de 10 µm de diámetro), rodeadas de aire comprimido caliente (alrededor de 900 K), se evaporan rápidamente y el proceso de combustión comienza espontáneamente con un retardo de encendido extremadamente corto.

A diferencia de los motores SI, el proceso de combustión en el motor diésel no puede autoajustar sus características al tiempo disponible para realizar la combustión relacionada con el aumento de la velocidad del motor (es decir, el tiempo requerido para la evaporación del combustible, la mezcla y el retardo del encendido no se reducen con el aumento de la velocidad del motor) . Por lo tanto, estos motores no pueden funcionar a velocidades superiores a 5000 rpm.

Finalmente, a diferencia de los motores SI, no existen requisitos estrictos en términos de relación aire/combustible para este tipo de combustión. A carga parcial, la cantidad de combustible inyectado se reduce manteniendo la misma cantidad de aire aspirado, sin necesidad de dispositivo de estrangulación y, por lo tanto, sin pérdidas añadidas.