motores de combustion interna

[motores de combustion interna]12 de diciembre de 2011

MOTORES DE COMBUSTION INTERNA.I. INTRODUCCION:

La combustin juega un papel muy importante en la maquinas trmicas, y de acuerdo a que la sustancia de trabajo participe o no del proceso de combustin, esta se clasifica en maquinas de combustin externa, caso de las plantas de vapor (ciclo Clausius Rankine) y maquinas de combustin interna, caso de la turbina a gas de ciclo abierto (ciclo Joule Brayton).

Dentro de las maquinas trmicas de combustin interna se tiene aun una segunda clasificacin segn que ciclo se efectu como una sucesin de procesos bajo las estrictas consideraciones de FEES como en el caso de la turbina a gas en donde cada uno de los procesos se efecta mientras la sustancia fluya a travs del compresor, combusto, turbina, etc, o que todos los procesos se efecten, alternativamente, en un mismo dispositivo en cuyo caso el ciclo no obedece estrictamente a las condiciones dadas para los procesos FEES. A las maquinas trmicas que obedecen a la ultima descripcin se les denomina Motores de Combustin Interna.II. CICLO OTTO:

2.1. Orgenes:

El motor de encendido por chispa est basado en principios tericos enunciados por BEAU DE ROCHAS, segn los cuales la combustin se verifica a volumen constante, y fue realizado prcticamente por el alemn OTTO, en 1862.Suele llamarse, en general, motor de ciclo Otto.

2.2. Utilizacin:

A la categora de encendido por chispa pertenece la mayor parte de los motores de automovilismo, una gran parte de los motores para traccin industrial, todos los motores para motociclos y aeronaves y una buena parte de los motores para aplicaciones nuticas y agrcolas.

Los motores de encendido por chispa funcionan a 4 o a 2 tiempos, pero el ciclo de 2 tiempos es poco usado a causa de las prdidas de mezcla que se producen a travs del escape y del consiguiente elevado consumo del combustible.

Por tanto, la gran mayora de los motores de encendido por chispa funcionan segn el ciclo operatorio de 4 tiempos. El de 2 tiempos se adopta solamente en casos particulares, como son los motores fuera-borda y los pequeos motores de motocicleta.2.3. Combustible utilizado:

El combustible es la gasolina, esto es: hidrocarburos ligeros de elevado poder calorfico, que se evaporan fcilmente. Pueden usarse tambin combustibles gaseosos o asimismo gas licuado, pero su empleo es menos prctico y, por ello, mucho menos difundido.2.4. Alimentacin:

Los motores de encendido por chispa pueden ser alimentados por carburacin o por Inyeccin. En este segundo caso, el combustible se mezcla al aire inyectndolo en el conducto de aspiracin en la toma de la vlvula, o bien directamente en la cmara de combustin; con todo, este ltimo mtodo es el menos empleado.

La alimentacin por inyeccin tiene la ventaja, en el caso de los motores pluricilndricos, de distribuir de manera uniforme el combustible en los diversos cilindros, de no ser sensible a la aceleracin y de no estar sujeto a formaciones de hielo, pero es ms complicada y costosa, especialmente por lo que respecta a la regulacin y, por ello, no ha tenido todava una gran difusin.2.5. Ciclos tericos:

El tipo de fluido que evoluciona este tipo de motor es aire y combustible liviano.

Carrera de Admisin: el pistn se desplaza desde el punto muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI) mantenindose abierta la vlvula de admisin penetrando una mezcla de aire y combustible finalmente pulverizado.

Carrera de Compresin: el pistn se desplaza desde el PMI al PMS y cmo las dos vlvulas se encuentran cerradas se comprime la mezcla previamente ingresada.

Carrera de Explosin y Expansin: al llegar al PMS la mezcla se inflama por presencia de la chispa proveniente de la buja de 10000 V. El calor que produce est violenta combustin eleva la temperatura y la presin.

Est transformacin se realiza a volumen constante, tengamos en cuenta que es muy rpida. Aqu es donde se libera la energa del combustible y el sistema recibe un importante aporte de calor.

Estos gases a elevadas temperaturas impulsan el pistn desde el PMS al PMI producindose la expansin adiabtica (sin intercambio de calor).

La temperatura desciende y la presin. Cuando el pistn llega al PMI se completa otra media vuelta del cigeal. Poco despus se abre la vlvula de escape.

Carrera de escape: el pistn se desplaza desde el PMI al PMS barriendo los gases de combustin que salen a travs de la vlvula de escape. Cuando se abre la vlvula la presin descendi

Este ciclo ideal del motor de encendido por chispa, est representado grficamente en la figura, tanto en coordenadas P-V como en coordenadas T-S. Las transformaciones termodinmicas que se verifican durante el ciclo son:

1-2Adiabtica i isentropica (sin intercambio de calor con el exterior)

Compresin del fluido activo y correspondiente al trabajo L1 realizado por el pistn.

2-3A volumen constante

Introduccin instantnea del calor suministrado Q1.

3-4Adiabtica

Expansin y correspondiente trabajo L2 producido por el fluido activo.

4-1A volumen constante

Sustraccin instantnea del calor Q2.

