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Máquinas Térmicas
Cáp. V
CICLOS REALES DE LOS MCI
5.1.
INTRODUCCION.-
Los motores de combustión interna trabajan en distintas zonas y condiciones de
funcionamiento, a demás en distintos regímenes de funcionamiento de acuerdo al
tipo de motor desde 800 hasta 6000 rpm para motores a gasolina y de 800 hasta
5000 rpm para motores diesel.
Teniendo en cuenta los principios de los ciclos ideales de los MCI, determinar
parámetros termodinámicos de los diferentes procesos es rápido y sencillo, que
ignoran la influencia de muchas variables importantes que los ciclos ideales no
consideran.
Los ciclos reales de los MCI, se implementaran definiciones termodinámicos más
precisas, que formaran parte del análisis, discusión de cada uno de los procesos,
de manera real de funcionamiento de un MCI, de manera coherente en las
aproximaciones de los parámetros termodinámicos.

En los motores encendidos por chispa el proceso de formación de la
mezcla de aire – combustible, comienza anticipadamente en el proceso de
admisión, lo cual en el proceso de admisión se produce una caída de
presión, lo que significa que la presión atmosférica no es constante en este
proceso, debido a la hidrodinámica.

La sustancia de trabajo en el SCP de un MCI, pues en realidad es una
mezcla de sustancias gaseosas comportándose como gases reales que la
constitución molecular va sufriendo cíclicamente cambios en su
constitución:
Combustible + Aire → Gases de Combustión

Al ser el aire como una sustancia de trabajo predominante en la
combustión y al analizar las propiedades térmicas del aire, se puede ver
que todas estas tienen un comportamiento global suficientemente próximo
a las del aire en su comportamiento como gas real, lo que significa que las
propiedades térmicas Cp, Cv, K y R variaran en función a la temperatura
a lo largo de los procesos.

Los procesos de compresión y expansión, realizan continuamente
intercambios de calor a través de las paredes del SCP, por consecuencia
dejaran de ser procesos isentrópicos, pasaran a ser reajustados a procesos
politrópicos.
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Son consideraciones básicas en el presente capitulo a estudiar.
5.2.
PROCESO DE ADMISION.-
Para desarrollar un ciclo de trabajo los motores a gasolina, los procesos de
admisión y escape están vinculados entre sí, debido a la expulsión de los gases
quemados producto de la combustión, al ingresar la mezcla de carga fresca que se
admite en el cilindro, a consecuencia de aquello estos proceso van relacionados,
porque de ello dependerá la calidad con que limpia en el SCP al ser admitido la
carga de fresca admitida en el cilindro, de esta manera el proceso de admisión
debe ser analizado tomando en cuenta estas consideraciones que caracterizan el
proceso de escape, examinado todo el complejo de fenómenos que se refieren al
proceso de intercambio de gases en conjunto, es necesario analizar los siguientes
parámetros a considerar en el proceso de admisión.

En los diagramas de las fases de distribución de los gases, en los
diagramas indicados los instantes de adelantos a la apertura de la válvula
de admisión, el retraso al cierre de la válvula de escape, están en función
al ángulo de rotación del cigüeñal y de la carrera del pistón, lo cual hace
que influya en la alimentación del motor.

La disminución de la presión en el sistema de admisión y en el cilindro
depende del régimen de velocidad del motor, de las resistencias
hidráulicas en todos los elementos del sistema, del área de secciones de
paso por donde se desplaza la carga fresca y de su densidad, después de
abrir la válvula de admisión, se produce la caída de presión, donde la
presión de alimentación en el cilindro resulta menor que la presión
atmosférica pk  patm o sea que pk  p1' .

La existencia de cierta cantidad de gases residuales (mr) que se quedan en
la cámara de combustión (Vc) producto de la combustión al no ser
expulsados completamente los gases quemados, causa el efecto de
calentamiento sobre la carga de admisión que se ejercen en las paredes
del SCP en consecuencia disminuye la densidad de la masa de carga
fresca admitida en el cilindro.

