Máquinas térmicas de combustión dossier final by julia

Máquinas térmicas de combustión

Júlia Conchillo Tecnología

ÍNDICE • La máquina de vapor…………………………………………………………….3 • Máquinas Térmicas de Combustión Externa Rotativa…………….4 • Comparación entre Otto y Diesel………………………………………….5 • 2 vs 4 tiempos………………………………………………………………...….13 • Máquinas térmicas de combustión interna rotativa……………21 - Turboventilador………………………………………………………………….22 - Turborreactor…………………………………………………………………....26 - Turbohélice………………………………………………………………………..30 - Estatorreactor……………………………………………………………………34 - Motor Wankel………………………………….……………………………..…38

HISTORIA

¿CÓMO FUNCIONA?

La historia de la máquina de vapor se relaciona con Herón con la eolípila, y sigue su curso pasando por la sofisticada máquina de Watt, siendo víctima de las mejoras en Inglaterra en la Revolución Industrial (donde tuvo un papel fonmental), hasta hoy , donde la podemos utilizar en el transporte, entre otras muchas cosas. La primera máquina de vapor fue inventada por Eduard Somerst en 1663, a partir del modelo de Somerset se llevó a cabo la construcción de un modelo llamado Vauxhall en 1665 a Londres, este proyecto tenía como propósito elevar el agua de los pisos superiores de la construcción. La máquina de vapor moderna que se empleaban en la generación de energía son turbo-máquinas. También reciben el nombre de turbinas de vapor. Actualmente, la máquina de vapor alternativa es un motor muy poco empleado para servicios auxiliares.

PARTES

DISTRIBUIDOR El mecanismo encargado de hacer entrar el vapor en el interior del cilindro, alternativamente por un extremo o por el otro, era el distribuidor • Doble efecto: introducía el vapor por los dos extremos del cilindro alternativamente • Simple efecto: el vapor sólo se introducía por un extremo y el pistón volvía a la posición original gracias la inercia.

EL REGULADOR •Cuando la máquina aceleraba la fuerza centrífuga hacía despegar las bolas. Este desplazamiento hacía cerrar una válvula de acceso del vapor al cilindro, lo que provocaba una disminución de la velocidad de la máquina. • Cuando las bolas bajaban, la válvula de vapor volvía a abrirse y la máquina volvía a acelerar.

QUÉ ES? •Máquina rotativa de combustión externa normalmente utilizadas para accionar generadores.

¿CÓMO FUNCIONA?

•Partes de la turbina de vapor y principio de funcionamiento. •Se produce el vapor de agua en la caldera a partir de una combustión (al igual que las máquinas alternativas).

PARTES TIPOS • Turbinas de acción: El vapor es conducido hacia la turbina y pasa por unas toberas que dirigen el vapor hacia una álabes situados en la periferia del rodillo giratorio, la enorme presión del vapor la hace girar. •Turbinas de acción y reacción: •Primeramente actúa como una turbina de acción pero al salir del rodillo giratorio y debido a la inclinación de los álabes, es dirigido hacia los álabes del rodete fijo que también están inclinados de manera que lo dirigen de nuevo hacia el rodillo siguiente, y así sucesivamente.

Para entenderlo mejor

COMPARACIÃ&#x201C;N:

CÓMO FUNCIONAN? • Admisión. • Compresión. • Trabajo ( explosión -Otto, autocombustión – Diesel). • Escape. • Estos ciclos pueden cumplirse en dos tiempos como en cuatro.

