motores de combustion interna.pdf

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Motores y sus sistemas auxiliares

Tema 4. Motores de combustin interna:Termodinmica. Ciclos de

funcionamiento

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4.1 Termodinmica

q Rama de la fsica que trata de los efectos mecnicos debidos al calor, y del calor producido por los fenmenos de la naturaleza.

q Estudia las transformaciones del calor , del trabajo mecnico, ylas leyes que obedece los gases en el transcurso de sus evoluciones

q La energa mecnica se disipa en forma de calor, no es por tantoun fenmeno dinmico, sino termodinmico.

q Joule descubri la equivalencia entre calor y trabajo, descubrique cuando se consume una energa mecnica, esta se transforma en forma de calor, dando lugar al 1er principio termodinmico

q El calor se convierte en trabajo y viceversa, segn una relacin constante. Las energas trmicas y mecnicas no pueden destruirse, sino transformarse la una en la otra.

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4.1 Termodinmica

q Experimentalmente se calcul que con 1 Kcalse puede producir un trabajo de 427 kgf.m

Q = A W => A = Q / W

A=equivalente trmico del trabajo=1/427kcal/Kgf.m

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4.2 Sistema termodinmico

Sistema es cualquier porcin de materia que puede ser objeto deestudio. Lmite es la superficie real o imaginaria que lo envuelve

Dos sistemas estn en equilibrio trmico, cuando estn a la misma temperatura. Si el lmite entre dos sistemas impide que se alcance el equilibrio trmico, se dice que es una pared adiabtica. Si los lmites de los sistemas permiten que se establezca el equilibrio inmediatamente, se dice que la pared es diatrmana.

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q Tipos de sistemas termodinmicos

Cerrado. Su masa no varia en el transcurso del tiempo.

Abierto. Se mueve en relacin a un contorno. Los lmites de este sistema se establecen delimitando un volumen denominado volumen de control.

Adiabtico, limites adiabticos.

Aislado. No permite ninguna influencia del exterior, ni trmica, ni calorfica.

q Los sistemas se caracterizan por su propiedades(temperatura, presin, volumen, entalpa, entropa). Si se modifica una de estas propiedades, las otras pueden alterarse tambin

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q El estado de un sistema, est determinado cuando se conoce el valor de dos de sus propiedades, pues cada tres se relacionan entre s, por ejemplo, la Temperatura, presin y volumen estn relacionadas entre s. Conociendo el valor de dos propiedades, la tercera, se podrdeducir. La dependencia de estas tres propiedades se expresa mediante la ecuacin de estadodel sistema:

f(p,v,T) = 0

q Cualquier expresin similar que relacione otras propiedades se denomina funcin de estado

f(u,v,T) = 0

q Un sistema est en equilibrio cuando las propiedades del sistema son las mismas en todas las zonas del sistema.

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4.3 Transformaciones termodinmicas

q Transformacin de un sistema es la sucesin de estados por los que pasa cuando se le somete a un cambio.

q Una transformacin es reversible cuando una vez que se produce,se puede reproducir exactamente igual en sentido inverso. Su rendimiento es igual a la unidad

q Es irreversible si no se puede restituir exactamente en sentidoinverso. En la prctica todas las transformaciones son irreversibles..

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q En las mquinas trmicas las transformaciones evolucionan en una lnea cerrada, denominada ciclo.

q Las transformaciones se pueden representar por medio de un diagrama de estadoen el cual se representan dos propiedades, presin y volumen

q Estas transformaciones pueden ser:

Iscoraso a volumen cte., Calentando o enfriando un sistema con paredes rgidas.

p

v

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Isbaraso a presin cte. Calentado o enfriando un sistema cerrado en el que una de las paredes sea mvil

Isotermaso a temperatura cte. Cuando un gas se comprime o expande istrmicamente sigue la ley de Boyle_Mariotte, de acuerdo con la ecuacin:

PV = cte

p

v

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Adiabticao isoentrpicas. No hay intercambio de calor con el exterior. La ecuacin para este tipo de gases es:

PVg = cte

Politrpicas. Las transformaciones reales, que estn entre las isotermas (pv1 =cte) y las adiabticas (pvg = cte). Su ecuacin tiene la forma

pvn=cte

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4.4 Primer principio de la termodinmica

q El primer principio es el llamado de conservacin de la energa

q El calor es una energa de paso que atraviesa los lmites de dos sistemas como consecuencia de una diferencia de temperaturas entre ambas

Inicialmente el sistema tiene una energa interna U1

1) Colocamos el cilindro con los pasadores puestos sobre el sistema M mas caliente que le traspasa una cantidad de calor Q

2) Se retiran los pasadores, y el pistn se desplaza hasta 2, aumentando la energa potencial del mbolo, y realizando un trabajo W=Fd.

La energa interna final serU2

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q La energa interna inicial U1, mas el calor que recibi Q, menos la energa mecnica que cedi, es igual a la energa interna final U2,. Lo cual constituye la expresin del primer principio de la termodinmica:

U1 + Q - W = U2 ==> DU = U1 - U2 =Q W

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q Se considera positivo el trabajo cuando se realiza por el sistema contra el medio ambiente (trabajo motor), y el calor es positivo cuando lo recibe el sistema.

q Si el sistema evoluciona de forma que su estado inicial coincide con el estado final(transformacin cerrada)

U1 =U2 ==> Q = W

q Es imposible construir una mquina que produzca trabajo sin consumir una cantidad equivalente de calor

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4.5 Segundo principio de la termodinmica

q Experimentalmente se confirma que solo una parte de la energa calorfica se puede transformar en energa mecnica por un una mquina. El resto del calor se queda en el ambiente. Para obtener trabajo del calor es necesario que existan dos fuentes a distintas temperaturas, el motor toma calor de la fuente caliente, cede una parte a la fuente fria, y el resto lo transforma en trabajo.

El segundo principio es el llamado de la degradacin de la energa

Q1-Q2

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4.6 Ciclos trmicos

q Carnotdiseo un ciclo terico que es el ideal a seguir para obtener el mximo rendimiento de una mquina. Comprende 4 fases:

1) Expansin isotermade 1 a 2, absorbiendo Q1caloras y realizando un trabajo W

2) Expansin adiabticade 2 a 3, sufriendo un descenso de temperatura

3) Compresin isoterma, de 3 a 4, desprendiendo Q2 caloras = al trabajo de compresin del gas

4) Compresin adiabtica

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4.6 Ciclos trmicos

q El rendimiento obtenido por este ciclo, suponiendo que no existen fricciones de ningn tipo es:

q Puede demostrarse que las cantidades de calor suministradas y cedidas son proporcionales a las temperaturas de las fuentes.

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QQQ -

=h

1

21T

TT -=h

q Si el ciclo se recorre en sentido de las agujas del reloj, el sistema produce trabajo. El rea limitada por las lneas de transformacin, representa el trabajo realizado por el fluido.

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4.7 Entropa

q Un gas perfecto. Si se sumergen en un recipiente y se expansiona el gas, el agua del recipiente no experimenta cambio de temperatura, con lo que el gas no intercambia calor con el agua,con lo que la energa interna del gas se mantiene

U2 - U1 =cte ya que Q = W = 0 con lo que U1 = U2

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4.7 Entropa

q En una expansin isoterma sin trabajo externo, la energa interna no varia.

q Esto solo es cierto para los gases perfectos.

q Para volver al estado inicial, es preciso aportar trabajo, a pesar de que la energa interna (Entalpa) no ha variado.

q El gas a sufrido una degradacin termodinmica ya que ha perdido capacidad de producir trabajo.

q La magnitud que mide el grado de degradacin es la Entropa

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4.7 Entropa

q Del primer principio se deduce que:

La energa total del universo se mantiene constante

q Del segundo principio :

La entropa del universo va en aumento

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4.7 Entropa

q El trabajo se representa en un diagrama P-V. El calor se representa en un diagrama T-S (temperatura-entropa). Para conocer el calor intercambiado solo es necesario conocer la variacin deentropa.