El efecto de la inercia en el desplazamiento de la carga fresca a través del
sistema de admisión hasta llegar al SCP, a consecuencia de estos factores
se harán difícil el llenado completo de la mezcla de aire combustible
cilindro durante el proceso de admisión.
5.2.1. CARACTERÍSTICAS
ADMISIÓN.-
DE
LA
PRESIÓN
Página 2
DEL
PROCESO
DE
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La existencia de ciertas resistencias en el proceso de admisión conduce a que la
cantidad de carga fresca admitida en el cilindro, disminuye debido al
decrecimiento de la densidad de la carga, la influencia de las perdidas hidráulicas
sobre el llenado, se tendría que analizar el uso de la teoría hidráulica (Utilizando
la ecuación de Bernoulli) aplicada a las características de este sistema
p0
FILTRO
INYEC
Va
Ve
MCI
p '1
W
Po  p'1  p  po  p'1
p  po  p'1
En términos generales la presión atmosférica será igual a la presión de
alimentación del cilindro.
Para poder determinar los cálculos con exactitud la caída de presión en la
admisión, existe una tabla de la caída de presión que se puede estimar en función
a márgenes establecidos a partir de esta tabla tomando en cuenta las
características de los motores.
Motor Gasolina Atm MG
Motor Diesel Atm MD
p'1 dos válvulas
p'1 cuatro válvulas
(0,8 – 0,87)pk
(0,8 – 0,85)pk
(0,86 – 0,93)pk
(0,86 – 0,9)pk
La caída de presión en el sistema de admisión será un factor que disminuirá la
cantidad de carga fresca admitida, con la consecuente disminución de potencia
desarrollada por los MCI.
El objetivo tecnológico es de optimizar el proceso de admisión, que esto significa
que las paredes deberán ser más lizas y optimización geométrica del múltiple de
admisión para disminuir la magnitud de la resistencia hidráulica del sistema,
incremento de las secciones críticas de la admisión a través de los sistemas
multiválvulares de admisión.
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5.2.2. TEMPERATURAS CARACTERISTICAS
En condiciones reales de funcionamiento es evidente que la temperatura de la
carga fresca al final de la admisión no será la misma que de la alimentación, para
evaluar esta temperatura final se tendrá que tomar en cuenta lo siguientes pasos:
 Calentamiento de la carga antes del ingreso al cilindro (Th).Debido a que las paredes de los ductos de admisión están calientes, estas
aportaran calor a la carga fresca incrementando su temperatura en:
T  Th  TkK
De acuerdo a las formas de admisión se tienen los siguientes parámetros para
estimar la temperatura de la carga fresca hasta antes de su ingreso al cilindro
(Th)
o
Motores de gasolina atmosféricos
To
FILTRO
INYEC
Va
Ve
Th
MCI
W
Calentamiento de la carga de admisión antes del ingreso a los cilindros de un MCI
gasolina.
T  Th  ToK  Donde T  0.........20K
o
Motores diesel atmosféricos
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To
FILTRO
Va
Ve
Th
MCI
W
Calentamiento de la carga de admisión antes del ingreso a los cilindros de un MCI
Diesel.
T  Th  ToK  Donde T  20.........40K
 CALENTAMIENTO FINAL DE LA CARGA DE ADMISIÓN AL
INGRESAR AL SCP
Debido a los gases residuales calientes que se quedan en la cámara de
combustión, paredes interiores calientes del SCP, la carga fresca al ingresar
al cilindro sufrirá un incremento adicional importante de temperatura, para
poder calcular este calentamiento final de la carga de admisión, se tiene que
establecer márgenes aproximativos de ciertos parámetros característicos de
la admisión basados en el seguimiento experimental del funcionamiento de los
MCI
o Coeficiente de los gases residuales (µ)
El coeficiente de los gases residuales es igual al cociente entre la masa de los
gases residuales y la masa de la carga fresca admitida:

