MOTORES ALTERNATIVOS DE COMBUSTIÓN INTERNA

Prólogo

1. Transferencia de energía
1.1 Introducción
1.2 Análisis de la transformación de energía
1.2.1 Tipos de acumulador
1.2.2 Tipos de flujo de energía
1.2.3 Proceso de transformación
1.3 Fuentes de energía
1.3.1 Energía solar
1.3.2 Energía nuclear
1.3.3 Interacción gravitatoria
1.3.4 Energía geotérmica
1.4 Transformadores de acumulador a flujo de energía (A/F)
1.4.1 Transformación de energía térmica a calor
1.4.2 Transformación de energía química en calor
1.5 Transformadores de flujo
1.5.1 Transformación de calor en trabajo mecánico
1.6 El motor térmico. Integración de transformadores A/F y F/F
1.6.1 Motores endotérmicos frente a motores exotérmicos
1.6.2 Motor térmicos para generación con cogeneración
1.6.3 Motores térmicos para tracción con y sin eje de salida

2. Ciclos termodinámicos
2.1 Introducción
2.2 Análisis y caracterización de un ciclo termodinámico de trabajo
2.2.1 Procesos de evolución
2.2.2 Diagramas P/V y T/S
2.2.3 Presión media teórica
2.3 Ciclos de referencia
2.3.1 Ciclo de Carnot
2.3.2 Ciclo Otto
2.3.3 Ciclo Diesel
2.3.4 Ciclo mixto de Sabathé
2.4 Caracterización del ciclo teórico asociado a un mecanismo. Modelización numérica

3. Principios de funcionamiento
3.1 Introducción
3.2 Principios de funcionamiento
3.3 Concepción de la fase cerrada
3.4 Concepción de la fase abierta
3.5 Tipología de refrigeración
3.6 Arquitecturas policilíndricas

4. Parámetros característicos
4.1 Parámetros dimensionales
4.2 Relaciones entre parámetros dimensionales
4.3 Parámetros termodinámicos
4.4 Características operativas del motor
4.5 Interrelación entre parámetros característicos del motor

5. Fase Cerrada MEP - Combustión homogénea
5.1 Introducción
5.2 Proceso de combustión
5.2.1 Proceso de combustión laminar
5.2.2 Proceso de combustión turbulento
5.2.3 Variación de la presión en el motor respecto al giro del cigüeñal
5.3 Encendido
5.3.1 Condiciones para el encendido de una mezcla de aire y combustible
5.3.2 Volumen crítico
5.3.3 Energía mínima de encendido y distancia de extinción
5.3.4 Ignición de mezclas homogéneas
5.4 Encendido por fuente de energía finita
5.4.1 Prerruptura (Prebreakdown Phase)
5.4.2 Ruptura (Breakdown Phase)
5.4.3 Arco (Arc Discharge)
5.4.4 Descarga incandescente (Glow Discharge)
5.4.5 Precisión del encendido
5.5 Influencia del recinto de combustión
5.5.1 Turbulencia
5.5.2 Relación de la superficie del frente de llama con respecto al volumen quemado
5.5.3 Relación de compresión
5.5.4 Cámara de combustión
5.6 Influencia de la condiciones de funcionamiento en la combustión
5.6.1 Momento de inicio de la combustión
5.6.2 Régimen de giro del motor
5.6.3 Características de la mezcla
5.6.4 Condiciones externas
5.6.5 Variación cíclica de la presión
5.7 Combustión detonante
5.7.1 Estudio de la detonación
5.7.2 Retraso en el motor
5.7.3 Factores que afectan a la detonación
5.8 Encendido superficial
5.9 Modelización del proceso de combustión
5.9.1 Cámara de volumen constante
5.9.2 Cámara de volumen variable