FUNCIONAMIENTO OTTO • 4 FASES: • Tiempo de admisión: se abre la válvula de admisión y penetra la mezcla de combustible y aire, a presión constante. • Tiempo de compresión: la mezcla de gases se comprime y posteriormente a volumen constante, al final de esta carrera, una chispa producida por la bujía, inflama la mezcla cuya combustión tiene lugar rápidamente. • Tiempo de expansión (carrera de trabajo): los gases resultantes de la combustión se expanden, impulsando el pistón hacia abajo. • Tiempo de escape: se abre la válvula de escape lo que provoca que la presión dentro del cilindro disminuya a volumen constantehasta presión atmosférica. Al subir el pistón, los gases se expulsan a presión constante. SEMEJANZAS

DIFERENCIAS 7

FUNCIONAMENTE DIESEL • 4 FASES: • Tiempo de admisión: se abre la válvula de admisión y penetra aire a presión constante. • Tiempo de compresión: el aire se comprime y al final de esta carrera, se introduce el combustible mediante un inyector. La mezcla se incendia sin necesidad de chispa (bujía).

• Tiempo de expansión (carrera de trabajo): la expansión de los gases de combustión se lleva acabo primero a presión constante y posteriormente de manera adiabática, empujando el pistón hacia abajo. • Tiempo de escape: al elevarse de nuevo el pistón, se abre la válvula de escape que permite que disminuya la presión dentro del cilindro a volumen constante y que salgan los gases a presión atmosférica. SEMEJANZAS

DIFERENCIAS 8

ASPECTOS COMUNES •

•

Tiempo de expansión y tiempo de escape. (explicado anteriormente)

Algunas partes: - Monoblock o Bloque del Motor. - Culata. - Junta de Culata o Empaquetadura. - Tapa de Balancines y Carter. - Colector o Múltiple de Admisión y Escape. - Pistón o Embolo. - Biela - Segmentos o Anillos de Lubricación y Compresión. - Cigüeñal. - Volante de Inercia o muñón del Cigüeñal. - Conjunto de Válvulas. - Árbol de Levas - Elementos de Transmisión ( Por Faja o Cadena )

- Elementos Auxiliares : -En el Sistema de lubricación o Engrase: Circuito de Engrase Bomba de Aceite Filtro de Aceite - En el Sistema de Refrigeración: Radiador termostato Circuito de Refrigeración Bomba de Agua Ventilador

PRINCIPALES DIFERENCIAS • El combustible y la Alimentación del Combustible. OTTO: • Usa la Gasolina para la combustión y la generación de fuerza y movimiento. • Por la explosión del combustible, y por medio de las bujías se generará la energía para mover el cigüeñal .

• El Carburador es el elemento principal de la Alimentación. Qué hace el carburador? Es el dispositivo que se encarga de preparar la mezcla de airecombustible .

DIESEL: • Usa Diesel o Gasoil para la combustión y la generación de fuerza y movimiento. • La auto combustión del diesel, la temperatura elevada que dará la presión ejercida en cada cilindro y los precalentadores que actuarán como ayuda, para que la temperatura en la cámara se eleve, generarán la energía para mover el cigüeñal. • Bomba diesel: se encarga de distribuir el combustible a las cámaras por medio de los inyectores, y así lograr la auto inflamación y el funcionamiento del motor. 10

USOS

• OTTO: COCHES

• DIESEL: MAQUINARIA PESADA

AGRUPACIÃ&#x201C;N DE CONOCIMIENTOS

OTTO

DIESEL 12

2 vs 4 TIEMPOS

SIMILITUDES FUNCIONAMIENTO • Tiempo de admisión: se abre la válvula de admisión y penetra la mezcla de combustible y aire, a presión constante.

• Tiempo de compresión: la mezcla de gases se comprime y posteriormente a volumen constante, al final de esta carrera, una chispa producida por la bujía, inflama la mezcla cuya combustión tiene lugar rápidamente. • Tiempo de expansión (carrera de trabajo): los gases resultantes de la combustión se expanden, impulsando el pistón hacia abajo. • Tiempo de escape: se abre la válvula de escape lo que provoca que la presión dentro del cilindro disminuya a volumen constantehasta presión atmosférica. Al subir el pistón, los gases se expulsan a presión constante.