Mh; Th
mr
mh
Va
Se pueden asumir los siguientes valores característicos.
Ve
mr Tr
PMS
µ=0,06......0,1 MG4T
µ=0,03......0,06 MD4T
o
Presión del gas residual (pr)
pr  ( 1,1.....1,25 )Pk
o
A
|
Donde pk=po
Temperatura de los gases residuales (Tr)
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PMI
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Tr  900  1000K
Donde para MG4T
Tr  700  900K
Donde para MD4T
En función a los valores propuestos se podrá definir la temperatura de la masa
gaseosa contenida en un cilindro al final de la admisión (T’1) se tendrá:
T 1' 
Th   .Tr
K 
1 
Por lo tanto los diagramas termodinámicos para el proceso de admisión de los
diferentes sistemas de admisión serán:
p
T
p’1
po
po=pk para MCI ATMOSFERICOS
T’1
To
po=pK
p
0
V’1=Vh+Vc
Vc
1'
O – ‘1 Calentamiento y caída de
presión de la carga fresca de admisión
1'
Vc
0
v
s
vh
PMS
PMI
P
roceso de admisión para el ciclo real en Diagrama de Presión – Temperatura.
5.2.3. ANÁLISIS DE LAS MASAS CARACTERÍSTICAS
Pues debido a la inercia de los gases y las altas velocidades de desplazamiento
del pistón en la admisión y expulsión, el llenado volumétrico del cilindro con la
carga fresca no se logra hacer de forma completa esto significa que el volumen
real llenado con carga fresca es menor que el volumen de la cilindrada.
Para evaluar el rendimiento volumétrico es:
nv 
Vreal
Vh
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1
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A partir de esta relación se logra desarrollar una formula mas explicita con
factores característicos de la admisión:
nv 
1 .rk . p' 1.Tk
( rk  1 ) pk( Th   . sTr )
Esta fórmula esta desarrollado de forma general tanto para MCI de 2 – 4 tiempos,
para un motor de 4 tiempos se puede expresar de la siguiente forma:
nv 
 p' 1
Tk
pr 
rk
 s
Th( rk  1 )  pk
pk 
Donde: k denota las condiciones características de alimentación tanto de presión y
temperatura
μ1= Coeficiente de Recarga 1 ..... 1,08
μs =Coeficiente de soplado: 1 para MCI atmosféricos
Con la definición de este rendimiento se tiene herramienta necesaria para que las
relaciones ideales de masas gaseosas desarrolladas puedan reajustarse a:
Masa de carga fresca admitida:
mh 
pk * nv * vh
Kg 
R * Tk
Relación masa gaseosa total contenida en el SCP al final de la admisión
m
pk * ( Vc  nv * vh )
Kg
R * Tk
Relación Flujo másico de masa de carga fresca admitida.
mh 
nv * Vh * pk * n * i
Kg / s
30 * NTM * R * Tk
pk=po MCI atmosféricos
5.3.
PROCESO DE COMPRESIÓN.-
El proceso de compresión las propiedades de temperatura y la presión de
compresión se elevan, en términos reales estos procesos de compresión
isentropicos pasan a ser reajustados a procesos politropicos, porque
contantemente van intercambiando calor a través de las paredes del SCP.
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p
T
p’1
p2
2
p2
pV n1  Cte
W
p’1
2
‘1
1'
V’1=Vh+Vc
V2=Vc
Vc
v
s
vh
PMS
PMI
DIAGRAMA DE p-v y T-S PROCESO DE COMPRESIÓN POLITROPICA
pV n1  Cte
p'1 V1n1  p2V2 n1  Cte
Se tiene la siguiente relación :
p2  p'1 rk n1 K 
T2  T'1 rk n11 K 
w12 
p2V2  p'1 V1
J 
1  n1
Las relaciones anteriores son las convencionales
En el proceso de compresión el exponente politrópico de la compresión varía de
acuerdo al seguimiento experimental del funcionamiento del motor, dichos valores
suelen ser:
n1
1,3 – 1,37
1,3 — 1,4
Motores gasolina
Motores diesel
Los valores del exponente politrópico, son valores promedio Estándar, estos
valores varían a lo largo del proceso de la compresión, que depende de la
frecuencia de rotación del motor y el estado de estanqueidad del SCP.
Esto significa que mientras más lento sea el proceso de compresión mayor tiempo
para el intercambio de calor, por lo tanto disminuirán los valores de n1 donde se
podrá determinar por la relación:
n1  1,41 
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n
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La potencia en los MCI es un factor muy importante que podrá desarrollar un
determinado motor?
Pero para consolidar la conciencia plena de que la base termodinámica de un
MCI es el eslabón principal en relación existente entre sus dimensiones y la
generación de potencia:
5.4.

Se ha visto necesario que a partir del tamaño del motor implícitamente el
trabajo desarrollado que está en función a la cilindrada (Vh) esto significa
de que el diámetro y la carrera está involucrada.

El sistema de admisión que son independientes, en un MCI está en función
al sistema de alimentación, que pueden ser motores atmosféricos,
sobrealimentados, intercooler, tanto motores gasolina, Diesel, las rpm del
motor.
PROCESO DE COMBUSTIÓN.-
CALOR ESPECIFICO [KJ/Kg ºk]
Debido a que el aire es predominante en la masa de la carga contenida en el SCP,
y que los gases resultantes de la combustión tienen propiedades similares a las del
aire, esto lleva a la decisión de que todas las propiedades térmicas del aire
comportándose como gas real estos varían de acuerdo a la temperatura de
acuerdo a la tabla de la variación de los calores específicos del aire.
1.4
1.3
1.2
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0.6
Cp
Cv
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
TEMPERATURA ºK
Las variaciones de las propiedades de Cp, Cv, k, del aire se evaluaran a través de
estos gráficos.
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γ = Cp / Cv [KJ/Kg ºk]
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1.42
1.4
1.38
1.36
1.34
1.32
k
1.3
1.28
1.26
500
0
1000
1500
2000
2500
3000
TEMPERATURA ºK
5.4.1. COMBUSTIÓN PARA EL CICLO OTTO.La combustión en el ciclo Otto, el proceso de combustión es a volumen constante,
de acuerdo al calor generado por la combustión en un motor de gasolina, debido
a las características de la mezcla Aire + Combustible pobre, trae como
consecuencia la combustión parcial de la gasolina esto significa que la
combustión en los motores a gasolina no es completa, existe un coeficiente de
Rendimiento por la combustión incompleta en los MCI de gasolina, esto es igual a:
q23  cmcHU J 
ηc= 0,85.....0,95 Rendimiento por la combustión incompleta en los MCI de
gasolina.
HU = 44x106 J/Kg poder calorífico del combustible.
Entonces la expresión para determinar el calor generado en la combustión será:
q23  c.mc.HU J   m.Cv.( T3  T2 )
De donde:
T3 
c.mc.HU
m.Cv
 T2 K 
p3  T3 .

