MOTOR DE EXPLOSIÓN DE EXPANSIÓN PROLONGADA - Aeipro

Abstract
XI CONGRESO INTERNACIONAL DE INGENIERIA DE PROYECTOS
LUGO, 26-28 Septiembre, 2007
MOTOR DE EXPLOSIÓN DE EXPANSIÓN PROLONGADA
Luis Mª Aznar Hermosilla (P)
It has been done a lot of work, and very well done, on the high pressure area of the internal
combustion motors or piston engines. However it can also be obtained a higher efficiency by
means of using, in a convenient way, the low pressure area of the engine cycle.
The expansion stroke of current piston engines ends, due to their geometry, at a higher
pressure than the atmospheric pressure. However it is possible to extend such an expansion
stroke up to the atmospheric pressure, with the object of obtaining a higher efficiency.
The present work studies different systems to attain such an extended expansion. Some of
them have been created by the author. Obviously all of them have their advantages and
disadvantages, and the consecution of their practical application should come after high
investments of time and money.
Key words: Explosion Engine with Extended Expansion; P-V Diagram; Enlarged Epicycloid;
Theoretical Cycle; Real Cycle.
Resumen
Se ha trabajado mucho y muy bien en la parte de altas presiones de los motores de émbolo,
o de pistones, sin embargo, la parte de bajas presiones puede también ayudar en la mejora
del rendimiento del motor. La expansión en dichos motores de émbolo finaliza, por razones
de geometría de los mismos, a una presión mayor que la atmosférica, siendo posible la
continuación de su expansión hasta dicha presión atmosférica, obteniéndose de ese modo
un mayor trabajo mecánico y un rendimiento más elevado al realizarse una expansión
prolongada.
El presente trabajo estudia posibles sistemas para lograr dicha expansión prolongada.
Algunos de ellos constituyen una primicia. Obviamente todos ellos tienen sus ventajas e
inconvenientes, y el logro de su aplicación práctica vendría tras de fuertes inversiones de
trabajo y dinero.
Palabras clave: Motor de explosión de expansión Prolongada; Diagrama P-V; Epicicloide
alargada; Ciclo teórico; Ciclo real.
1. Introducción
La meta es disponer de un motor que permita un mayor aprovechamiento del combustible
que los actualmente disponibles, animando a las instituciones y empresas que puedan
dedicarse a ello, a que conviertan en realidad lo que aquí se expone como una idea y que
permite múltiples realizaciones útiles.
2. Motor actual de explosión consu diagrama P-V
712

Existen muchos tipos de motores actuales, cuya modificación permitirá un incremento en su
rendimiento.
Los motores cuya mejora propongo son los actuales de pistón, tanto de gasolina como
diesel, pero con una construcción tal, que las carreras de compresión y de expansión sean
distintas, buscándose una mayor carrera en la expansión, con el fin de aprovechar una
mayor parte de la energía utilizable.
Este tipo de motor puede aplicarse tanto a combustibles de gasolina, gases, gasóleo, etc.,
en resumen los mismos actualmente existentes y que funcionan con pistón. La propuesta
actual es un incremento de la expansión en cualquier motor de pistón, tanto se trate de un
motor de gasolina (o derivado, es decir con bujías de chispa), o de un motor de ciclo diesel.
3. Epicicloides
Figura 1. Esquema de un motor actual con su diagrama P-V a la derecha.
Para la comprensión del funcionamiento del motor propuesto es conveniente recordar que
son las epicicloides. Las epicicloides son las trayectorias seguidas, por un punto unido a una
circunferencia, que rueda sin deslizar sobre el exterior de otra circunferencia,
1. Sí el punto está sobre la circunferencia, epicicloide
2. Sí el punto es interior a la circunferencia rodante es una epicicloide acortada.
3. Sí el punto es exterior a la circunferencia rodante es una epicicloide alargada.
713