6. Fase cerrada MEC - Combustión homogénea
6.1 Introducción
6.2 Caracterización del dardo de inyección
6.3 Factores que afectan a la mezcla
6.3.1 Presión de inyección
6.3.2 Geometría de la tobera del inyector
6.3.3 Características físicas del combustible
6.3.4 Presión del aire
6.3.5 Turbulencia en la cámara de combustión
6.3.6 Choque contra la pared de la cámara de combustión
6.3.7 Geometría del punto de incidencia del dardo de combustible
6.4 Caracterización de la mezcla heterogénea
6.5 Evaporación del combustible
6.6 Proceso de combustión
6.7 1ª Fase: Tiempo de retraso
6.7.1 Calidad de la micromezcla
6.7.2 Turbulencia en la cámara de combustión
6.7.3 Presión y temperatura del aire de entrada
6.7.4 Calidad del combustible
6.8 2ª Fase: Periodo de combustión espontánea
6.8.1 La cantidad de combustible inyectado durante el período de retraso
6.8.2 Parte del combustible inyectado que se vaporiza durante el retraso
6.8.3 Combustible vaporizado durante el retraso que encuentra oxígeno
6.9 3ª Fase: Combustión gobernada por la difusión
6.9.1 Ángulo de retraso mayor que el de inyección
6.9.2 Ángulo de retraso menor que el de inyección
6.10 Diagrama de presión, liberación de energía y combustible inyectado
6.11 Influencia de las condiciones de funcionamiento en la combustión
6.11.1 Punto de inyección
6.11.2 Régimen de giro
6.11.3 Dosado o nivel de carga
6.11.4 Turbulencia
6.11.5 Relación de compresión
6.11.6 Presión y temperatura del aire de entrada
6.11.7 Turboalimentación
6.12 Tipos de cámaras de combustión
6.12.1 Generación de turbulencia
6.12.2 Ventajas e inconvenientes asociados a los diferentes tipos de cámara de combustión

7. Fase abierta 4T
7.1 Introducción
7.2 Proceso de admisión
7.2.1 Fase de prellenado
7.2.2 Fase de llenado por efecto de la aspiración
7.2.3 Fase de postllenado
7.3 Condicionantes del proceso de admisión de tipo constructivo
7.3.1 Toma de admisión
7.3.2 Filtro de aire
7.3.3 Conducto de admisión / Colector de admisión
7.3.4 Válvula de regulación de la carga
7.3.5 Sistema de admisión variable
7.4 Condicionantes del proceso de admisión de funcionamiento
7.5 El proceso de escape
7.6 Condicionantes del proceso de escape
7.6.1 Conducto de escape/Colector de escape
7.6.2 Silenciadores y catalizadores

8. La sobrealimentación en MACI
8.1 Introducción
8.2 Compresor centrífugo accionado por turbina centrífuga. Grupo turbocompresor
8.2.1 Descripción del compresor centrífugo
8.2.2 Descripción de la turbina radial
8.3 Comparación entre el compresor volumétrico y el centrífugo
8.4 Elección del grupo turbocompresor. Acoplamiento
8.5 Análisis de funcionamiento
8.5.1 Refrigeración del aire de admisión
8.5.2 Variación en las condiciones ambientales
8.6 Control de la presión de bombeo
8.6.1 Turbinas de geometría variable
8.6.2 Válvula de descarga a la entrada de la turbina
8.6.3 Válvula de seguridad a la salida del compresor
8.6.4 Orificio de restricción a la entrada o a la salida del compresor
8.6.5 Orificio de restricción a la salida de la turbina

9. Fase abierta 2T
9.1 Introducción
9.2 Descripción del ciclo de 2T de barrido por cárter
9.2.1 Carrera ascendente del pistón
9.2.2 Carrera descendente del pistón
9.2.3 Evolución de la presión en el recinto de combustión
9.3 Proceso de admisión en la bomba de barrido
9.3.1 Silenciador de admisión
9.3.2 Caja de filtro
9.3.3 Filtro de aire
9.3.4 Bomba de barrido
9.4 Proceso de renovación de la carga
9.4.1 Evaluación del proceso
9.4.2 Valoración de la renovación de la carga
9.5 Proceso de escape
9.5.1 Influencia del escape en la renovación de la carga
9.5.2 Consideraciones de diseño del conducto de escape
9.5.3 Consideraciones de diseño de los silenciadores
9.6 Comparación entre los motores 2T y 4T