p2
N / m2
T2

w23  0
Para determinar la masa del combustible se tomara en cuenta la relación de aire
combustible real que está en función al defecto del aire, tal como:
Ra / c  .ra / c kga / kgc
Donde   0,9...1 ; ra / c  15
Lamba es el defecto del aire, que a consecuencia de la alimentación de los
motores, a demás de acuerdo a la frecuencia de giro del motor este defecto de aire
varía de acuerdo al funcionamiento del motor, se considera como el exceso de aire
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conocido como mezcla pobre; poca cantidad de aire o defecto de aire conocido
como la mezcla rica, de acuerdo a la tecnología los coches modernos que llevan
los sistemas de inyección electrónica tienden a funcionar con mezclas poco ricas
en combustible por la economía del combustible cada vez más completos, con
menos cantidad de emisiones de monóxido de carbono.
En un motor de gasolina la carga fresca está constituida por aire más gasolina o
sea:
mh=ma+mc
Entonces para determinar la masa del combustible se utilizara la siguiente
expresión:
mc 
mh
kg 
Ra / c  1
La temperatura promedio estimada entre T2 y T3 estará en función al cálculo
desarrollado del motor a gasolina
5.4.2. PROCESO DE COMBUSTIÓN PARA EL CICLO DIESEL.Este ciclo es el mejor que se adecua a los motores diesel actuales, donde la
combustión se desarrolla en dos fases, donde la primera fase se desarrolla
rápidamente, dando lugar a un proceso muy similar al de volumen constante,
luego la segunda fase se desacelera generando a si la fase final de combustión a
presión constante entonces tendremos:
 
V3  V2 m3

p3   . p2 N / m 2

T3   .T2 K 
Donde α = 1,4.......1,8
Estos valores de alfa corresponden a los motores con cámaras de combustión
simples α = 1,4.......1,8.
Para motores con cámaras separadas, normalmente el valor de alfa se usara
valores de α = 1,6.......1,8
Para determinar la temperatura T4
mc.HU  mCv.( T3  T2 )  cp .(T4  T3 )
Donde la masa del combustible en un motor diesel esta en relación directa con la
cantidad de aire admitida en el SCP, pues la carga admitida está enteramente
constituida por aire, por lo tanto la masa del combustible será:
mc 
mh
kg 
Ra / c
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Como el motor diesel funciona enteramente con exceso de aire se tendrá que:
Ra / c   .ra / c kga / kgc 
  1,3.....1,4 _______ y __ ra / c  16
Debido al exceso del aire con que trabajan estos motores disminuye la combustión
incompleta, dadas estas condiciones favorables para la combustión no se tomara
en cuenta el coeficiente de la combustión en los motores diesel.
V4  T4
5.5.
 
w34  p 3 .(V4  V3 )J 
V3 3
m
T3
PROCESO DE EXPANSION
El proceso de expansión es ajustado también a un proceso politrópico, cuyo
exponente politrópico será denotado por n2 donde los valores característicos
serán:
n2
1,23 – 1,3
1,18 — 1,28
Motores gasolina
Motores diesel
Exponente politrópico para la expansión
Los valores del exponente politrópico son valores promedio estándar, de acuerdo a
los análisis este exponente también dependerá de las características de la
frecuencia de rotación y el estado de la estanqueidad de los MCI se plantea la
siguiente relación:
n2  1,18 
130
n
5.5.1. PROCESO DE EXPANSION DEL CICLO OTTO
Las relaciones que se aplicara para determinar parámetros termodinámicos serán:
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p
T
p3
p4
3
p3
3
pV
n2
 Cte
W
4
p4
V3=Vc
4
V4=Vh+Vc
Vc
v
s
vh
PMS
PMI
DIAGRAMA DE p-v y T-S PROCESO DE EXPANSIÓN POLITROPICA
Relaciones fundamentales:
V4  Vc  Vh 
p4 
p3
rk
n2
 
rk .Vh 3
V
m ___ donde : rk  4
rk  1
V3
N / m 
T4  T3 .rk 1n2 K 
2
w34 
p4 .V4  p 3 .V3
J 
1  n2
5.5.2. PROCESO DE EXPANSION DEL CICLO DUAL
Las relaciones convencionales son:
 
V5  V1  Vc  Vh m3
V 
p5  p4 . 4 
V5 
5.6.
n2
N / m 
2
V 
T5  T4 . 4 
V5 
n 21
K 
w45 
p5 .V5  p4 .V4
J 
1  n2
PROCESO DE CALOR RECHAZADO
El rechazo de calor en este ciclo limite considerándola volumen constante, las
relaciones que evaluaran este calor serán:
q41'  m.Cv.( T1' T4 )J _ Otto
q51'  m.Cv.( T1' T5 )J Diesel  Dual
Donde el Cv se evaluara mediante la tabla con la temperatura promedio del
proceso.
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5.7.
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PARAMETROS TEORICOS.-
El trabajo total generado por los ciclos limites para MCI de gasolina y diesel, a
pesar de que los ajustes planteados serán:
w
w  w
1' 2
 w34 J Otto
w
w  w
1' 2
 w34  w45 J Diesel
5.7.1. PARÁMETROS TEÓRICOS DERIVADOS DEL CICLO REAL
Sobre la base del trabajo teórico límite, por sus características de mejorada
aproximación al trabajo real generado por un MCI, se puede ratificar, consolidar
y desarrollar conceptos más precisos de estos motores como son la presión media,
potencia y par motor.
La presión media limite teórica es:
pm 