Para la realización practica de una epicicloide basta con sustituir las circunferencias por
engranes.
ACORTADA NORMAL ALARGADA
ALARGADA
4. Motor de expansión prolongada.
Figura 2. EPICICLOIDES.
Figura 3. Esquema de un motor con Epicicloide Alargada con su diagrama P-V a la derecha.
En la Figura 3 (hecha con Visual Basic por el autor) se muestra, en su parte izquierda, de
forma esquemática, cual sería la construcción de este motor (es de cuatro tiempos). En su
parte inferior la circunferencia negra representa el engrane fijo y la roja el engrane rodante.
En su parte central un diagrama mostrando en función del tiempo cual es la posición de la
parte alta del pistón.
714

En su parte derecha el diagrama P-V, con la presión en la coordenada horizontal y el
volumen comprendido dentro del cilindro y limitado por el pistón en la coordenada vertical,
es decir, girado 90° hacia la derecha a como estamos acostumbrados a verlo.
La trayectoria de la cabeza de la biela es una curva de la familia de las cicloides, es una
epicicloide alargada. Desde ahora se recomienda al lector que no intente construir un motor
con este sistema, ya que aunque geométricamente da una solución, sus exigencias desde el
punto de vista de resistencia de materiales son muy grandes y existen mejores sistemas.
La ventaja principal de algún sistema, que permita que el diagrama presión volumen
continúe la expansión hasta la presión atmosférica, es que la superficie en el interior del
ciclo es mayor, lo cual significa que se obtiene mas trabajo por ciclo (es proporcional a dicha
superficie) y por lo tanto mejor rendimiento (o lo que es lo mismo menor consumo).
4.1.- Ecuaciones
rc
Circunferencia Rodante
dc
Circunferencia Fija
rs
rp
Pt1 (x1
y1)
Pt2 (x2 = x1
y2 =y1 -dc)
A2 = A1
A3 = 2 A1
Cabeza Biela
Pini (x=x1
y=y1-dc-rc)
Lb
Figura 4. Ecuaciones de las coordenadas X e Y de diferentes puntos.
En la Figura 4 se muestran las ecuaciones que permiten calcular las coordenadas de
diferentes puntos. Es característica importantísima de dicha figura el que la circunferencia
fija y la rodante tienen el mismo diámetro.
dc
rp
A3
A4
Pt3 (x3=x2- rcsenA3
y3 =y2 - rccosA3
rs
A1
rc
Pt4 (x4 = x1
y4 =y3 +LbcosA4)
Pie Biela
A2
Pt1 (x1
y1)
Pt2 (x2=x1-dc senA1
y2 =y1 -dccosA1)
715

5.- Los cuatro tiempos.
Figura 5. Los cuatro tiempos de nuestro motor.
En la Figura 5 podemos ver las diferentes fases de funcionamiento de dicho motor. Las dos
pequeñas circunferencias (una de ellas centrada en el cárter y la otra tangente a ella)
representan los engranes y la curva en rosa representa la epicicloide alargada seguida por
la cabeza de la biela. El punto muerto superior (en el cual el pistón está en su posición mas
elevada) es difícil de determinar.
6.- Construcción.
En la Figura 6 podemos ver un esquema que muestra una idea de como podría ser un
motor construido según esta idea. Está pensado para dos cilindros opuestos, el de la
izquierda se encuentra al final de la carrera de admisión, el de la derecha al final de la
carrera de expansión. Es de destacar la debilidad de los ejes de salida. En rosa tenemos el
dibujo de la epicicloide alargada que corresponde al pistón de la derecha.
Está pensada la salida al exterior de la potencia a través de dos ejes, que engranan con un
eje exterior, con el fin de que conseguir una mayor resistencia mecánica.
En la definición de un motor de este tipo, existe además de la relación de compresión, la
relación expansión / compresión, ambas están definidas por el diseño.
En este motor el cigüeñal no solamente gira alrededor de su eje principal, sino que además
gira sobre otro eje (este fijo) de tal manera que dos engranes exteriores, con igual numero
de dientes y engranando entre si relacionan ambas velocidades de giro.
716