En realidad, en los motores de 4 tiempos, la sustraccin del calor se verifica durante la carrera de escape 1-0, y el fluido se introduce en el motor en la carrera de aspiracin 0-1, lo cual se representa grficamente en el diagrama P-V mediante una lnea horizontal, mientras que en el diagrama T-S no es posible representarlo. Los efectos de ambos procesos se anulan mutuamente, sin ganancia ni prdida de trabajo, razn por la cual no suelen considerarse en los diagramas ideales en coordenadas P-V las carreras de aspiracin y escape, y el ciclo Otto est representado como un ciclo cerrado, en el cual el fluido activo vuelve a su estado inicial cuando llega a su trmino la fase de expulsin del calor 4-1.Como el calor Q1 se introduce a volumen constante, el trabajo L2-3 realizado durante esa transformacin es nulo, y la ecuacin de conservacin de la energa del fluido sin flujo se transforma en:

Como se trata de un ciclo ideal y, por tanto, el fluido operante es un gas perfecto, la variacin de la energa interna durante su transformacin a volumen constante bale:

De donde resulta:

Anlogamente, como el calor Q2 es sustrado tambin a volumen constante, y en tales condiciones que L4-1=0, podemos escribir:

y por ser el fluido un gas perfecto:

Por consiguiente, el rendimiento trmico ideal para el ciclo Otto terico resulta:

he= (calor suministrado calor sustrado)/ calor suministrado

Para las transformaciones adiabticas de compresin 1-2 y de expansin 3-4 obtenemos, respectivamente:

y como es V1=V4 y V2=V3, podemos escribir:

Introduciendo esta relacin en la expresin del rendimiento he(as como la que existe entre las temperaturas T1 y T2 de la fase 1-2 de compresin adiabtica), resulta:

Indicando con la relacin entre los respectivos volmenes V1 y V2 del principio y final de la carrera de compresin a la cual llamaremos relacin volumtrica de compresin, se obtiene la expresin final del rendimiento trmico ideal del ciclo Otto.

El rendimiento trmico del ciclo Otto es, por tanto, funcin de la relacin de compresin y exponente k, relacin de los calores especficos de fluido operante. Aumentando , aumente he; aumentando los valores de los calores especficos, disminuye k y, en consecuencia, tambin el rendimiento trmico he. Por ello, el ciclo ideal, para el cual k=1.4, tiene un rendimiento trmico superior al ciclo de aire, dado el caso que, para ste, posee k un valor medio ms bajo, por variar los calores especficos con la temperatura.

2.6. Ciclo real:El ciclo real se obtiene experimentalmente, como ya hemos indicado, por medio de diversos aparatos indicadores, capaces de registrar el diagrama de presiones en funcin de los volmenes, en un cilindro motor en funcionamiento. El diagrama indicada refleja las condiciones reales del ciclo y, por tanto, tiene en cuenta tambin adems de las variaciones ya enunciadas para el ciclo aire y para el de aire-combustible en la comparacin de ciclos ideales- las prdidas de calor, la duracin de combustin, las prdidas causadas por el rozamiento del fluido, la duracin del tiempo de abertura de las vlvulas, el tiempo de encendido, as como de inyeccin y las prdidas del escape.2.7. Rendimiento:Segunda ley de la termodinmica:Ningn motor real o ideal puede convertir en trabajo mecnico todo el calor introducido.

Por tanto, slo una fraccin del calor suministrado por la combustin ser transformada en trabajo; esta fraccin representa el rendimiento trmico del motor. Entonces definimos: Rendimiento trmico ideal

Relacin entre la cantidad de calor transformada en trabajo til y la cantidad de calor suministrada al fluido.

Como el trabajo til equivale a la diferencia entre el calor suministrado Q1 y el calor sustrado Q2 tenemos:Cualquiera puede formarse una idea ms completa del concepto de rendimiento trmico y adquirir familiaridad con la interpretacin de los diagramas examinando la sucesin de transformaciones en coordenadas P-V y T-S para un ciclo ideal.

Como el trabajo til, evidentemente, igual al calor utilizado, podemos escribir:

de este modo podemos simplificar el clculo del trabajo til y del rendimiento trmico de ciclo usando los valores Q1 y Q2 en lugar de L1 y L2.2.8. Diferencia entre los ciclos Otto real y terico:

Entre el ciclo indicado y el ciclo terico correspondiente existen diferencias sustanciales tanto en la forma del diagrama como en los valores de temperaturas y presiones.

La diferencia de forma consiste en un perfil distinto en las curvas de expansin y compresin, en la sustitucin de los trazos rectilneos de introduccin y sustraccin del calor por trazos curvos y el redondea miento de los ngulos agudo. Las causas de tales diferencias se fundan en las siguientes razones:a. Perdidas de calor:

En el ciclo terico son nulas, pero bastante sensibles, por el contrario, en el ciclo real. Como el cilindro esta refrigerado para asegurar el buen funcionamiento del pistn, una cierta parte de calor del fluido se transmite a las paredes. Las lneas de compresin y expansin no son, por consiguiente, adiabticas, sino poli trpicas, con exponente n, diferente de k. Como el fluido experimenta una prdida de calor se tiene evidentemente: para la expansin, n>k, y para la compresin, n