w
N / m2
vh

La potencia teórica limite desarrollad por el motor es:
P
Donde:
pm =presión media limite
Vh = volumen del cilindro
w = trabajo teórico limite
P = potencia teórico limite
n = Frecuencia de giro de un MCI. (r.pm.)
i = N° de cilindros del motor
w.n.i
Kw
120000
La potencia es el parámetro cualitativo más característico de la entrega
energética de un motor, a demás el dato de la potencia empaqueta en un solo
valor las características de velocidad y fuerza del motor, estos motores están en
función a parámetros muy importantes como la frecuencia de giro del motor, en
número de cilindros del motor, de ellos dependerá el nivel energético de la
potencia.
El par motor va ligada al origen térmico de la energía en un MCI, es el torque
generado en el mecanismo de la biela – cigüeñal por acción de la presión de los
gases quemados, como resultado la fuerza de accionamiento del sistema, cuya
acción es la generación de un movimiento rotatorio a partir del desplazamiento
lineal alternativo del pistón.
El par motor en un MCI. Es:
S
M  Ft .
2
5.8.
95493.P
Nm
M
n
Donde:
M = Par motor teórico limite
P = potencia teórico limite
n = Frecuencia de giro de un MCI. (r.pm.)
RENDIMIENTOS.-
5.8.1. RENDIMIENTO TERMICO TEORICO (η) .-
Página 14
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Se refiere a la razón entre el trabajo total generado por el ciclo teórico límite y la
cantidad de calor que desarrollara todo el combustible admitido:

Donde:
w = trabajo indicado limite
mc = masa del combustible
HU = Poder calorífico del combustible
W
mc .HU
El rendimiento térmico entre los motores diesel y gasolina es la base conceptual
fundamental del porque energéticamente los motores diesel son más eficientes, es
por el aprovechamiento de este recurso tan estratégico, esto significa que existe
una diferencia entre los ciclos Otto y Dual:
η(Dual ) > η(Otto)
5.8.2. RENDIMIENTO INDICADO (ηi).En la generación del trabajo y al atravesar la frontera SCP, existen factores
específicos de irreversibilidad energética de la siguiente manera:
a) Los gases reales tiene viscosidades que dan origen a pérdidas energéticas
por fricción interna en los gases y también por fricción a las paredes del
cilindro.
b) La masa gaseosa varia a lo largo del ciclo, pues el SCP no es totalmente
hermético.
c) Las pedidas de calor del SCP por la intensidad térmica del proceso de
combustión.
d) Adelanto y retraso en la apertura y cierre de la válvula de admisión y
escape.
e) Grados de adelantos de encendido.
f) Los procesos de admisión y expulsión consumen energía
Todos estos factores de irreversibilidad, es que a la salida del SCP, el trabajo
sufre una disminución esto da origen a la expresión de rendimiento:
i 
wi Pi pmi


w
P
pm
wi  i.w
Pi 
wi.n.i
kw
120000
5.8.3. RENDIMIENTO MECANICO (ηm).Página 15
Donde:
ηi = Rendimiento indicado( 0,85.......0,96)
wi = Trabajo indicado
Pi = Potencia indicada
pmi = Presión media indicada
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Entre las anillas, el bulón del pistón, el volante estos elementos mecánicos
absorben energía por rozamiento, degenerándola el calor perdido, esto da lugar a
la definición del Trabajo Efectivo, que es la energía mecánica, entonces el
rendimiento mecánico será:
m 
Wef Pef
pmef