Figura 6. Esquema de una posible construcción del motor para 2 cilindros, no aconsejable para mas.
Además de la ventaja citada de un mayor aprovechamiento del combustible, presenta
otras adicionales, tales como:
Menor necesidad de silencioso en el tubo de escape de gases, ya que al abrirse la
válvula de escape la presión dentro del cilindro es menor.
Menor esfuerzo mecánico, y sobre todo térmico de la válvula de escape, ya que en el
momento de su apertura, los gases de escape están amenor temperatura y presión.
Evidentemente no todos son ventajas, entre las desventajas se encuentran:
• Su mayor complicación, por lo tanto su mayor coste de construcción.
• Su mayor peso
• Su dificultad para realizar un motor con muchos cilindros.
7.- Diagramas.
La figura 7 representa para su comparación los diagramas P-V de un motor actual, y del
propuesto, para un motor diesel, con relación de compresión de 14:1 en ambos y una
relación de expansión de 14:1 en el actual y 28:1 en el propuesto.
La figura 8 representa para su comparación los diagramas P-V “reales” (son inventados)
aproximados de un motor actual, y del propuesto anteriormente. Es de destacar la existencia
en ambos de un pequeño bucle negativo en la parte inferior, debido a que durante la
admisión de aire, el interior del cilindro se encuentra a menor presión que la atmosférica, lo
cual afecta a todo el ciclo, haciendo que la presión obtenida al final de la compresión sea
menor a la teórica.
717

Presión (Bares)
40
30
20
10
Presión (Bares)
3 4
40
30
20
10
3
1 1
4
5
5
2
6
7 1 1
2
6
7
10 20
30 Volumen
10 20 30 Volumen
CICLO TEÓRICO ACTUAL CICLO TEÓRICO PROPUESTO
SUPERFICIE RAYADA 16319 SUPERFICIE RAYADA 19156 (+17%)
+ 5
Presión (Bares)
3 4
40
Figura 7. CICLOS TEORICOS
Presión (Bares)
1 1 - 2
1 1 - 2
6
7
10 20
CICLO "REAL" ACTUAL
30 Volumen 10 20 30 Volumen
CICLO "REAL" PROPUESTO
40
30
20
10
3 4
+
Figura 8 CICLOS “REALES”
En la Figura 9 tenemos el encabezamiento de una hoja de cálculo. El significado de las
denominaciones empleadas lo podemos ver en la Figura 4. Con esta hoja podemos ir
siguiendo la variación de los diferentes puntos. En las figuras 10 y 11 podemos ver un
gráfico obtenido con ella. El empleo de hojas de cálculo resulta muy útil para experimentar
que pasa, cuando damos distintos valores a las variables y tantear hasta encontrar valores
adecuados a una aplicación concreta.
30
20
10
5
718

Sol (rs)
Radios
Planeta (rp)
96
96
Pt 1
X 1 Y 1
Dist.Centros (dc) 192 0 0
Longitud de Biela (Lb) 450
Cigüeñal (rc) = 140 Cigüeñal (rc) = 200
Máx. 39,95 288,98 172,91 616,15 50,17 345,59 223,04 666,41
Mín. -39,95 -288,98 -332,00 118,00 -50,17 -345,59 -392,00 58,00
Recorrido Máximo en Expansión =
498,15 608,41
Recorrido Máximo en Aspiración =
114,15 224,41
Angulo A1 Angulo A3 Pt 2 Angulo Pt 3 Pt 4 Angulo Pt 3 Pt 4
en º en Radianes en Rad. X 2 Y 2 A4 en º X 3 Y 3 Y 4 A4 en º X 3 Y 3 Y 4
0 0,0000 0,0000 0,00 -192,00 0,0000 0,00 -332,00 118,00 0,0000 0,00 -392,00 58,00
1 0,0175 0,0349 -3,35 -191,97 -1,0488 -8,24 -331,89 118,04 -1,3155 -10,33 -391,85 58,03
2 0,0349 0,0698 -6,70 -191,88 -2,0971 -16,47 -331,54 118,16 -2,6304 -20,65 -391,40 58,13
700
500
300
100
-100
-300
-500
mm
Expulsión
Ver Figura 4
Figura 9 Encabezamiento de Hoja de Cálculo
Posición del Pistón
Admisión Compresión
0 90 180 270 360 º
Figura 10. Posiciones del Bulón del pistón y de los Puntos Pt1, Pt3, y Pt4 según fig. 4
En la Figura 10 podemos en color naranja, las alturas que toma el eje del cigüeñal en
función del ángulo girado. En azul tenemos las alturas de los puntos Pt3 muñequilla del
cigüeñal (curva inferior) y bulón del pistón (curva superior), para un valor del radio del
cigüeñal de 140. Las curvas en verde son iguales a las azules pero para un valor del radio
del cigüeñal de 200.
Es de destacar que (para rc=140) el punto muerto superior se produce para unos valores del
ángulo girado por el centro del cigüeñal de 115º y 245º (simétricos respecto a los 180º)
curvas azules.
8.- Motor TURBOALIMENTADO de expansión prolongada.
Y2
Y3 (1)
Y4 (1)
Y3 (2)
Y4 (2)
Expansión
719

