Tema 3. Motores alternativos de
combustin interna
Asignatura: Ingeniera trmica y de fluidosProfesor: Fernando Corts Martnez
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 2
En este tema se tratan aspectos relativos a los motores decombustin interna desde dos puntos de vista.
(i) En primer lugar se estudian los modelos tradicionalespara los ciclos de motores MEP y MEC.
(ii) A continuacin se presentan algunos de loscomponentes principales de estos tipos de motores,enunciando su funcin, materiales
Al comienzo del tema se hace una pequea introduccin alos combustibles y a la combustin
Resumen
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 3
ndice
2.1. Introduccin a los MACI
2.2. Combustibles y combustin
2.3. Potencias, rendimientos y modelos
2.4. Elementos constructivos de los MACI
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Tipos de motores de combustin interna
2.1. Introduccin a los MACI
Alternativos Rotativos
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2.1. Introduccin a los MACIMotor alternativo de 4 tiempos
MEP
MEC
- admisin de aire + combustible- encendido provocado por buja
- admisin de aire- inyeccin del combustible- encendido por autoinflamacin
- admisin- compresin- combustin-expansin- escape
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- pequeas cilindradasLimitaciones
Aplicaciones- motocicletas (MEP)- motores marinos (MEC)
- alto rendimiento- alta potencia especfica- sencillez tecnolgica
2.1. Introduccin a los MACIMotor alternativo de 2 tiempos
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Motor rotativo Wankel
-alta potencia especfica- menor inercia- extensa gama de revoluciones- menor nivel de vibraciones
Ventajas
Inconvenientes-alto consumo- estanqueidad- duracin de los segmentos
2.1. Introduccin a los MACI
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Campo de aplicacin de los MACI
Automocin-Transporte por carretera (automviles, camiones, motocicletas, ...)
- Maquinaria de obras pblicas (excavadoras, bulldozer, ...)
- Maquinaria agrcola (tractores, cosechadoras, ...)
- Propulsin ferroviaria (MEC)
- Propulsin marina (MEC)
- Propulsin area (en la actualidad, pequeos motores)
2.1. Introduccin a los MACI
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Campo de aplicacin de los MACI
2.1. Introduccin a los MACI
Estacionarios- Grupos generadores de energa (centrales elctricas y de emergencia) (MEC)
- Accionamiento industrial (bombas, compresores, ...) (MEC)
- Accionamiento rural (motobombas, cortacspedes, sierras mecnicas, ...)
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2.2. Combustibles y combustin
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2.2. Combustibles y combustin
Different kinds of fuels:
1. Hydrocarbons (methane, gasoline, diesel)
2. Alcohols (methanol, ethanol)
3. Nitroparaffins (nitromethane, nitropropane)
4. Hydrogen
2 2fuel + air CO H O ... + +
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Derivados del petrleo: torre de fraccionamiento
2.2. Combustibles y combustin
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2.2. Combustibles y combustin
Aplicaciones de los productos de una destilera
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Some properties of petroleum-derived compounds
2.2. Combustibles y combustin
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 15
Calidad de la gasolina: ndice Octano
Calidad del gasoil: ndice Cetano
Volatilidad
2.2. Combustibles y combustin
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n-heptane C7H16: NO = 0
Iso-octane C8H18: NO = 100
Fuel quality for SIEThe octane number (ON) indicates the auto-ignition resistance
2.2. Combustibles y combustin
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2.2. Combustibles y combustin
Auto-ignition temperature for some fuels
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 18
Methil-napthalene C10H7CH3: NC = 0
Cetane C16H34: NC = 100
Fuel quality for CIEThe cetane number (CN) indicates the auto-ignition capacity
2.2. Combustibles y combustin
napthalene: C10H8
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Heating values of fuels:
0 0r f , f ,
,products ,reactants= i i i i
i iq n h n h
rif >0 endothermic reactionq rif
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Lower heating value:
Heat introduced into the engine:
,fuel ,fuel ,fuelin
ss mixture
J1 1 kg1
h h hq AA A
= = = + + +
A A A
,fuel rfuel
Jkg
h q = A2 2 (g)fuel + air CO H O ... + +
s
air/fuel equivalence ratioAA
= =fuel/air equivalence ratio = s
1 FF
= =
2.2. Combustibles y combustin
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GasolinasCarbono, C 85,6 %Hidrgeno, H 14,4 %Poder calorfico inferior, Hc 10.400 kcal/kg combustibleAire mnimo para la combustin 14,756 kg/kg combustible
GasleosCarbono, C 86 %Hidrgeno, H 12,2 %Azufre, Oxgeno y Nitrgeno 2 %Poder calorfico inferior, Hc 10.000 kcal/kg combustibleAire mnimo para la combustin 13,981 kg/kg combustible
2.2. Combustibles y combustin
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Heating values (heat of combustion) for some fuels
2.2. Combustibles y combustin
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2.2. Combustibles y combustin
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 24
s 2 2 1 2 2 2 3 2C H O N (O 3.76N ) CO H O Na n n n + + + +
s = + 4 2a
1=n 2 = 2
n
3 s= +3.762n a
ss
28.85(4.76 )(12.01 1.008 16.00 14.01 )
aA = + + +
2.2. Combustibles y combustin
Modelo de combustin estequiomtrica
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Stoichiometric data for some fuels
2.2. Combustibles y combustin
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 26
The equivalence ratio relates the actual fuel mass with thestoichiometric mass of the mixture. If < 1 the mixture iscalled lean, if > 1 the mixture is said to be rich.