DIFERENCIAS FUNCIONAMIENTO 4 tiempos: • Completa cada fase del ciclo termodinámico por separado. • Realiza 4 movimientos lineales del pistón. • Generando 2 revoluciones del cigüeñal. • Usa aceite para lubricar • Menos potencia • Menos gasto de combustibe • Más tiempo • Más rendimiento

2 tiempos: •Completa en dos pares de procesos: admisión y compresión(primer tiempo), combustión y escape (segundo tiempo). •Realiza 4 movimientos lineales del pistón. •Generando 1 revoluciones del cigüeñal. •Usa agua, combustible y algunas gotas de aceite, para lubricar. •Mayor potencia •Mayor gasto de combustible •Menos tiempo •Menos rendimiento

SIMILITUDES CONSTRUCCIÓN • Ambos motores poseen lo mismos componentes: • Cilindros • Pistones

• Sistema biela-manivela • Cigüeñal

• Entre otros…

DIFERENCIAS CONSTRUCCIÓN • 4 Tiempos: • Los pistones realizan su función únicamente con una cara, la superior. • Funciona como recipiente de aceite lubricante que es esparcido por todo el motor mediante una bomba.

2 tiempos: •Ambas caras de los pistones realizan una acción, de acuerdo al tiempo que corresponda.

•Funciona como cámara de compresión, es sellado. De esta manera el aceite lubricante tiene que ser añadido de manera directa con el combustible.

VENTAJAS • 4 tiempos:

• 2 tiempos:

• Consume menos gasolina por lo que reduce la producción de gases y la contaminación.

• Construcción mucho más sencilla. ( más liviano y económico).

• Menos vibración y desgaste. • Motor más confiable.

• Más potencia y marcha más regular. • Posicionamiento muy versátil, ya que no existe el problema de tener un cárter para almacenar el lubricante.

DESVENTAJAS • 4 tiempos:

• 2 tiempos:

• Por su complejo de construcción el valor y el peso aumentan.

• Genera gases muy contaminantes debido a que quema el lubricante junto al combustible y nunca se llega a quemar por completo.

• Las reparaciones tienden a ser más costosas. • Generan menor potencia a una misma cilindrada.

• Menor rendimiento ya que no se esta aprovechando el combustible al máximo. • Mayor vibración y desgaste en los componentes internos. 19

¿CUÁL PREFIERES?

2 TIEMPOS

4 TIEMPOS 20

MÁQUINAS DE COMBUSTIÓN INTERNA ROTATIVA

TURBOVENTILADOR (o turbofan) • ¿Qué es? • Los motores de aviación tipo turbofan —a veces turbofán— son una generación de motores de reacción que ha reemplazado a los turborreactores o turbojet. También se suelen llamar turborreactores de doble flujo. • Se caracterizan por disponer de un ventilador —fan— en la parte frontal del motor. El aire entrante se divide en dos caminos: flujo de aire primario y flujo secundario o flujo derivado —bypass—. El flujo primario penetra al núcleo del motor, y el flujo secundario se deriva a un conducto anular exterior y concéntrico con el núcleo. • El turbofan más potente actualmente es el General Electric GE90115B con 512 kN de empuje.

• Ventajas respecto turborreactores: Consumen menos combustible, lo que los hace más económicos, producen menor contaminación y reducen el ruido ambiental. • Se utiliza en dos sistemas: Sistema antihielo y sistema de arranque • Hay tres tipos: Turbofan de bajo índice de derivación (low bypass) Turbofan de alto índice de derivación (high bypass) Propfan