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4.7 Entropa

q El diagrama de Carnot T-S es el de la figura, donde se aprecia que para el funcionamiento del motor es necesario que haya desnivel trmico

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4.8 Definicin de MCIA

q Motor trmico: conjunto de elementos mecnicos del cual se obtiene energa mecnica a partir de la energa trmica contenida en un fluido y aportada generalmente por un proceso de combustin

Ejemplos:

Turbina de gas

Turbina de vapor

Motores de combustin interna alternativos (MCIA)

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4.8 Definicin de MCIA

n Alternativon El f luido (aire) se comprime y expande un

un volumen cerrado deformable formado por el ci l indro el pistn y la culata.

n Combust in internan El aporte de energa se hace en un proceso

de combustin dentro del c i l indro uti l izando el propio f luido como combustible.

n Existe por tanto una necesidad de un proceso de renovacin de la carga

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4.9 Tipos de MCIA

n En funcin del proceso de renovacin de la carga:n Motores de 2 t iempos

n Motores de 4 t iempos

n En funcin del proceso de combust in:n Motores de encendido provocado (MEP)

n Motores de encendido por compresin (MEC).

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4.10 Ciclos operativos

Admisin

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Compresin

T=700 C

P=40 bares

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Combustin. (MEP)

Hay tres fases:

1) Elevacin presin C-D

2) aumento de presin compensado por aumento de volumen D-E

3) Cesa la combustin, y el pistn sigue bajando E-F

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Escape

Hay dos fases:

1) Al abrirse la vlvula, la presin se iguala a la atmosfrica F-B

2) Al subir el pistn, disminuye el volumen hasta llegar al volumen inicial B-A

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Conclusiones

q El cigeal da dos vueltas y las vlvulas se abren solo una vez cada una., con lo que el rbol de levas solo debe dar una vuelta.

q Solo se obtiene energa en la carrera de combustin, las otras es el volante de inercia quien debe de suministrar la energa

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4.10 Ciclos operativos. Ciclo de dos tiempos

A=lumbrera de carga

B=lumbrera de escape

C=lumbrera de admisin

- Pistn en PMS =>A y B cerrada C abierta

- Pistn en pmi=>C cerrada A y B abiertas

Ciclo completo en 2 carreras=1 vuelta de cigeal. El pistn suele tener un deflector para crear un movimiento de torbellino en la entrada de gases.

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1er tiempo.

Pistn en PMS terminando compresin. Salta la chispa. Lumbreras de escape y carga cerradas. Admisin abierta, carter recibe gases del carburador, pistn bajando.

Pistn cierra admisin, comprime el carter

Abre escape, salen gases y sigue comprimiendo en carter

Abre carga. Gases del carter entran en cilindro y arrastran a los de escape

Explosin, comienzo de escape, admisin en cilindro

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2 tiempo.

Pistn en pmiterminando escape. Pistn empieza a subir.

Cierra carga.. Termina admisin, sigue escape.Salen algunos gases frescos por escape. Se crea depresin en el carter.

Cierra escape. Se comprimen los gases del cilindro, y aumenta la depresin del carter.

Abre admisin y entran gases frescos en carter debido a la depresin existente en el carter

Admisin, terminado escape, compresin.

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4.11 Ciclos prcticos

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q Para obtener mayor rendimiento y funcionamiento mas suave, se modifican los instantes de apertura y cierre de vlvulas, as como los instantes de salto de chispa o comienzo de inyeccin.

A = comienza inyeccin(salta chispa) AI (AE).

D = apertura escape AAE . Favorece salida gases y subida cilindro.

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G = Antes del PMS abre admisin AAA estando an abierta escape (cruce de vlvulas), gases de admisin arrastran a los de escape.