wi
Pi
pmi
Pef 
Wef .n.i
kw
120000
Donde:
ηm = Rendimiento mecánico
Wef = Trabajo efectivo
Pef = Potencia efectiva
pmef = Presión media Efectiva
Wef  m.wi
Los rendimientos mecánicos en los motores de combustión interna varían tienen
características diferentes entre los motores gasolina y diesel entonces serán:
ηm
0,8......0,9
0,75......0,85
Motores gasolina
Motores diesel
5.8.4. RENDIMIENTO EFECTIVO (ηef).-
También de nominado rendimiento total o rendimiento útil es el que evalúa la
diferencia total energética entre el trabajo, mecánico recogido en el volante del
MCI y la energía térmica total que desarrollara todo el combustible admitido.
ef 
5.9.
Wef
mc .HU
ef   .i.m
PARÁMETROS DEL CONSUMO DE COMBUSTIBLE.-
En la actualidad la generación de potencia esta debido a las exigencias de
optimización energética del combustible, a demás la evaluación del consumo de
combustible de un MCI, entonces existen relaciones que pueden aplicarse
fundamentalmente sobre los datos de la siguiente expresión:
bef 
3600.k .v
gr / kw.hr 
Ra . pmef
c
Donde:
bef = Consumo especifico de combustible
pmef = Presión media efectiva
Para motores gasolina se tiene la siguiente modificación:
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bef 
3600.k .v
gr / kw.hr 
( Ra  1 ). pmef
c
Tipo de MCI
Motor gasolina
Motor Diesel Turismo
Motor
Diesel
Máq.
pesado
Bef(gr/kw.hr)
380-280
350-250
300-180
λ
0,8-0,9
1,3-1,5
1,5-1,6
Valores consumo específico de combustible
Donde:
bef = Consumo especifico de combustible(gr/kw.hr)
Pef = Potencia efectiva (Kw.)
B = Consumo horario de combustible
HU = Poder calorífico del combustible
El consumo horario de combustible:
B
bef .Pef
kg / hr 
1000
A partir de esta relación se plantea el rendimiento efectivo:
ef 
Pef .3600
B.HU
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Cáp. VI
MOTORES SOBREALIMENTADOS
6.1.
INTRODUCCION
LA SOBREALIMENTACION EN LOS MOTORES A GASOLINA
En los motores a gasolina, la sobrealimentación, presenta algunos problemas,
producto de la combustión debido al aumento de cierta presión de compresión, que
puede ocasionar problemas de picado, como también pueda combustionarse por
autoencendido o por detonación, son problemas que acarrean, estos problemas
son debidos a una serie de factores que implican en la sobrealimentación:

Es debido al aumento de temperatura que sufre la mezcla de airecombustible dentro del SCP (sistema cilindro pistón), en la carrera de
compresión del motor que será tanto mayor cuanto mayor sea el volumen
de mezcla (precisamente es lo que provoca la sobrealimentación).

La solución para este problema consiste en reducir la relación de
compresión por debajo de 10:1 con el fin de que no aumente demasiado la
presión y con ello la temperatura de la mezcla que puede provocar el
autoencendido o la detonación.

Los motores a gasolina presenta el aumento de las cargas térmicas y
mecánicas, debido a que las presiones durante el ciclo de trabajo en un
motor sobrealimentado son mayores, esto se traduce en unos esfuerzos
mecánicos y térmicos por parte del motor que hay que tener en cuenta a la
hora de su diseño y construcción, reforzando las partes mecánicas más
posibles al desgaste y mejorando la refrigeración del motor.

La variación en el diagrama de distribución. Así para un motor
sobrealimentado, cuanto mayor sea el AEE (avance a la apertura de la
válvula de escape) tanto mejor será el funcionamiento del
sobrealimentador.

También la regulación al avance del encendido debe de ser mucho más
preciso en un motor sobrealimentado, por eso se hace necesario un motor
encendido sin ruptor, por lo que es mejor el uso de encendidos
transistorizados o electrónicos.
Además de todo ello, la sobrealimentación en los motores a gasolina también se
debe tener en cuenta los siguientes factores característicos tales como:

La bomba de gasolina debe ser de mayor caudal y presión (por lo que se
opta generalmente por bombas eléctricas).
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
Que en el sistema de admisión de aire se instale un buen filtrado y que este
perfectamente estanco.

A fin de optimizar el llenado del cilindro, se precisa de un dispositivo
llamado (intercooler) que tiene la finalidad de enfriar el aire que va
ingresar debido por el sistema de sobrealimentación.