Low temperature non-stoichiometric model
s
FF
=s
AA
=1 =
2.2. Combustibles y combustin
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Influence of the equivalence ratio having on emissionsLow temperature non-stoichiometric model
2.2. Combustibles y combustin
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Emissions composition
Low temperature non-stoichiometric model
2.2. Combustibles y combustin
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s2 2 1 2 2 2
3 2 4 2 5 6 2
C H O N (O 3.76N ) CO H O
N O CO H
a n n
n n n n
+ + ++ + + +
A combustion model for T < 1000 K
2.2. Combustibles y combustin
Low temperature non-stoichiometric model
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For rich mixtures, an additional equation is needed:
2 2 2CO H CO H O+ +U
2 5
1 6( ) n nK T
n n=
Equilibrium constant as a function of temperature
Fitting to JANAF tables, yields
2 31.761 1.611 0.2803ln ( ) 2.743K T
t t t= +
( /1000)t T=
2.2. Combustibles y combustin
Low temperature non-stoichiometric model
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Finally, n5 becomes2
1 1 1 15
1
4=
2b b a c
na
+
1 1a K= where
1 1 12b K d a = +
1 1c d K= 1 s
12 1d a =
2.2. Combustibles y combustin
Low temperature non-stoichiometric model
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 32
s2 2 1 2 2 2
3 2 4 2 5 6 2 7
8 9 10
C H O N (O 3.76N ) CO H O
N O CO H HO OH NO
a n n
n n n n nn n n
+ + ++ + + + ++ + +
To solve these ten unknowns, it can be used four equations ofatomic balance and six equations of chemical equilibrium.
2.2. Combustibles y combustin
A general combustion model
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 33
1 5C : ( )y y N = +Four atomic balance equations
2 6 7 9H : (2 2 )y y y y N = + + +s
1 2 4 5 8 9 10O : 2 (2 2 )a y y y y y y y N + = + + + + + +
s3 10
3.76N : 2 (2 )a y y N + = +10
11 0i
iy
= =
2.2. Combustibles y combustin
A general combustion model
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72 1
6
1 H H2
y pK
y=U
Six chemical equilibrium equations
82 2
4
1 O O2
y pK
y=U
92 2 3
4 6
1 1H O OH2 2
yKy y
+ =U
1:
2:
3:
A general combustion model
2.2. Combustibles y combustin
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 35
102 2 4
4 3
1 1O N NO2 2
yKy y
+ =U
22 2 2 5
4 6
1H O H O2
yKy y p
+ =U
12 2 6
5 4
1CO+ O CO2
yKy y p
=U
4:
5:
6:
Six chemical equilibrium equations
A general combustion model
2.2. Combustibles y combustin
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 36
Fitting the equilibrium constants to JANAF tables
2log ( ) ln( /1000) ii i i i iBK T A T C D T E TT
= + + + +
A general combustion model
2.2. Combustibles y combustin
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,fuelc ,
s(1 )
1 i ii
hx h
A =+ A A
The term of the right-hand side of the equation indicates the product of the mass fraction multiplied by the lower heating value of the products resulting from the non-stoichiometric combustion (i.e., CO, H2, HC and particles).