• Componentes principales: • Entrada de aire: es la primera etapa del proceso de propulsión. Suele ser una abertura circular y lisa por donde se recoge el aire. • Ventilador: situado al frente del motor, es un compresor de mayor tamaño que los demás, lo que permite dividir el aire entrante en dos flujos. La corriente primaria pasa a través de los compresores de baja y alta presión. • Compresores: con un diseño similar al ventilador frontal pero más pequeños, su función es aumentar la presión del aire antes de entrar en la cámara de combustión. • Cámara de combustión: con una forma circular, es el lugar donde el aire presurizado se mezcla con el combustible y se quema. • Turbinas: el aire caliente que sale de la cámara pasa a través de los álabes de varias turbinas, haciendo girar los ejes que mueven los compresores y el ventilador. • Tobera: es un pequeño orificio situado en la parte posterior del motor. Las estrechas paredes de la tobera fuerzan al aire a acelerarse, produciendo empuje debido al principio de acción y reacción. • Conducto del flujo secundario: rodea concéntricamente al núcleo del motor. Sus paredes interna y externa están cuidadosamente perfiladas para minimizar la pérdida de energía del flujo secundario de aire y optimizar su mezcla con el escape del flujo primario. 24

TURBORREACTOR • ¿Qué es? Un turborreactor es un motor de funcionamiento continuo, a diferencia de los motores alternativos, de funcionamiento discontinuo. Los grandes compresores axiles o centrífugos llevan enormes volúmenes de aire a una presión aproximada de 8 atmósferas para comprimirlos. Una vez que se dispone del aire comprimido, se introduce en cámaras de combustión en las que se quemará combustible de forma continua para proporcionar energía a ese aire. El aire, a mayor presión y a mayor temperatura, se traslada hasta la turbina. Allí se expande parcialmente y consigue la energía necesaria para mover el compresor. Luego, el aire pasa por la tobera de escape, donde se acelera hasta la salida, de modo que la presión existente se transforme en velocidad. En este tipo de motor la fuerza motora se obtiene gracias a la cantidad de movimiento generado. El aire es lanzado hacia atrás haciendo que la nave se vea impulsada hacia delante. En aeronáutica se usa este tipo de motores porque permiten mucha más potencia que los motores alternativos a igualdad de peso. 26

• Comparación con otros motores similares: Este tipo de motores es ampliamente utilizado en aeronáutica, dado que presenta varias ventajas frente a los motores alternativos: Es más eficiente en términos de consumo de combustible. Es más sencillo y tiene menos partes móviles. Tiene una mejor relación peso/potencia. Requiere menor mantenimiento. La vida útil es más larga. • Ventajas significativas: Carencia de piezas móviles. Relaciones peso/empuje mayores que los reactores. Imposibilidad de fallo por ingestión de partículas sólidas. Posibilita usar otros combustibles como aceites naturales, alcoholes o gases licuados sin modificación alguna. Construcción simple. Fácil disponibilidad de materiales. • Tipos: • Turborreactor de flujo centrífugo Turborreactor de flujo axial 27

• Componentes principales: • Compresores: con un diseño similar al ventilador frontal pero más pequeños, su función es aumentar la presión del aire antes de entrar en la cámara de combustión. • Cámara de combustión: con una forma circular, es el lugar donde el aire presurizado se mezcla con el combustible y se quema. • Turbinas: el aire caliente que sale de la cámara pasa a través de los álabes de varias turbinas, haciendo girar los ejes que mueven los compresores y el ventilador. • Tobera: es un pequeño orificio situado en la parte posterior del motor. Las estrechas paredes de la tobera fuerzan al aire a acelerarse, produciendo empuje debido al principio de acción y reacción. • Conducto del flujo secundario: rodea concéntricamente al núcleo del motor. Sus paredes interna y externa están cuidadosamente perfiladas para minimizar la pérdida de energía del flujo secundario de aire y optimizar su mezcla con el escape del flujo primario. 28

TURBOHÉLICE • Que és? Un turbohélice es un tipo de motor de turbina de gas que mueve una hélice. Comparado con un turborreactor, los gases de escape apenas contienen energía para producir un empuje significativo. En su lugar, se utilizan para mover una turbina conectada a un eje. Aproximadamente un 90 % del empuje es producido por la hélice y el 10 % restante por los gases de escape. El turbohélice es un punto intermedio entre el motor alternativo y el turborreactor.