La contaminación que provocan los motores turboalimentados de gasolina
es comparable a la de un motor atmosférico aunque los óxidos de
nitrógeno son más importantes debido a las mayores temperaturas.
LA SOBREALIMENTACIÓN EN LOS MOTORES DIESEL
En el caso de los motores Diesel, la sobrealimentación no es una causa de
problemas sino todo lo contrario, es beneficioso para un rendimiento óptimo del
motor. El hecho de utilizar solamente aire en el proceso de compresión y no
introducir el combustible hasta el momento final de la carrera compresión, no
puede crear problemas de "picado" en el motor.
Al introducir un exceso de aire en el cilindro aumenta la compresión, lo que
facilita el encendido y el quemado completo del combustible inyectado, lo que se
traduce en un aumento de potencia del motor. Por otro lado la mayor presión de
entrada de aire favorece la expulsión de los gases de escape y el llenado del
cilindro con aire fresco, con lo que se consigue un aumento del rendimiento
volumétrico o lo que es lo mismo el motor "respira mejor".
No hay que olvidar que todo el aire que entra en el cilindro del motor Diesel hay
que comprimirlo, cuanto más sea el volumen de aire de admisión, mayor será la
presión en el interior de los cilindros. Esto trae como consecuencia unos esfuerzos
mecánicos en el motor que tienen un límite, para no poner en peligro la integridad
de los elementos que forman el motor.
6.2.
SOBREALIMENTADOR
6.3.
INTERCOOLER
6.4.
MCI SOBREALIMENTADOS
6.4.1. IDEAL-TEORICO.Las leyes de comportamiento de la admisión consecuente son las bases para
comprender y evaluar los objetivos de alimentación del motor, cuando es
incorporado el SOBREALIMENTADOR.
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La sobrealimentación, mediante el uso del turbo alimentador, que en realidad son
compresores accionados por los gases de escape o directamente por el cigüeñal, lo
que lleva que a mayor presión de llenado habrá mayor cantidad de carga fresca
admitida en el cilindro, por lo que la presión atmosférica eleva a una presión a la
salida del sobrealimentador.
mh 
p sVh
[ Kg ]
RTs
m
p s ( Vc  Vh )
[ Kg ]
RTs
ps= Presión a la salida del sobrealimentador [N/m2]
Ts= Temperatura a la salida del sobrealimentador [ºK]
mh=Masa de carga fresca admitida en el cilindro [Kg]
m=Masa total contenida en el sistema cilindro pistón [Kg]
R=Constante universal de los gases [J/Kg ºK]
Vh=Volumen del cilindro [m3]
Vc=volumen de la cámara de combustión [m3]
Donde:
ps  po
y
Ts  To
La sobrealimentación es una forma de aumentar la potencia de un motor de
combustión interna. Sin ella, es el propio movimiento de los pistones el encargado
de succionar aire hacia el interior de los cilindros para producir la combustión,
por lo que el llenado no es todo lo eficiente que sería deseable.
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6.4.2. DIAGRAMA p-V Y T-S DE LOS MOTORES SOBREALIMENTADOS
IDEAL - TEORICO
p
T
2
s=1
Ts=T1
S
ps=p1
1
To
po
0
0
V
Vc
s
Vh
PMS
PMI
Diagrama de p-V y T-s de un MCI, proceso de admisión
Considerando idealmente la precompresión isentrópica tendremos:
p 
Ts  To s 
 po 
k 1
k
 ps 

 po 
c  
Donde:
Ts= Temperatura a la salida del sobrealimentador [ºK]
To=Temperatura atmosférica [ºK]
ps= Presión a la salida del sobrealimentador [N/m2]
po= Presión atmosférica [N/m2]
k=Exponente isentropico del aire [1,4]
πc=Grado de aumento de presión en la sobrealimentación [1,5-2,5]
Entonces la presión a la salida del sobrealimentador será:
p s   c po [ N / m 2 ]
6.5.
MOTORES SOBREALIMENTADOS INCORPORADOS
INTERENFRIADOR IDEAL-TEORICO.-
CON
UN
Intercooler es un radiador donde se enfría el aire de admisión en motores
sobrealimentados. El aire se calienta al pasar por el compresor (por el mismo
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efecto de la compresión) y por ello su densidad disminuye.
A consecuencia de la sobrealimentación la temperatura del llenado del cilindro
aumenta de To a Ts, convirtiéndose así este en un factor que disminuye así la
efectividad del llenado del cilindro, como a menor temperatura mayor carga
fresca, se implementa un ínter enfriador para disminuir la temperatura de la carga
fresca que sale del sobrealimentador y así optimizar aun más la admisión de por
sí ya mejorada con la sobrealimentación entonces se tendrá:
Ti  Ts
p k  p s y Tk  Ti
mh 
m
p s ( Vc  Vh )
[ Kg ]
RTs
p sVh
[ Kg ]
RTi
Ti  Temperatura a la salida del int erenfriador [º K ]
p s  Pr esión a la salida del int erenfriador [ N / m 2 ]
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6.5.1. DIAGRAMAS p-V y T-S- DE LOS MOTORES SOBREALIMENTADOS
INCORPORADOS CON UN INTERNEFRIADOR IDEAL - TEORICO
p
T
2
Ts
s
Ti=T1
S
ps=p1
1
To
0
po
0
V
Vc
s
Vh
PMS
PMI
Diagrama de p-V y T-s de un MCI sobrealimentado incorporado con un interenfriador, proceso de admisión
pk  p s
p 
Ts  To s 
 po 
Tk  Ti
k 1
k
Ti  Ts  TIC
TIC  50................100º K
6.6.
MASAS CARACTERÍSTICAS DE LOS MCI.-
Probablemente una de las aplicaciones más importantes de la ley de los gases
para los MCI ha quedado planteada en la Ecuación de estado, a partir de la cual
se puede seguir planteando relaciones y aproximaciones teóricas idealizadas que
serán el fundamento y punto de partida para estructuras y desarrollar un
coherente análisis termodinámico de los MCI, en la validez original de su planteo.
Aparte de la masa de aire que entra como carga fresca admitida a un MCI, existen
otras masas gaseosas características que intervienen en los procesos
termodinámicos de un MCI, estas son:
m  mh  m( Vc )[ Kg ]
mh 
p k Vh
[ Kg ]
RTk
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mc 
mh
[ Kg ]
Ra / c
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m  Masa gaseosa total contenida en el SCP [ Kg ]
mh  Masa de c arg a fresca admitida en el SCP [ Kg ]
m( Vc )  Masa de los gases residuales que quedan en la camara de combustión [ Kg ]
mc  Masa de combustible que ingresa al SCP [ Kg ]
Ra / c  Re lación de aire combustible real [ Kga / Kgc ]
La masa gaseosa total contenida en el SCP es la suma de la carga fresca mas la
masa de los gases residuales y al ser predominante la masa de la carga fresca se
puede considerar: que las condiciones de temperatura y presión serán las de la
admisión y que las propiedades de la masa gaseosa serán muy similares a las del
aire predominante en la carga fresca, por los tanto:
pk ( Vh  Vc )
[ Kg ]
RTk
m
6.7.
MOTORES SOBREALIMENTADOS DE MANERA REAL.-
6.7.1. PRESION AL FINAL DEL PROCESO DE ADMISIÓN.-
p1' dos válvulas
Mot. Sobrealimentados MCIˆ
Mot. Sobre. Inter. MCIˆI
6.7.2. TEMPERATURAS
ADMISIÓN