in,actual c in,stoichiometricq q=
2.2. Combustibles y combustin
Combustion efficiency
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Cmaras de combustin
cilindro 2V cilindro 4V
2.2. Combustibles y combustin
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 39
Motores MEP
2.2. Combustibles y combustin
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 40
Cmara hemisfrica
Buen flujo de los gases rbol de levas complejo Para cilindradas pequeas
2.2. Combustibles y combustin
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Cmara en baera
Vlvulas en lnea Recorrido corto de la chispa
2.2. Combustibles y combustin
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 42
Cmara en cua
Minimiza la turbulencia Vlvulas en lnea
2.2. Combustibles y combustin
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 43
Vlvula lateral
Poco espacio entre culata y pistn Minimiza la detonacin Para relaciones de compresin pequeas
2.2. Combustibles y combustin
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 44
Cmara de pistn
Buen flujo de los gases Para relaciones de compresin grandes
2.2. Combustibles y combustin
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 45
Motores MEC
Cmara abierta oinyeccin directa
Cmara dividida o inyeccin indirecta
2.2. Combustibles y combustin
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2.3. Potencias, rendimientos y modelos
link a la animacin
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El ciclo indicado
2.3. Potencias, rendimientos y modelos
link a la animacin
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 48
PMS PMI
pmi
Wi = pmi VD
PMI punto muerto inferior
PMS punto muerto superior
VD cilindrada ( Vmax- Vmin)pmi presin media indicada
Wi trabajo indicadoNiD potencia indicada cilindro
Potencia del ciclo indicado
2.3. Potencias, rendimientos y modelos
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 49
Ni potencia indicada del motor
Ni = pmi VT n i = pmi VD z n i = pmi AP cm z i
Clculo de la potencia indicada
z nmero de cilindrosVT cilindrada total
n vueltas por unidad de tiempoi ciclos por vuelta (1/2 1)AP rea del cilindrocm velocidad media del pistn
2.3. Potencias, rendimientos y modelos
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 50
Clculo de la velocidad media del pistn
cm = 2 S n
PMS PMI
S
MEP turismos 8-16 m/sMEP deportivos 15-23 m/sMEC automocin 9-13 m/sMEC 4T estacionarios marinos y ferroviarios 6-11 m/sMEC 2T lentos 6-7 m/s
2.3. Potencias, rendimientos y modelos
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Ne potencia efectiva del motorNe = pme VT n i = pme VD z n i = pme AP cm i
Clculo de la potencia efectiva
pme presin media efectiva
MEP turismos 8,0-14 barMEP deportivos 8,5-25 barMEC automocin 6,0-16 barMEC 4T industriales 5,5-23 barMEC 2T lentos 10,0-15 bar
2.3. Potencias, rendimientos y modelos
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 52
Clculo de las prdidas mecnicas
Npm = Ni Ne = (pmi pme) VT n i
pm pm = pmi pme
Npm = pm pm VT n i
En las prdidas mecnicas se incluye en trabajo de bombeo o de renovacin de la carga.
Estas prdidas disminuyen el rendimiento de los MEP en los ciclos urbanos.
2.3. Potencias, rendimientos y modelos
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 53
Clculo de las prdidas mecnicas
NR = potencia absorbida por la friccin mecnica (rozamiento)
Nb = potencia absorbida por el efecto de bombeo
Na = potencia para el accionamiento de auxiliares
Nc = potencia necesaria para accionar las bombas de barrido o el compresor de sobrealimentacin cuando el accionamiento es mecnico
Npm = NR + Nb + Na + Nc
2.3. Potencias, rendimientos y modelos
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 54
Clculo de rendimientos
hA,f = poder calorfico inferior del combustible a presin constante
ii
f ,f
Nm h
=A
ee
f ,f
Nm h
=A
fm = gasto msico de combustible (kg/s)
MEP e 0,25 0,30MEC e 0,30 0,50
em
i0,8 =
2.3. Potencias, rendimientos y modelos
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Clculo de consumo especfico
ff
mgN
= efe ,f
1gh= A
MEP gef 320 280 g/kWhMEC gef 280 180 g/kWh
ifi ,f
1gh= A
hA,f = poder calorfico inferior del combustible a presin constante
fm = gasto msico de combustible (kg/s)
2.3. Potencias, rendimientos y modelos
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Valores usuales de potencias especficas
Motocicletas 50 80 kW/l
Turismos 35 - 45 kW/l
Deportivos atmosfricos 120 175 kW/l
Deportivos sobrealimentados 150 350 kW/l
MEP
MEC