• Comparación con el turborreactor: Los turbohélice tienen algunas ventajas respecto a los turborreactores:6 La potencia disponible es en gran medida independiente de la velocidad de avance de la aeronave, obteniendo más potencia en la fase inicial del despegue. Se produce un fenómeno de rebufo o soplado tras la hélice que mejora la eficiencia del timón de profundidad y del timón de dirección a bajas velocidades. Son más eficientes a altitudes bajas y medias y a baja velocidad, consumiendo aproximadamente un tercio menos de combustible por pasajero. Responden de manera más rápida a las variaciones de potencia. Pueden operar en pistas más cortas. Sin embargo, tienen también algunos inconvenientes: No son eficientes a velocidades altas (más de 830-900 km/h). Poseen un techo de operación mucho más bajo, lo que reduce la velocidad con respecto al suelo. • Hay tres tipos: Eje único Turbina libre 31

• Componentes principales: • Entrada de aire: es la primera etapa del proceso de propulsión. Suele ser una abertura circular y lisa por donde se recoge el aire. • Hélice: tiene hélice en vez de ventilador. • Compresores: con un diseño similar al ventilador frontal pero más pequeños, su función es aumentar la presión del aire antes de entrar en la cámara de combustión. • Cámara de combustión: con una forma circular, es el lugar donde el aire presurizado se mezcla con el combustible y se quema. • Turbinas: el aire caliente que sale de la cámara pasa a través de los álabes de varias turbinas, haciendo girar los ejes que mueven los compresores y el ventilador. • Tobera: es un pequeño orificio situado en la parte posterior del motor. Las estrechas paredes de la tobera fuerzan al aire a acelerarse, produciendo empuje debido al principio de acción y reacción. • Conducto del flujo secundario: rodea concéntricamente al núcleo del motor. Sus paredes interna y externa están cuidadosamente perfiladas para minimizar la pérdida de energía del flujo secundario de aire y optimizar su mezcla con el escape del flujo primario. 32

ESTATOREACTOR (O PULSOREACTOR) • ¿Qué es? Un estatorreactor es un tipo de motor de reacción que carece de compresores y turbinas, pues la compresión se efectúa debido a la alta velocidad a la que ha de funcionar. El aire ya comprimido se somete a un proceso de combustión en la cámara de combustión y una expansión en la tobera de escape. El régimen de trabajo de este motor es continuo. También conocido por su nombre inglés «ramjet», si el estatorreactor es de combustión subsónica, y «scramjet», si el estatorreactor es de combustión supersónica.

• Funcionamiento: • En primer lugar, el aire se dirige hacia la entrada del reactor, que está en movimiento a gran velocidad, donde resulta parcialmente comprimido y aumenta su temperatura por el efecto de presión dinámica. Si la velocidad a la que entra el aire en el motor es lo bastante alta, esta compresión puede ser suficiente y el reactor podría funcionar sin compresor ni turbina. • El siguiente paso es el de la combustión del aire, cuyo proceso se realiza en la cámara de combustión, donde hay una serie de inyectores que pulverizan el combustible de manera continua. Cuando el combustible y el aire se mezclan en la cámara de combustión una serie de bujías encienden la mezcla y comienza la combustión, alcanzándose altas temperaturas (unos 700º C), por lo que es necesario aislar la cámara de combustión con un recubrimiento cerámico especial. • Finalmente, los gases resultantes de la combustión salen a gran velocidad por la tobera de escape, la cual puede tener dos formas: convergente o divergente. La principal diferencia está en su utilización: las convergentes son utilizadas para la propulsión subsónica y las divergentes para velocidades supersónicas. 35