p1' cuatro válvulas
(0,94 – 0,96)pk
(0,9 – 0,91)pk
(0,9)pk
(0,86)pk
CARACTERISTICAS
DEL
PROCESO
DE
Motores sobrealimentados
Calentamiento de la carga de
admisión antes del ingreso a los
cilindros de un MˆCI
T  Th  TsK  Donde
T  5.........10K
Estableciendo que la compresión en la sobrealimentación en términos reales serán
los exponentes poli trópicos.
 ps 
Ts  To. 
 po 
n 1
n
K
Donde
el
coeficiente de
n=1,45.......1,8
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compresión politrópico es:
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c 
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ps
 1,3.......2 ,5
po
Los rangos de valores del grado de aumento de presión en la sobrealimentación
(  c ) permite una clasificación de la sobrealimentación de la siguiente forma:
Sobrealimentación Baja  c =1,3........1,9
Sobrealimentación Media  c =1,9............2,5
Sobrealimentación Alta
 c > 2,5
Cuando los rangos de  c > 1,9 normalmente los sistemas de admisión están
implementados de un interenfriador o intercooler.

Motores sobre alimentados con ínter enfriadores
La sobrealimentación y el interenfriamiento, característica casi exclusiva de los
motores diesel, a medida que se fue perfeccionando la inyección en los motores a
gasolina, la sobrealimentación y el interenfriamiento en la admisión de estos
motores cada vez se va haciendo factible y común, a tal punto que hoy en día en el
mercado existen muchos automóviles incorporados con estos elementos, el
interenfriamiento está ligado indisolublemente a la sobrealimentación.
Calentamiento de la carga de admisión antes del
ingreso a los cilindros de un MˆI
T  Th  TiK
Donde T  15.........30K
Donde: Ti  Ts  TICK
TIC  50..........100K
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Caída de temperatura en el ínter enfriador.
6.7.3. CALENTAMIENTO FINAL DE LA CARGA DE ADMISIÓN AL
INGRESAR AL SCP

Coeficiente de los gases residuales (µ)
El coeficiente de los gases residuales es igual al cociente entre la masa de los
gases residuales y la masa de la carga fresca admitida:

mr
mh
Se pueden asumir los siguientes valores característicos.
µ=0,03......0,06 MGˆ47, MDˆ4T
 Presión del gas residual (pr)
pr  ( 1,1.....1,25 )Pk
|
Donde pk=ps
 Temperatura de los gases residuales (Tr)
Tr  900  1000K
Donde para MGˆ
Tr  700  900K
Donde para MDˆ
En función a los valores propuestos se podrá definir la temperatura de la masa
gaseosa contenida en un cilindro al final de la admisión (T1’) se tendrá:
T 1' 
Th   .Tr
K 
1 
Donde:
T1’=
Th=
μ=
Tr=
Temperatura al final del proceso de admisión [ºK]
Temperatura antes de su ingreso al cilindro [ºK]
Coeficiente de los gases residuales
Temperatura de los gases residuales [ºK]
Por lo tanto los diagramas termodinámicos para el proceso de admisión de los
diferentes sistemas de admisión serán:
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PMS
PMIreal en Diagrama de Presión – Temperatura.
Proceso de
admisión para el ciclo
6.7.4. RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO
nv 
 p1'
Tk
pr 
* rk
 s

Th* ( rk  1 )  pk
pk 
μs = Coeficiente de soplado: 0,1....0,5 MCI Sobrealimentados
Con la definición de este rendimiento se tiene herramienta necesaria para que las
relaciones ideales de masas gaseosas desarrolladas puedan reajustarse a:
Masa de carga fresca admitida:
mh 
pk nv vh
Kg 
R Tk
Relación masa gaseosa total contenida en el SCP al final de la admisión
m
pk ( Vc  nv vh )
Kg
R Tk
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