Motores de Combustión Interna

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Tema adicional 
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR 
DEPARTAMENTO DE CONVERSIÓN Y TRANSPORTE DE ENERGÍA 
SISTEMAS ENERGETICOS CT-3413 
Luis R. Rojas Solórzano, Ph.D. 
Profesor Titular 
 
Ing. Elver Pérez 
Ayudante docente 
Enero-Abril 2010 
Ciclo Otto. Planta a Gasolina 
Fuente: http://www.usdieselengines.com/images/ETQ_Equipment/tg2500greencutoutlg.jpg 
Mini-Planta Generadora a Gasolina 
Notas: 
.‐ Eficiencia  20‐35% (sin 
carrocería y ruedas) 
.‐ Vel.  5000 RPM 
.‐ 2 ó 4 tiempos 
.‐ Rápido arranque en frío 
.‐ Portable 
.‐ Costo combustible 
.‐ Contaminación 
    sonora y gaseosa 
.‐  Tmax de 2000 °C 
Tema adicional Motores de combustión interna 
Fuente: http://www.eng.warwick.ac.uk/~espbc/courses/engine/ 
Sección frontal de MCI 4-cilindros 
Carter y filtro 
Filtro 
Volante de 
inercia 
Cigueñal 
Biela 
Pistón 
 
Válvulas 
Bujía 
Cámara 
Combust. 
Ciclo Otto. Motor a Gasolina: Componentes 
Tema adicional Motores de combustión interna 
Fuente:http://www.eng.warwick.ac.uk/~espbc/courses/engine/ 
Admisión  Compresión  Ignición  Escape 
El Motor de Cuatro Tiempos 
Ciclo Otto. Motor a Gasolina: Operación 
Tema adicional Motores de combustión interna 
Fuente: http://www.keveney.com/otto.html 
Ciclo Otto. Motor a Gasolina: Operación a 4 tiempos 
Tema adicional Motores de combustión interna 
• El motor de cuatro tiempos fue 
primero demostrado por Nikolaus 
Otto in 1876, autor del ciclo que lo 
idealiza. 
 
• Requiere dos vueltas del cigϋeñal 
por cada carrera de potencia. 
 
• El motor de cuatro tiempos es 
quizás el motor más común hoy día 
y está presente en la mayoría de 
los carros y camiones. 
Fuente: http://www.animatedengines.com/twostroke.shtml 
Ciclo Otto. Motor a Gasolina: Operación a 2 tiempos 
Tema adicional Motores de combustión interna 
• Una carrera de potencia por cada 
giro del cigϋeñal. 
 
• Por lo anterior, es usualmente 
más potente y lento que motor de 4 
tiempos de similar tamaño. 
 
• Por lo compacto, es muy utilizado 
en cortadoras de grama, motores 
fuera de borda, jet-skis, 
motocicletas y modelos de 
aeroplanos. 
 
• Desafortunadamente, la mayoría 
son ineficiente y contaminantes 
debido al combustible no quemado 
que escapa por la lumbrera de 
salida. 
Carreras del Motor a Gasolina de 4 Tiempos Real 
 
Compresión          Expansión              Escape                  Admisión 
 
Admisión 
Fin de combustión 
 
V 
Ciclo Otto. Motor a Gasolina: Diagrama real 
Tema adicional Motores de combustión interna 
Ciclo Otto (Ideal) estándar de Aire. Modelaje 
• 1-2: compresión isentrópica 
• 2-3: calentamiento isocórico 
• 3-4: expansión isentrópica 
• 4-1: enfriamiento isocórico 
Compresión 
isentrópica 
Calor entra 
isocórico 
Expansión  
isentrópica 
Calor sale  
isocórico 
Tema adicional Motores de combustión interna 
• 1-2: compresión isentrópica 
• 2-3: calentamiento isocórico 
• 3-4: expansión isentrópica 
• 4-1: enfriamiento isocórico 
.- Ciclo idealizado con aire 
 
.- Combustión se aproxima a V ctte 
 
.- Admisión se aproxima a V ctte 
 
.- Relación de compresión Vpmi/Vpms 
 en orden de 7-10:1 
 
.- RAC en orden 14.6-14.8:1 
 
.- De las carreras solo una genera potencia 
Tema adicional Motores de combustión interna 
Ciclo Otto (Ideal) estándar de Aire. Características 
Relación de compresión:  
2
1
2
1
v
v
V
V
r 
Eficiencia Térmica:  
H
L
H
T q
q
q
w
 1
Intercambio de calor isocórico:  
Como:   1
2134 1  krTTTT
Entonces:  
Tema adicional Motores de combustión interna 
Ciclo Otto (Ideal) estándar de Aire. Modelaje 
Taller de Ejercicios: 
Problema 2.8 
 
Se tiene un Ciclo Otto estándar de aire con relación de compresión r = 8. Al comienzo de la 
carrera de compresión p1=100 kPa, T1=15 ºC. Durante el ciclo se transfieren qH =1800 kJ/kg 
al aire. 
a) Determinar la eficiencia térmica 
b) Presiones y temperaturas al final de cada etapa 
c) Presión media efectiva 
 
R.‐ 
a) Eficiencia térmica: 
b) A partir de relaciones adiabáticas‐reversibles: 
c) Presión media efectiva: 
Trabajo neto por ciclo: 
Presión media efectiva (pme):  kPa
vv
wpme 1406
724,0
1017
34



