Ejercicios: Motores térmicos

Nombra los cuatro tiempos del motor de explosión de gasolina y describe qué ocurre en cada uno: posición del pistón, estado de las válvulas y qué le pasa a la mezcla.

La figura muestra esquemáticamente los cuatro tiempos de un motor de explosión, pero uno está tapado. Indica qué tiempo falta, qué ocurre en él y cómo lo deduces de la posición del pistón y de las válvulas de los tiempos vecinos.

Explica la función de estos componentes del motor de explosión: bujía, inyector o carburador, cigüeñal, biela y válvulas. ¿Cuál de ellos distingue al motor de gasolina del motor diésel?

Define el diámetro interior del cilindro (calado) y la carrera del pistón, y escribe la fórmula de la cilindrada unitaria en función de ambos. ¿Por qué dos motores con la misma cilindrada pueden comportarse muy distinto si uno es «largo» (carrera mayor que el diámetro) y otro «supercuadrado»?

La figura muestra un cilindro con su calado y su carrera cotados. Calcula la cilindrada unitaria $V_u = \pi \cdot \frac{D^2}{4} \cdot c$ con los datos de la figura, exprésala en $\text{cm}^3$ y calcula la cilindrada total si el motor tiene tres cilindros.

Explica las diferencias básicas entre un motor de dos tiempos y uno de cuatro tiempos: cuántas vueltas del cigüeñal necesita cada ciclo, cómo entran y salen los gases y por qué los de dos tiempos suelen ser más ligeros pero más contaminantes.

Define el punto muerto superior (PMS) y el punto muerto inferior (PMI) del pistón y explica qué volumen queda por encima del pistón en cada posición. ¿En cuál de los dos se produce el encendido de la mezcla?

Explica qué hace un turbocompresor: qué energía residual aprovecha (la de los gases de escape), qué comprime y por qué un motor turbo pequeño puede rendir como uno atmosférico mayor. ¿Qué es el «retardo del turbo»?

Un motor tiene cuatro cilindros de $500\ \text{cm}^3$ de cilindrada unitaria. a) Calcula la cilindrada total del motor. b) Si el volumen de la cámara de combustión de cada cilindro (con el pistón en el punto muerto superior) es de $50\ \text{cm}^3$, calcula la relación de compresión $r = \frac{V_u + V_c}{V_c}$. c) Explica qué mejora y qué riesgo conlleva una relación de compresión alta.

Compara el ciclo Otto (gasolina) con el ciclo diésel: cómo se introduce el combustible, cómo se produce la ignición y qué relación de compresión usa cada uno. Razona por qué los motores diésel suelen ser más eficientes a carga parcial.

De los $100\ \text{kJ}$ químicos de la gasolina, un motor de explosión entrega unos $30\ \text{kJ}$ mecánicos a las ruedas. Explica por dónde se pierden los otros $70\ \text{kJ}$ (calor de escape, refrigeración, rozamientos) y cita dos mejoras tecnológicas que reducen esas pérdidas.

Un motor entrega un par de $180\ \text{N}\cdot\text{m}$ a $3\,000\ \text{rpm}$. a) Expresa la velocidad angular en $\text{rad/s}$ ($\omega = \frac{2 \pi n}{60}$). b) Calcula la potencia efectiva $P = M \cdot \omega$ y exprésala en $\text{kW}$. c) Calcula el trabajo producido por cada explosión de un cilindro si el motor es de cuatro cilindros y cuatro tiempos.

El consumo específico de un motor es de $240\ \text{g/kWh}$. a) Calcula cuánta gasolina consume en una hora funcionando a $50\ \text{kW}$. b) Con el poder calorífico de la gasolina ($\approx 12\ \text{kWh/kg}$), calcula el rendimiento térmico del motor. c) Comenta el resultado a la vista del balance típico de pérdidas.

Explica por qué el motor diésel no necesita bujías: qué ocurre con la temperatura del aire al comprimirlo mucho, cuándo se inyecta el gasóleo y cómo se produce el autoencendido. Relaciona esto con su mayor relación de compresión.

La distribución controla la apertura de las válvulas. Explica qué es el árbol de levas, qué significa que un motor sea «DOHC» (doble árbol de levas en culata) y por qué los motores modernos añaden distribución variable (variar el momento de apertura según el régimen).

Enumera los principales contaminantes de un motor de combustión (CO, NOx, partículas, hidrocarburos sin quemar) y explica qué sistema de postratamiento reduce cada uno (catalizador de tres vías, filtro de partículas, recirculación de gases EGR). ¿Por qué el CO₂ no se puede «filtrar» y solo se reduce consumiendo menos?

Un motor gira a $3\,000\ \text{rpm}$. a) Calcula cuántos ciclos completos de cuatro tiempos realiza cada cilindro por segundo, recordando que un ciclo ocupa dos vueltas del cigüeñal. b) Calcula el número de explosiones por segundo en un motor de cuatro cilindros a ese régimen. c) Explica por qué a mayor régimen no crece indefinidamente la potencia (llenado de los cilindros, pérdidas).

Un vehículo híbrido combina un motor térmico con uno eléctrico. Analiza en qué situaciones de conducción (arranque urbano, crucero por autopista, frenada) conviene cada motor y cómo se aprovecha la energía de frenado, y razona por qué el consumo urbano del híbrido mejora tanto frente al del térmico convencional.

Diseña a nivel conceptual el banco de pruebas de un pequeño motor de explosión de laboratorio: qué magnitudes medirías (par, régimen, consumo de combustible, temperaturas), con qué instrumentos, y cómo calcularías a partir de ellas la potencia efectiva ($P = M \cdot \omega$) y el consumo específico de combustible.

El «downsizing» sustituye motores grandes atmosféricos por otros pequeños con turbo. Analiza sus ventajas (menores pérdidas por bombeo a carga parcial, menos rozamiento y peso) y sus límites (temperaturas y presiones altas en la cámara, fiabilidad, conducción real frente a homologación), y valora si es una solución de eficiencia real o de ciclo de ensayo.

Compara las emisiones de usar un coche con motor de combustión de gasolina, uno de GLP, uno híbrido y uno eléctrico, distinguiendo emisiones locales (en ciudad) y emisiones globales (pozo a rueda: extracción del combustible o generación eléctrica). ¿Qué papel juega el mix eléctrico del país en la comparación del eléctrico?

Investiga y explica una arquitectura de motor distinta del alternativo clásico (motor rotativo Wankel, motor Stirling o ciclo Atkinson/Miller en híbridos): cómo funciona, qué ventaja teórica ofrece y qué problemas han impedido o limitado su uso generalizado.

Un motor debe evacuar aproximadamente un tercio de la energía del combustible por el circuito de refrigeración. Compara la refrigeración por aire y por líquido (uniformidad de temperatura, ruido, complejidad, aplicaciones) y explica qué hacen el termostato, la bomba y el radiador en el circuito de líquido.

Los consumos homologados en laboratorio (ciclo WLTP) suelen diferir de los reales. Analiza por qué (condiciones idealizadas, cargas, temperatura, estilo de conducción) y diseña a nivel conceptual un procedimiento de ensayo más representativo: qué variables registrar en ruta real, durante cuánto tiempo y cómo procesar los datos para publicar un consumo «de uso real».