Universidad autónoma del estado de México
Plantel “Dr. Pablo González casanova”
Alumno:
Emmanuel David Pérez Herrera
Asignatura:
Física
ondulatoria y estática
Profesor:
Víctor
Eric Velázquez Núñez
Proyecto Individual
FUNDAMENTOS
FÍSICOS EN UNA MÁQUINA DE COMBUSTIÓN INTERNA
MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
El
funcionamiento de un motor consta de una serie de entradas (energía entre otras
entradas) con el fin de conseguir una salida en forma de energía mecánica
(entre otras salidas).
En
los motores de combustión interna se inflama un combustible en el interior de
los cilindros para obtener la fuerza necesaria que impulse a los pistones y
haga girar al cigüeñal, transformando la energía química contenida en el
combustible en energía mecánica de rotación.
Los
primeros motores de combustión interna alternativos de gasolina que sentaron
las bases de los que conocemos hoy fueron construidos casi a la vez por Karl
Benz y Gottlieb Daimler. Los intentos anteriores de motores de combustión
interna no tenían la fase de compresión, sino que funcionaban con una mezcla de
aire y combustible aspirada o soplada dentro durante la primera parte del
movimiento del sistema. La distinción más significativa entre los motores de
combustión interna modernos y los diseños antiguos es el uso de la compresión.
Estructura
y funcionamiento
Los
motores Otto y los diése tienen los mismos elementos principales, (bloque,
cigüeñal, biela, pistón, culata, válvulas) y otros específicos de cada uno,
como la Bomba de inyección de alta presión en los diése, o antiguamente el
carburador en los Otto.
En
los 4T es muy frecuente designarlos mediante su tipo de distribución: SV, OHV,
SOHC, DOHC. Es una referencia a la disposición del (o los) árbol de levas.
El torque (par motor) es la fuerza que
producen los cuerpos de rotación y se puede definir como la capacidad que tiene
el motor para mover un vehículo, con o sin carga dentro de él.
La combustión de la mezcla
aire-combustible, por acción de la chispa eléctrica, genera un aumento de la
presión y temperatura en el interior de los cilindros del motor. Esta presión interior produce a su vez una fuerza de
empuje 𝐹 sobre el pistón que lo desplaza generando el clásico
mecanismo de biela-manivela de los motores de combustión interna alternativo,
donde el movimiento lineal del pistón en el interior del cilindro se transforma
en un movimiento rotatorio del cigüeñal. La fuerza que actúa sobre el pistón es
proporcional a la presión media efectiva durante la carrera de expansión (Genta
et al., 2014), la misma que depende del grado de llenado de los cilindros, de
la relación de compresión, de la cilindrada y de la eficacia con que se
desarrolla la combustión.
Por lo tanto, el producto de la fuerza 𝐹𝑏 por el radio 𝑟
de la manivela determina el par motor, reflejado aritméticamente en la Ecuación
(1).
T =F * r
·
𝑇 : Torque o par motor
(N.m)
·
𝐹𝑏:
Fuerza sobre la biela (N)
·
𝑟 : Radio de la manivela
del cigüeñal (m)
Un diagrama de cuerpo libre es un
boceto de un objeto de interés despojado de todos los objetos que lo rodean y
mostrando todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo. El dibujo de un
diagrama de cuerpo libre es un paso importante en la resolución de los
problemas mecánicos, puesto que ayuda a visualizar todas las fuerzas que actúan
sobre un objeto simple. Se debe obtener la fuerza neta externa que actué sobre
el objeto con el propósito de aplicar la segunda ley de Newton al movimiento
del objeto.
En los motores de combustión (M.E.C.), el
ciclo de cuatro tiempos se desarrolla de la siguiente forma
Primera fase: admisión
En los motores diésel, en el tiempo de admisión el cilindro se llena de
aire. A continuación, la válvula de admisión se abre y el pistón movido por el
cigüeñal, que ha recibido la energía necesaria en el ciclo procedente, baja
desde el P.M.S. al P.M.I. creando una depresión en el cilindro debida al
aumento del volumen. Por lo que el cilindro se llena de aire que entra por la
válvula de admisión.
Normalmente se considera que en la admisión la presión que existe en el
interior del cilindro es la atmosférica.