Turismos 20 35 kW/lCamiones atmosfricos 12 - 17 kW/lCamiones sobrealimentados 15 24 kW/lFerroviarios, marinos y estacionarios 4T 20 kW/lMarinos y estacionarios 2T 2 4 kW/l
2.3. Potencias, rendimientos y modelos
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 57
Valores usuales de revoluciones a la que se consigue la potencia mxima
MEP automocin 5.500 6.000 rpmMEP competicin 12.000 rpmMEC automocin 1.800 5.000 rpmMEC 4T ferroviarios, marinos y estacionarios 500 1.500 rpm
MEC 2T Marinos 70 200 rpm
2.3. Potencias, rendimientos y modelos
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 58
Relacin de compresin
MEP: 8 - 10
MEC: 12,5 - 23
2.3. Potencias, rendimientos y modelos
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 59
111
r =
Modelo de ciclo Otto (para MEP)
2.3. Potencias, rendimientos y modelos
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 60
Modelo de ciclo Diesel (para MEC)
( )C1 C1111
rrr
= 3
2C
vrv
=
2.3. Potencias, rendimientos y modelos
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 61
Modelo de ciclo Diesel (para MEC)
2.3. Potencias, rendimientos y modelos
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 62
Modelo de ciclo mixto
( )C1 C111
1 1P
P P
r rr r rr
= + 3
CX
vrv
=2
XP
PrP
=
2.3. Potencias, rendimientos y modelos
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 63
Ciclo Otto vs. ciclo indicado MEP
2.3. Potencias, rendimientos y modelos
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 64
Ciclo Diesel vs. ciclo indicado MEC (motor lento)
2.3. Potencias, rendimientos y modelos
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 65
Ciclo Mixto vs. ciclo indicado (motor rpido)
2.3. Potencias, rendimientos y modelos
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 66
Diferencias entre el modelo Otto y el ciclo indicado
Trabajo de bombeo
Prdidas por tiempo
Prdidas por calor
2.3. Potencias, rendimientos y modelos
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 67
Clculo de las prdidas por calor
Qt = calor equivalente introducido en el motor debido al combustible suministrado =
QN = calor equivalente a la potencia efectiva obtenida en el motor = NeQr = calor transmitido al refrigerante
Qg = calor equivalente a la energa perdida en los gases de escape
Qres = calor equivalente que corresponde a la combustin incompleta
Qa = calor transmitido al aceite
Qra = calor transmitido por radiacin
t r res a raN gQ Q Q Q Q Q Q= + + + + +
f ,fm hA
2.3. Potencias, rendimientos y modelos
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2.4. Elementos constructivos de los MACI
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El cilindro
- El cilindro con camisa, ms caro de fabricar, pero mejor mantenimiento
- Temperatura: 200 C- Buen acabado superficial
- Materiales de la camisa: fundicin gris perltica
- Si el cilindro es de aleacin ligera no encamisado: cromado
- Dimetro mximo en MEP: 150 mm
2.4. Elementos constructivos de los MACI
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 70
MEP automocin 0,6 1,1MEC automocin 0,9 1,2MEC 4T lentos 1,2 1,4MEC 2T lentos 1,8 - 3
Relacin carrera / dimetro
2.4. Elementos constructivos de los MACI
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 71
El bloque motor
- Aloja los cilindros
- Alta rigidez- Permite la refrigeracin- Materiales: fundicin, aleaciones ligeras, chapa soldado
2.4. Elementos constructivos de los MACI
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 72
5 en lnea 10 en V
2.4. Elementos constructivos de los MACI
El bloque motor
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 73
Cilindros en lnea
Cilindros horizontales opuestos
Cilindros en V
2.4. Elementos constructivos de los MACI
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 74
MEP motocicletas 1 4MEP automviles 2 6 en lnea
6 8 en VMEC camiones 4 6 en lnea
6 10 en VMEC marinos, ferroviarios, estacionarios 1 10 en lnea
8 20 en V
Nmero de cilindros actuales
2.4. Elementos constructivos de los MACI
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 75
El crter
- Colector de aceite
- Atado mediante tornillos
- Aleacin ligera o chapa de acero
2.4. Elementos constructivos de los MACI
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 76
La culata
- Contiene las cmaras de combustin y los conductos de los gases.
- Aloja las vlvulas, bujas e inyectores.
- Sometida a elevadas tensiones mecnicas y trmicas (300C).
- Materiales: fundicin y aleacin ligera.
- Junta culata: evita fuga de los gases. Metales blandos, o laminas de metal y amianto.