Son de uso frecuente los motores turboalimentados por presentar ventajas frente a los
motores que no los son:
• Se consiguen mayores potencias de un motor con cilindrada dada
• Se consiguen motores con menos peso.
• Cuando están al relenti consumen menos, al tener menor cilindrada.
• Son menos sensibles a la variación de la presión atmosférica con la altura
Presión (Bares)
3 4
80
70
20
10
2 1
1
5
2
10 20
CICLO TEÓRICO ACTUAL
MOTORES TURBOALIMENTADOS
30 Volumen
Presión (Bares)
3 4
80
Figura 11 Diagrama P-V. Motores Turboalimentados
CICLO TEÓRICO PROPUESTO
En la Figura 11 podemos ver los ciclos de teóricos tanto de los motores diesel actuales,
como del propuesto, ambos funcionando con turbo alimentación. En esta figura se ha
supuesto un factor de dos entre la presión de salida del compresor y la atmosférica.
Los dos ciclos son iguales a los anteriormente mostrados en la figura 8, excepto en que las
presiones son el doble. Se ha cortado la parte media del ciclo por no ayudar a su
comprensión.
Siempre y cuando los materiales resistan los esfuerzos a los que estén sometidos (tanto
mecánicos como térmicos), son preferibles los motores turboalimentados. La relación de
compresión de los motores turboalimentados es habitualmente menor que la de los que no
lo son, ya que como podemos ver en el gráfico, las presiones (y temperaturas) aumentan
fuertemente comparadas con los no turboalimentados.
70
20
10
2 1
1
10
5
2
20
6
7
30 Volumen
720

9.- Funcionamiento de los turbocompresores.-
CICLOS DE TURBOCOMPRESIÓN
Presión (Bares) Presión (Bares)
2
1
W
TRABAJO CONSUMIDO
POR EL COMPRESOR
10 20 Volumen
CICLO COMPRESOR CENTRIFUGO
2
1
W
TRABAJO PRODUCIDO
POR LA TURBINA
10 20 30 40
CICLO TURBINA
Fig 12 Diagrama P-V del compresor y de la turbina.
Volumen
En la Fig. 12 tenemos los diagramas teóricos P-V (presión-volumen) tanto del compresor,
como de la turbina que lo mueve. Las superficies rayadas representan el trabajo solamente
si las transformaciones son isoentrópicas, en la realidad estas no lo son aunque se
aproximen a serlo. Como podemos observar la superficie correspondiente a la turbina es
mucho mayor que la del compresor.
El turbocompresor es muy similar a una turbina de gas, comprime el aire, lo recoge,
procedente del motor de pistón, a una temperatura mayor y a una presión próxima a aquella
a la que la había entregado, lo expansiona hasta la presión atmosférica, y lo expulsa al
exterior.
Lo anterior nos lleva a pensar que el turbocompresor puede entregar energía al exterior, al
igual a como lo hace una turbina de gas.
Aunque supongo que los fabricantes de turbocompresores, tienen trabajo y dificultades de
diseño de los mismos, para conseguir un buen diseño y un buen acoplamiento del mismo al
motor de pistones, al menos, en teoría, es posible hacerlo mejor. Existen al menos dos
sistemas:
• Colocando en el eje de la turbina un minialternador, de gran frecuencia, que produzca
energía eléctrica, y que incluso en momentos puntuales trabaje como motor.
• Entregando el aire al motor a una presión mayor a la luego le es devuelta por él.
También es posible hacer que el compresor tenga dos salidas de aire, yendo una al motor
principal y la otra a un intercambiador de calor, en el cual se caliente y finalmente a la
turbina donde se expansione, los gases salientes de la turbina irían al intercambiador de
calor ya que su temperatura es superior a la del aire comprimido. Este ciclo auxiliar
produciría un trabajo neto que ayudaría a soplar a mayor presión, o a suministrar energía
eléctrica a través de un alternador.
721