Segunda fase: compresión
En la compresión la válvula de admisión se cierra, permaneciendo así
también la de escape. El pistón sube completamente comprimiendo el aire del
cilindro y al final de este tiempo ocupa solo el espacio interior de la cámara
de combustión.
En este tiempo la temperatura es alta aproximadamente 750º por la alta
compresión. También existe un aumento de la presión entorno a los 40 bares. La
elevada presión obtenida al final de la compresión es el resultado, por una
parte, de la disminución del volumen del cilindro en razón de la subida del
pistón y por la fuerte elevación de temperatura del aire contenido en el
cilindro.
Tercera fase: combustión
Al final del segundo tiempo, el inyector introduce en la cámara de
combustión una cierta cantidad de combustible pulverizado, que al contacto con
el aire se calienta y se inflama espontáneamente. A medida que el combustible
entra en la cámara de combustión, se genera una fuerte presión que empuja el
pistón hacia el P.M.I. transmitiendo esta energía al cigüeñal. En el estudio de
la combustión se diferencian tres fases:
Al comienzo la combustión es brutal,
porque el pistón todavía no ha comenzado a bajar y los gases ocupan un espacio
muy reducido. Por ello la presión se eleva de manera considerable
instantáneamente (aproximadamente 80 kg/cm2).
Después el pistón comienza a descender
mientras continua la inyección de combustible y su combustión. El aumento de
volumen debido al descenso del pistón esta compensado por la dilatación de los
gases de la combustión, resultando que la presión en el cilindro es
sensiblemente constante.
La combustión cesa mientras el pistón continúa
descendiendo, lo que entraña una disminución de presión en el cilindro, debida
al aumento del volumen. Cuando el pistón llega al P.M.I. todavía queda una
cierta presión en el cilindro.
Cuarta fase: escape
Alcanzando el P.M.I. la válvula de escape se abre, con lo que al subir
el pistón hasta el P.M.S. empuja a los gases quemados que se encuentran en el
interior del cilindro, haciéndose salir al exterior por esta válvula. En el
estudio del escape se diferencian dos fases:
En el momento de abrirse la válvula de
escape, la presión en el cilindro desciende hasta igualarse a la presión
atmosférica.
Durante la subida del pistón, los gases
quemados son evacuados por la válvula de escape. Al legar el pistón al P.M.S.
la válvula de escape se cierra, abriéndose la de admisión y comenzando un nuevo
ciclo.
En
física, la inercia (del latín (inertĭa) es la propiedad que tienen los
cuerpos de permanecer en su estado de reposo relativo o movimiento relativo.
Dicho de forma general, es la resistencia que opone la materia a modificar su
estado de movimiento, incluyendo cambios en la velocidad o en la dirección del
movimiento. Como consecuencia, un cuerpo conserva su estado de reposo relativo
o movimiento rectilíneo uniforme relativo si no hay una fuerza que, actuando
sobre él, logre cambiar su estado de movimiento.
En
mecánica, un volante de inercia o volante motor es un elemento totalmente
pasivo que únicamente aporta al sistema una inercia adicional de modo que le
permite almacenar energía cinética. Este volante continúa su movimiento por
inercia cuando cesa el par motor que lo propulsa. De esta forma, el volante de
inercia se opone a las aceleraciones bruscas en un movimiento rotativo. Así se
consiguen reducir las fluctuaciones de velocidad angular. Es decir, se utiliza
el volante para suavizar el flujo de energía entre una fuente de potencia y su
carga. En la actualidad numerosas líneas de investigación están abiertas a la
búsqueda de nuevas aplicaciones de los volantes. Algunos ejemplos de dichos
usos son:
Absorber
la energía de frenado de un vehículo, de modo que se reutilice posteriormente
en su aceleración (KERS).
Como
dispositivos para suavizar el funcionamiento de instalaciones generadoras de
energía eléctrica mediante energía eólica y energía fotovoltaica, así como de
diversas aplicaciones eléctricas industriales.
En
los ferrocarriles eléctricos que usan desde hace mucho tiempo un sistema de
freno regenerativo que alimenta la energía extraída del frenado nuevamente a
las líneas de potencia; con los nuevos materiales y diseños se logran mayores
rendimientos en tales fines.