• Componentes principales: • Entrada de aire: es la primera etapa del proceso de propulsión. Suele ser una abertura circular y lisa por donde se recoge el aire. • Bujía: donde se produce la chispa eléctrica que inflama la mezcla explosiva comprimida; contiene dos hilos separados entre los que la corriente de alto voltaje produce un arco voltaico que genera la chispa que enciende el combustible dentro del cilindro. • Tobera: es un pequeño orificio situado en la parte posterior del motor. Las estrechas paredes de la tobera fuerzan al aire a acelerarse, produciendo empuje debido al principio de acción y reacción. • Inyector de combustible: su función es introducir una determinada cantidad de combustible en la cámara de combustión en forma pulverizada, distribuyéndolo lo más homogéneamente posible dentro del aire contenido en la cámara. • Salida de gases: es la última etapa del proceso. Suele ser una abertura circular y lisa por donde se expulsan los gases. 36

MOTOR WANKEL • ¿Qué es? El motor Wankel es un tipo de motor de combustión interna, inventado por Félix Wankel, que utiliza rotores en vez de los pistones de los motores alternativos. • Ventajas • Menos piezas móviles: el motor Wankel tiene menos piezas móviles que un motor convencional, tan solo 4 piezas: bloque, rotor (que a su vez está formado por segmentos y regletas), árbol motor y sistema de refrigeración/engrase (similar a los que montan los motores de pistón). Esto contribuye a una mayor fiabilidad. Suavidad de marcha, Menor velocidad de rotación, Menores vibraciones, Menor peso. • Inconvenientes: Emisiones,Costos de mantenimiento, Consumo, Difícil estanqueidad, Sincronización, Encendido, Mantenimiento, Freno motor… 38

• Funcionamiento: •

Es un motor rotativo de 4 fases pero en zonas distintas del estátor o bloque, con el pistón moviéndose sin detenciones de un tiempo a otro. Más concretamente, la envolvente es una cavidad con forma de 8, dentro de la cual se encuentra un rotor triangular o triángulo-lobular que realiza un giro de centro variable (rotor excéntrico). Este pistón transmite su movimiento rotatorio a un eje cigüeñal que se encuentra en su interior, y que gira ya con un centro único.

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Al igual que un motor de pistones, el rotativo utiliza la presión producida por la combustión de la mezcla aire-combustible. La diferencia radica en que esta presión está contenida en la cámara formada por una parte de la envolvente o estátor y cerrada por uno de los lados del rotor triangular, que en este tipo de motor reemplaza a los pistones. Estos motores, en su mayoría, desarrollan una mayor potencia que los cilíndricos debido a una mayor compresión aero-explosiva.

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El rotor sigue un recorrido en el que mantiene sus 3 vértices en contacto con el "estátor" o "epitrocoide", delimitando así tres compartimentos separados de mezcla. A medida que el rotor gira dentro de la cámara, cada uno de los 3 volúmenes se expande y contrae alternativamente; es esta expansión-contracción la que aspira el aire y el combustible hacia el motor, comprime la mezcla, extrae su energía expansiva y luego expulsa los gases quemados hacia el escape. 39

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Componentes principales: Entrada de aire: es la primera etapa del proceso de propulsión. Suele ser una abertura circular y lisa por donde se recoge el aire. Cámara de combustión: con una forma circular, es el lugar donde el aire presurizado se mezcla con el combustible y se quema. Piñón: Rueda pequeña y dentada que engrana con otra mayor en una máquina. Pistón (rotor): Pieza de una bomba o del cilindro de un motor que se mueve hacia arriba o hacia abajo impulsando un fluido o bien recibiendo el impulso de él. Corona: utilizado en transmisiones, sea en un engranaje o en una transmisión por cadena o transmisión por correa dentada. Eje excéntrico (cigüeñal): está destinada a transformar el movimiento rectilíneo de los pistones en rotativo, o viceversa. Bujía: donde se produce la chispa eléctrica que inflama la mezcla explosiva comprimida; contiene dos hilos separados entre los que la corriente de alto voltaje produce un arco voltaico que genera la chispa que enciende el combustible dentro del cilindro. Salida de gases: es la última etapa del proceso. Suele ser una abertura circular y lisa por donde se expulsan los gases.