Motor de combustión interna: fundamentos y diseño
¿Qué es un motor de combustión interna?
Un motor de combustión interna, también conocido como motor térmico, es una pieza de equipo mecánico que funciona con un combustible , como gasolina, gas natural o diesel. El combustible se introduce en una cámara, se mezcla con oxígeno y luego se enciende . La explosión se utiliza para producir trabajo mecánico, ya sea empujando con fuerza un pistón o impulsando aire a una velocidad increíblemente alta.
Los motores de combustión interna generalmente se clasifican en motores de combustión intermitente y motores de combustión continua . Los motores de combustión intermitente se utilizan para vehículos terrestres y acuáticos como automóviles, motocicletas y barcos. Los motores de combustión continua se utilizan en turbinas de gas, motores a reacción y la mayoría de los motores de cohetes.
Motores de combustión interna intermitente
En un motor de combustión interna intermitente o alternativo, el combustible se introduce en una cámara confinada con un pistón firmemente instalado en el interior. La cámara está estacionaria, pero se permite que el pistón se mueva. El combustible entra en la cámara junto con el oxígeno y se enciende. La explosión impulsa el pistón hacia adelante con gran fuerza.
El pistón está unido a un cigüeñal que se mueve con el movimiento deslizante hacia adelante y hacia atrás del pistón dentro de la cámara. Un cigüeñal tiene la capacidad de transformar el movimiento lineal del pistón en movimiento de rotación. El movimiento de rotación se usa luego para hacer girar ruedas o palas.
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Motores de combustión interna continua
Un motor de combustión interna continua es muy diferente, pero aún implica quemar combustible en una cámara de combustión. En este tipo de motor, el aire y el combustible se encienden en la cámara de manera continua. El aire es aspirado por un compresor de aire que aspira y presuriza el aire hacia la cámara de combustión. Se introduce combustible en la cámara de combustión y se enciende la mezcla. Se permite que el aire altamente presurizado y extremadamente caliente fluya a través de una turbina y salga del motor con gran fuerza, impulsando todo el motor hacia adelante.
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El concepto detrás del motor a reacción es bastante simple: es la misma razón por la que un globo se impulsa hacia arriba si dejas escapar el aire dentro del globo. El aire liberado por el globo empuja contra el aire atmosférico y, a su vez, el aire atmosférico empuja hacia atrás, impulsando el globo hacia adelante. En un avión, el motor expulsa los gases de escape y los gases de escape empujan el motor hacia adelante.
Eficiencia de los motores de combustión interna
Los motores de combustión interna también se denominan motores térmicos porque convierten el calor de una explosión en trabajo. Sin embargo, el calor nunca se puede convertir completamente en trabajo; siempre hay pérdidas. De hecho, un ingeniero francés, Nicolas Leonard Sadi Carnot, cuantificó la cantidad máxima teórica de calor que un motor puede convertir en trabajo. El máximo teórico nunca es el 100%.
La eficiencia de una máquina térmica para convertir el calor en trabajo depende de la diferencia de temperatura entre los depósitos . En una máquina térmica hablamos en términos de un depósito caliente y un depósito frío, con la energía siempre fluyendo de lo caliente a lo frío. El motor obtiene calor del depósito caliente, la explosión en la cámara de combustión, convierte parte de este calor en trabajo y expulsa el calor restante al depósito frío, los gases de escape. Entonces, la eficiencia se basa en la diferencia entre la temperatura del depósito caliente, representada como Thot, y la temperatura del depósito frío, representada como Tcold. La relación es:
Eficiencia ideal = (Thot – Tcold) / Thot (Tenga en cuenta que las temperaturas deben expresarse en Kelvins).
Entonces, si tiene una cámara de combustión a 500 K (el equivalente a 227 C) con gases de escape a 300 K (el equivalente a 27 C), la eficiencia ideal sería (500-300) / 500, que es 40%. Esta eficiencia ideal es crucial para fines de diseño y proporciona un límite superior a la cantidad de trabajo que puede proporcionar un determinado motor térmico.
Resumen de la lección
En esta lección aprendió que un motor de combustión interna siempre implica convertir la energía química de los combustibles en energía mecánica. Los motores de combustión interna pueden funcionar con combustión intermitente , un proceso que implica empujar pistones unidos a los cigüeñales. También pueden funcionar con combustión continua , donde el aire caliente a alta velocidad se expulsa con fuerza del motor, impulsando el motor hacia adelante. También aprendió que un motor de combustión interna nunca puede ser 100% eficiente. La eficiencia está limitada por la diferencia de temperatura de los depósitos fríos y calientes , y la eficiencia ideal del motor se puede calcular utilizando la fórmula Eficiencia ideal = (Thot – Tcold) / Thot (con temperaturas en Kelvin).
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