A
modo de breve introducción, veamos qué aspecto presenta la fórmula de la
energía almacenada en un rotor como energía cinética, o, más concretamente,
como energía rotacional:
La
velocidad angular es una medida de la velocidad de rotación. Se define como el
ángulo girado por una unidad de tiempo y se designa mediante la letra griega ω.
Su unidad en el Sistema Internacional es el radián por segundo (rad/s).
Aunque se la define para el movimiento de rotación del
sólido rígido, también se la emplea en la cinemática de la partícula o punto
material, especialmente cuando esta se mueve sobre una trayectoria cerrada
(circular, elíptica, etc).
P=M ω
El
par motor es el momento de fuerza que ejerce un motor sobre el eje de
transmisión de potencia o, dicho de otro modo, la tendencia de una fuerza para
girar un objeto alrededor de un eje, punto de apoyo, o de pivote. La potencia
desarrollada por el par motor es proporcional a la velocidad angular del eje de
transmisión, viniendo dada por:
Opinión personal
Entender
el mundo que nos rodea a partir del análisis de los fenómenos físicos es
complicado, especialmente cuando se trata de máquinas complejas como lo es el
motor de combustión. Sin embargo, es importante porque su comprensión nos
permite resolver los problemas que lleguemos a enfrentar en algún momento de
nuestras vidas. Queramos o no, la Física está en todos lados, desde como
arrojamos una piedra hasta cómo funciona el vehículo que utilizamos todos los
días, por ello es importante entender los principios básicos que rigen la
mayoría de las cosas en la naturaleza y en la sociedad.
El
motor de combustión interna es de vital importancia para el funcionamiento de
muchos de los vehículos que usamos. Su desarrollo ha hecho posible que el
hombre pueda recorrer mayores distancias y en menos tiempo procurando su
seguridad y haciendo del traslado un viaje agradable.
Sin
el estudio y el desarrollo de la Física el invento de este motor no hubiera
sido posible, por lo que es impresionante y maravilloso como la Física ha
permitido mejorar paulatinamente la vida de la especie humana y como sigue
contribuyendo para la creación de grandes y nuevos inventos.
Durante
el proceso de desarrollo de la información pude percatarme de lo complejo que
resulta el entendimiento de conceptos y principios que antes parecían
sencillos. Pero a la vez me resultó una experiencia placentera ampliar mi
conocimiento y el entendimiento de los procesos que realiza la máquina de mi
transporte favorito.
FUENTES
S.
A. (junio, 2018). Motor de combustión interna. [mensaje de un blog]. EcuRed obtenido
el 3 de junio de 2018 de: http://www.roshfrans.com/torque-potencia-motor/
Castillo,
J (abril, 2017). Determinación del Torque
y Potencia de un Motor de Combustión Interna a Gasolina Mediante el Uso de
Bujía con Sensor de Presión Adaptado y Aplicación de un Modelo Matemático.
[doc. Web] obtenido el 3 de junio de 2018 de: https://www.revistapolitecnica.epn.edu.ec/images/revista/volumen39/tomo1/719.pdf
S. A (mayo, 2018). Par motor. [doc. Web] obtenido el 3 de junio de 2018 de: https://es.wikipedia.org/wiki/Par_motor
Nave,
O (s. f.) Diagrama
de Cuerpo Libre [en línea]. Obtenido
el 03 de junio de 2018 de: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/freeb.html
S. A. (mayo, 2017). Significado de Inercia. [en línea] recuperado el 03 de junio de
2018 de: https://www.significados.com/inercia/
S.
A. (noviembre, 2017). Volante de inercia (GIC); [doc. Web] recuperado el 03 de junio de 2018
de: http://laplace.us.es/wiki/index.php/Volante_de_inercia_(GIC)
S. A. (junio, 2011) Volante de inercia. [doc. Web] obtenido
el 03 de junio de 2018 de: https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEhx7Gqzg4oiMXXppL7DVnXmuuPehS1fByLA5oBbiR1QFXLo2Q0ZiZjqOVTvf8t7Z_Sbn-pWG0K_3uzCS6vMc4-P6F01i5e73DN-uIueNB8IUHRcJ97TetIhzaf4BWjJcu3m5ONp-xVgm1o/s1600/Fig+5+par+motor.png
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