10. Combustibles para motores de combustión interna
10.1 Introducción
10.2 Petróleo
10.2.1 Constitución del petróleo
10.2.2 Proceso de refino
10.3 Características de los combustibles para MEP
10.3.1 Poder calorífico
10.3.2 Peso específico
10.3.3 Volatilidad
10.3.4 Puntos característicos de la curva de vaporización
10.3.5 Presión de vapor
10.3.6 Características antidetonantes de los combustibles para MEP
10.3.7 Influencia del NO en la relación de compresión y en el avance al encendido
10.4 Características de los combustibles para MEC
10.4.1 Viscosidad y volatilidad
10.4.2 Comportamiento a bajas temperaturas
10.4.3 Peso específico
10.4.4 Contenido en azufre, residuo carbonoso, cenizas y sedimentos
10.4.5 Calidad de la ignición
10.4.6 Influencia del Número de Cetano
10.5 Gasolina
10.5.1 Obtención de los componentes de la gasolina
10.5.2 Aditivos
10.5.3 Aditivos antidetonantes
10.6 Gasóleo y fuelóleo
10.6.1 Gasóleos
10.6.2 Fuelóleos
10.7 Compuestos oxigenados orgánicos
10.7.1 Utilización
10.7.2 Consideraciones generales sobre el empleo de alcoholes y éteres
10.7.3 Utilización en motores de encendido provocado
10.7.4 Utilización de alcoholes y éteres mezclados con gasolina
10.7.5 Utilización en motores de encendido por compresión
10.8 Aceites vegetales
10.8.1 Características
10.8.2 Utilización
10.9 Ésteres metílicos de aceites vegetales
10.9.1 Biodiesel
10.9.2 Obtención
10.10 Combustibles gaseosos
10.10.1 Gas natural
10.10.2 Gases licuados del petróleo
10.10.3 Otros combustibles gaseosos
10.11 Comparativa de combustibles

11. Emisiones contaminantes
11.1 Introducción
11.2 Emisiones contaminantes
11.2.1 Monóxido de carbono
11.2.2 Óxidos de nitrógeno
11.2.3 Hidrocarburos sin quemar
11.2.4 Partículas sólidas
11.2.5 Óxidos de azufre
11.2.6 Aldehídos
11.2.7 Antidetonantes
11.2.8 Ruido
11.3 Factores que inciden en las emisiones
11.3.1 Riqueza de la mezcla en los MEP
11.3.2 Riqueza de la mezcla en los MEC
11.3.3 Encendido en los MEP
11.3.4 Avance a la inyección en los MEC
11.3.5 Diagrama de la distribución
11.3.6 Relación de compresión
11.3.7 Diseño de la cámara de combustión
11.3.8 Inyección directa e inyección indirecta en los MEC
11.3.9 Relación carrera/diámetro
11.4 Reducción de las emisiones
11.4.1 Actuación sobre los combustibles
11.4.2 Actuación sobre el motor
11.4.3 Actuación sobre los gases de escape

12. Tecnología y arquitectura de un MACI
12.1 Introducción
12.2 Bloque motor
12.2.1 Funciones
12.2.2 Concepción del bloque motor
12.2.3 Elementos del bloque motor: cilindros y camisas
12.2.4 Elementos del bloque motor: bancada y fijación del cigüeñal
12.2.5 Elementos del bloque motor: cárter
12.3 Culata
12.3.1 Funciones
12.3.2 Concepción de la culata
12.3.3 Características constructivas
12.3.4 Soluciones constructivas
12.4 Junta de culata
12.4.1 Funciones
12.4.2 Concepción de la junta de culata
12.5 Colector de admisión
12.5.1 Funciones
12.5.2 Concepción del colector de admisión
12.6 Colector de escape
12.6.1 Funciones
12.6.2 Concepción del colector de escape
12.6.3 Sistema de escape
12.7 Pistón
12.7.1 Funciones
12.7.2 Concepción del pistón
12.7.3 Geometría del pistón
12.8 Segmentos
12.8.1 Funciones
12.8.2 Concepción de los segmentos
12.8.3 Tipos de segmentos
12.9 Bulón del pistón
12.9.1 Funciones
12.9.2 Concepción del bulón
12.9.3 Montaje
12.10 Biela
12.10.1 Funciones
12.10.2 Concepción de la biela
12.10.3 Geometría de la biela
12.11 Cigüeñal
12.11.1 Funciones
12.11.2 Concepción del cigüeñal
12.11.3 Geometría del cigüeñal
12.11.4 Elementos auxiliares
12.12 Cojinetes
12.12.1 Funciones
12.12.2 Concepción del cojinete