10.- Caso de presión de salida del compresor mayor que la de entrada en la
turbina
Presión (Bares)
3
2
1
W
TRABAJO CONSUMIDO
POR EL COMPRESOR
10 20 Volumen
CICLO COMPRESOR CENTRIFUGO
Presión (Bares)
Figura 13 Ciclos de turbocompresión
En la Fig. 13 tenemos dos posibles diagramas teóricos P-V (presión-volumen) tanto del
compresor, como de la turbina que lo mueve. En este caso la presión a la cual entrega el
aire en el compresor es mayor que la presión a la que se recibe en la turbina. El trabajo
producido por la turbina es mayor que el consumido por el compresor, por lo cual el conjunto
puede funcionar. De hecho, muchos turboalimentados, disponen de un dispositivo, que
cuando trabajan próximos a su máxima potencia, vierten a la atmósfera directamente, sin
pasar por la turbina, parte de los gases de escape. Lo hacen para no dañar al motor
principal (el de pistones), y/o al turbocompresor.
Las superficies rayadas representan el trabajo solamente si las transformaciones son
isoentrópicas, en la realidad estas no lo son, aunque se aproximen a serlo. Como podemos
observar la superficie correspondiente a la turbina es mayor que la del compresor.
En la Figura 14 podemos ver la parte inferior del ciclo cuando la presión de entrada al
cilindro es mayor que la de salida del mismo
Conclusiones y recomendaciones.-
3
2
1
TRABAJO PRODUCIDO
POR LA TURBINA
10 20
30
CICLO TURBINA
Volumen
Lo aquí explicado es una idea que merece la pena ser llevada a la practica, y se
recomienda a quienes diseñan motores la tengan en cuenta y contacten con el autor,
ya que sus estudios han llegado mas lejos de lo aquí expuesto
W
40
722

Presión (Bares)
Presión (Bares)
30 30
20
10
3
2
976ºK = 703ºC
293ºK = 20ºC
10 20
30 Volumen
10 20 30 Volumen
CICLO TEÓRICO ACTUAL
CICLO TEÓRICO PROPUESTO
Figura 14 Parte inferior de los ciclos teóricos
Bibliografía:
Revista SCIENCE & VIE edition speciale Automobile 2004
BOSCH Mémento de Technologie Automobile 3 éme Edition
Sobrealimentación de motores de D. Juan Miralles de Imperial, editorial CEAC
HÜTTE Manual del Ingeniero II, editorial Gustavo Gili.
Revista DYNA (revista de la asociación de Ingenieros Industriales de España) Enero
Febrero 2004 volumen LXXIX Nº1. Articulo “MOTORES Y CARBURANTES PARA EL
AUTOMÓVIL DEL FUTURO” de D. Jesús Casanova Kindelan
Luis Mª Aznar
Ingeniero Industrial, especialidad Mecánica de máquinas
Titulo obtenido en la: “Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales. De Bilbao”
Colegiado Nº 1204 Colegio de Ingenieros Industriales de Bilbao
Baserritar Etorbidea 59C 20280 Hondarribi Spain
Tfnos +34 943 641 529 , +34 655 732 642
Email zazpiak@euskalnet.net
20
10
3 2
720ºK = 447ºC
723