Tema adicional Motores de combustión interna 
Planta Generadora a Diesel 
Fuente: http://www.vilspa.esa.es/historical/general_info/vt/facilities/pplant2.gif 
Notas: 
.‐ Eficiencia  25‐50% (sin 
carrocería y ruedas, 20% 
> gasolina) 
.‐ 2 ó 4 tiempos 
.‐ Rápido arranque en frío 
.‐ Mediana y Gran carga 
.‐ r = 20‐22:1 
.‐ Más confiables que 
    Motor‐gasolina por no 
    tener sistema encen‐ 
    dido 
.‐ contaminación sonora‐
gaseosa 
.‐ Tmax de 2000 °C 
Tema adicional Motores de combustión interna 
Ciclo Diesel. Planta a Gasoil 
Planta Generadora a Diesel. Partes del Motor 
Fuente:http://www.eng.warwick.ac.uk/~espbc/courses/engine/ Fuente: http://www.vilspa.esa.es/historical/general_info/vt/facilities/pplant2.gif 
Precámara 
Inyector 
Bujía de 
arranque 
Admisión  Escape 
Cigueñal 
Pistón 
V. Escape 
Cilindro 
C.Combustión 
Válvula 
Admisión 
Tema adicional Motores de combustión interna 
Ciclo Diesel. Planta a Gasoil. Componentes 
• 1-2: compresión isentrópica 
• 2-3: calentamiento isobárico 
• 3-4: expansión isentrópica 
• 4-1: enfriamiento isócorico 
.- Ciclo idealizado con aire 
.- Combustión se aproxima a 
 p ctte 
.- Admisión se aproxima a V 
 ctte 
.- Relación de compresión 
Vpmi/Vpms orden de 20-22:1 
Tema adicional Motores de combustión interna 
Ciclo Diesel (Ideal) estándar de Aire. Características 
Eficiencia Térmica:  
H
L
H
T q
q
q
w
 1
Suministro de calor isobáricamente:  
 23 TTCq poH 
adición de calor isocóricamente:  
 14 TTCq voL 
Entonces eficiencia es:  









1
1111
23
14
2
1
_ TT
TT
T
T
kq
q
H
L
DieselT
Radio de admisión rc:  
 OttoCiclo
V
Vrc _,1
2
3 
 














  1
111
1
11 1
23
14
2
1
_
c
k
c
kDieselT rk
r
rTT
TT
kT
T
Tema adicional Motores de combustión interna 
Ciclo Diesel (Ideal) estándar de Aire. Características 
 














  1
111
1
11 1
23
14
2
1
_
c
k
c
kDieselT rk
r
rTT
TT
kT
T
DieselT _
En general:    

 1
1
1
c
k
c
rk
r
DieselOtto  Para similar radio de 
compresión: 
Aunque en general, la eficiencia del Diesel es un 15% mayor que la del Otto 
Tema adicional Motores de combustión interna 
Ciclo Diesel (Ideal) estándar de Aire. Características 
Taller de Ejercicios: 
Problema 2.8 (Ejemplo 9.5 del Potter and Somerton, 1993) 
 
Se  tiene  un  Ciclo  Diesel  con  radio  de  compresión  18  que  opera  con  aire  a  una  presión 
mínima de 200 kPa y temperatura mínima de 200 °C. Si el trabajo neto de salida  es de 1000 
kJ/kg, determinar: 
a) Eficiencia térmica (Comparar con Otto a misma pmáx) 
b) Presión media efectiva 
 
R.‐ 
a) Primero determinamos el radio de admisión rc. Para ello: 
   sm
p
RTv 3
1
1
1 6788,0
200
473287,0

y 
kgmvv 3
12 03771,018 
Como el proceso 1‐2 es isentrópico: 
   K
v
vTT
k
150318473 4,0
1
2
1
12 







y 
   MPa
v
vpp
k
44,1118200 4,1
2
1
12 






Tema adicional Motores de combustión interna 
Taller de Ejercicios: 
Problema 2.8 (Ejemplo 9.5 del Potter and Somerton, 1993) (cont...) 
 
R.‐ 
Por otro lado, el trabajo para todo el ciclo es: 
     41231432 TTCTTCqqqw voponetoneto
Combinando (1), (2) y (3), queda: 
     43 473717,015030,11000 TT 
Para procesos isentrópico 3‐4 e isobárico 2‐3, se tiene: 
4,0
3
3
1
4
3
34 6788,0














vT
v
vTT
k
y 
39860
03771,0
1503
2
2
3
3 
v
T
v
T
(1) 
(2) 
(3) 
     4,1
33 46540473717,01503398600,11000 vv 
Por tanteo, se obtiene: 
KTKTkgmv 1290 ; 3080 ; 0773,0 43
3
3 
Tema adicional Motores de combustión interna 
Taller de Ejercicios: 
Problema 2.8 (Ejemplo9.5 del Potter and Somerton, 1993)(cont...) 
 
R.‐ 
De esta forma, se tiene que el radio de admisión rc es: 
05,223  vvrc
   
 
   %9,62 ó 629,0
105,24,1
105,2
18
11
1
111
4,1
4,01_ 





 
c
k
c
kDieselT rk
r
r

Y la eficiencia térmica es calculada como: 
Nótese que para el Ciclo Otto, se tendría: 
%1,58 ó 581,01178,8
0773,0
6788,0
1_31  kOttoTOtto r
vvr 
b) Para la pme: 
    



0377,06788,0
1000
minmax vv
wpme neto
kPapme 1570
Tema adicional Motores de combustión interna