13. Distribución 4T
13.1 Introducción
13.2 Distribución por correderas
13.2.1 Distribución por camisa corredera
13.2.2 Distribución por corredera giratoria
13.3 Distribución por válvulas
13.3.1 Disposición
13.3.2 Influencia del tipo de cámara de combustión
13.3.3 Mecanismo para el accionamiento
13.4 Elementos del sistema de distribución por válvulas
13.4.1 Árbol de levas
13.4.2 Perfil de leva
13.4.3 Taqués
13.4.4 Taqués hidráulicos
13.4.5 Varillas empujadoras o empujadores
13.4.6 Balancines
13.4.7 Muelles de válvulas
13.4.8 Válvulas
13.4.9 Asientos de las válvulas
13.4.10 Guías de las válvulas
13.4.11 Válvulas múltiples
13.5 Diseño y cálculo de la distribución en motores 4T
13.5.1 Sección de paso a través de la válvula
13.5.2 Velocidad de los gases en el conducto y a través de la válvula
13.5.3 Diagrama de recorrido de la válvula
13.5.4 Perfil de leva
13.5.5 Cinemática del taqué
13.5.6 Fuerza del muelle
13.5.7 Cálculo del momento de giro
13.5.8 Ejemplo de cálculo
13.6 Influencia de la distribución sobre el rendimiento volumétrico
13.6.1 Sección de paso y forma de las válvulas
13.6.2 Diagrama de la distribución
13.7 Concepción del sistema de distribución variable
13.7.1 Actuación en la admisión
13.7.2 Acción de los efectos inerciales
13.7.3 Pérdida de carga y turbulencia
13.7.4 Actuación en la admisión y en el escape
13.8 Concepciones de sistemas de distribución variables
13.8.1 Reglaje variable de les levas (VCP)
13.8.2 Actuación variable de las válvulas (VVA)
13.8.3 Optimización de la ley de levantamiento de las válvulas
13.9 Sistema de distribución variable
13.9.1 Sistemas de variación de fase (VCP)
13.9.2 Sistemas con rotación discontinua
13.9.3 Sistema VTEC de Honda
13.9.4 Sistema de distribución balística
13.9.5 Sistemas con base electro-óleo-dinámica
13.9.6 Sistema Davs

14. Distribución 2T
14.1 Introducción
14.2 Tipología del diagrama de distribución
14.3 Admisión directa a través de una bomba externa
14.4 Admisión a través del cárter
14.4.1 Control mediante la falda del pistón
14.4.2 Control mediante caja de láminas
14.4.3 Control por la falda del pistón y por caja de láminas
14.4.4 Control mediante válvula rotativa
14.5 Dispositivos para la mejora del proceso de renovación de la carga
14.5.1 Resonadores en la admisión
14.5.2 Resonador en el escape
14.5.3 Válvula parcializadora en el escape
14.5.4 Válvula parcializadora en el tránsfer
14.5.5 Admisión adicional en el tránsfer

Bibliografía

Motores alternativos de combustión interna ha sido concebido para proporcionar al lector una visión general de las diferentes partes y subsistemas de los motores alternativos de combustión interna, tanto de aplicación a plantas de tracción motriz para vehículos como a plantas estacionarias para generación de energía eléctrica. Su objetivo básico es cubrir las necesidades bibliográficas para el seguimiento de las asignaturas Ingeniería y Máquinas Térmicas y Ampliación de Motores Térmicos, que se imparten en las escuelas de ingeniería industrial. Asimismo, pretende ofrecer una visión horizontal de las diferentes partes y subsistemas que conforman la máquina alternativa de combustión interna. Los tres primeros capítulos introducen al lector en la problemática de la transformación de energía desde una fuente primaria hasta su forma final en trabajo mecánico en un eje de rotación. En los capítulos siguientes, se analizan los aspectos concretos de la máquina alternativa que nos ocupa, que, dado su funcionamiento pulsante, se estructuran en una fase cerrada, en la que el volumen del cilindro está cerrado al exterior y se desarrollan los procesos para la generación de trabajo (compresión, aportación de calor y expansión), y una fase abierta, en la que el volumen del cilindro está abierto al exterior para realizar los procesos de renovación de la carga; ambas fases se dan tanto en los motores de encendido por compresión (MEC) como en los de encendido por chispa (MEP). Los capítulos finales ofrecen una visión mecánica del mecanismo transformador utilizado en los que se describe su arquitectura mecánica y el detalle de su funcionamiento.