2.4. Elementos constructivos de los MACI
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 77
El pistn
- Temperatura en el centro: 360 C
- Asegura la estanqueidad: aloja los segmentos.
- Trasmite los esfuerzos
- Ligero, silencioso y resistente
- Fabricacin por colado o forjado
- Fundicin, acero, aleacin ligera o de magnesio
- Pieza mvil
2.4. Elementos constructivos de los MACI
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 78
Los segmentos
- MEP: dos de estanqueidad y uno rascador
- Temperatura: 225 C
- MEC: tres de estanqueidad y uno rascador
- Fundiciones especiales
- Posibles cromados o revestidos con molibdeno
2.4. Elementos constructivos de los MACI
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 79
La biela
- Trasmite esfuerzos y movimiento
- Ligereza
- Resistencia y rigidez
- Buenas tolerancias
- Pie, cuerpo y cabeza
- Aceros al carbono, aceros especiales, aleaciones ligeras, fundicin de grafito esferoidal
2.4. Elementos constructivos de los MACI
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 80
El cigeal- Trasforma el movimiento a rotativo
- Solicitaciones de torsin y flexin- Sucesin de muequillas y apoyos
- Fundicin de grafito esferoidal, acero fundido o acero forjado
- Importantes tolerancias de mecanizado- Circuito interno para la lubricacin
- Contrapesos para el equilibrado
2.4. Elementos constructivos de los MACI
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Las vlvulas
- Deben permitir el correcto flujo de los gases
- Temperatura: 700 C
- Deben permitir el correcto flujo de los gases
- Las vlvulas mltiples mejoran la refrigeracin
- Las vlvulas de escape se construyen con aceros Cr Ni austenticos
2.4. Elementos constructivos de los MACI
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 82
rbol de levas
2.4. Elementos constructivos de los MACI
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 83
2.4. Elementos constructivos de los MACI
Tema 3. Motores alternativos de combustin interna Pgina 84
El motor de arranque
al volante de inercia
2.4. Elementos constructivos de los MACI
Nmero de diapositiva 1Nmero de diapositiva 2Nmero de diapositiva 3Nmero de diapositiva 4Nmero de diapositiva 5Nmero de diapositiva 6Nmero de diapositiva 7Nmero de diapositiva 8Nmero de diapositiva 9Nmero de diapositiva 10Nmero de diapositiva 11Nmero de diapositiva 12Nmero de diapositiva 13Nmero de diapositiva 14Nmero de diapositiva 15Nmero de diapositiva 16Nmero de diapositiva 17Nmero de diapositiva 18Nmero de diapositiva 19Nmero de diapositiva 20Nmero de diapositiva 21Nmero de diapositiva 22Nmero de diapositiva 23Nmero de diapositiva 24Nmero de diapositiva 25Nmero de diapositiva 26Nmero de diapositiva 27Nmero de diapositiva 28Nmero de diapositiva 29Nmero de diapositiva 30Nmero de diapositiva 31Nmero de diapositiva 32Nmero de diapositiva 33Nmero de diapositiva 34Nmero de diapositiva 35Nmero de diapositiva 36Nmero de diapositiva 37Nmero de diapositiva 38Nmero de diapositiva 39Nmero de diapositiva 40Nmero de diapositiva 41Nmero de diapositiva 42Nmero de diapositiva 43Nmero de diapositiva 44Nmero de diapositiva 45Nmero de diapositiva 46Nmero de diapositiva 47Nmero de diapositiva 48Nmero de diapositiva 49Nmero de diapositiva 50Nmero de diapositiva 51Nmero de diapositiva 52Nmero de diapositiva 53Nmero de diapositiva 54Nmero de diapositiva 55Nmero de diapositiva 56Nmero de diapositiva 57Nmero de diapositiva 58Nmero de diapositiva 59Nmero de diapositiva 60Nmero de diapositiva 61Nmero de diapositiva 62Nmero de diapositiva 63Nmero de diapositiva 64Nmero de diapositiva 65Nmero de diapositiva 66Nmero de diapositiva 67Nmero de diapositiva 68Nmero de diapositiva 69Nmero de diapositiva 70Nmero de diapositiva 71Nmero de diapositiva 72Nmero de diapositiva 73Nmero de diapositiva 74Nmero de diapositiva 75Nmero de diapositiva 76Nmero de diapositiva 77Nmero de diapositiva 78Nmero de diapositiva 79Nmero de diapositiva 80Nmero de diapositiva 81Nmero de diapositiva 82Nmero de diapositiva 83Nmero de diapositiva 84