F = Despus del PMS cierra escape (RCE), para favorece salida gases

I = despus del PMI cierra admisin (RCA), para favorecer entrada gases por inercia.

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4.10 Anlisis de ciclos. Diagramas

El examen del ciclo de un motor es muy complejo. Se recurre a aproximaciones que se comparan con los ciclos reales.

El trabajo til es la diferencia entre el trabajo obtenido y elsuministrado.

1

21Q

QQ -=h

Tiempo de compresin 1-2

W2= trabajo realizado por el pistn durante la compresin 1-2 adiabtica

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Fase de explosin 2-3. El calor liberado en la explosin hace aumentar la temperatura , aumentando la entropa. A volumen constante. Iscora.. Q1=calor suministrado por la explosin.

Durante la expansin 3-4 se produce un trabajo W1

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Fase de escape 4.1, a volumen cte. Durante esa fase, se extrae el calor Q2. Linea 4-1 La presin ha descendido

Trabajo til =W1-W2

Calor utilizado = Q1-Q2

Trabajo til=calor utilizado W1-W2=Q1-Q2

Sustraccin de calor en escape 1-0, y el fluido entra en admisin 1-0. Ambos efectos se anulan, sin ganancia ni perdida de trabajo. No se consideran en los diagramas.

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Ciclo a volumen constante. Ciclo Otto.MEP

Compresin adiabtica 1-2

Transformacin iscora 2-3

Expansin adiabtica 3-4

Expansin y transformacin iscora 4-1

Supone que la combustin es instantanea en el PMS, limita la Relacin de compresin

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Ciclo a presin cte. Diesel.MEC

Compresin adiabtica 1-2

Transformacin isbara 2-3


Descenso de presin 4-1

La generacin de calor se produce a presin cte. Llenado y vaciado a Patm. La Rc pueden ser mas elevadas.Se utiliza en diesel lentos.

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Ciclo mixto.Sabatthe.MEC

Compresin diabtica 1-2

Compresin iscora 2-3

Expansin isbara 3-4


Descenso de presin 5-1

Se utiliza en diesel rpidos. En un primer instante hay un aumento brusco de la presin y cuando comienza a bajar el cilindro, estase compensa con el aumento de volumen.

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El empuje que recibe el pistn es uniforme, en los motores conciclo de p=cte, lo que supone que el par motor seacteen todos los regmenes de giro, caracterstica de los motores diesel

Los rendimientos suben con laRc.Diesel entre14 y 25/1, gasolina 10/1

Si comparamos a igualdad de Rc y de calor suministrado, el motor de gasolina alzanza mayores T y presiones, con lo que el rendimiento sera mayor.

Si comparamos a igualdad de Pmax y Cantidad de calor sumistrado, el motor diesel tiene mayor rendimiento.

En la figura anterior del Ciclo P-V AD=Pmedia, el trabajo til sera: Wutil=Pmed(kg/cm)V(cm3) V=cilindrada

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En la figura anterior del Ciclo P-V AD=Pmedia, el trabajo til sera: Wutil=Pmed(kg/cm)V(cm3) V=cilindrada

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4.11 Diferencias entre ciclos tericos y reales.Motores explosin

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Prdidas de calor. (A)

Lineas de compresin y expansin politrpicas, debido a perdidas de calor por las paredes del cilindro

Combustin no instantanea (B)

Debido a la pequea duracin del encendido, es necesario adelantar este.(E). Se redondea la linea terica

Tiempo de apertura de escape(C)

La vlvula de escape abre antes del pmi para que le de tiempo a descender la presin.

Carreras de escape y admisin(D)

Se realizan por encima y por debajo de la Pa, lo que ocasiona prdidas por bombeo.

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Disociacin de la combustin

En motores de explosin, ademas de CO2 y de H2O, se obtienen otros compuestos como CO, H y O2, debido a la escasez de aire, esto serealiza con absorcin de calor

Aumento del calor especfico del fluido con la temperatura

Los calores especficos(cantidad de calor que hay que suministrar a un fluido para que su temperatura suba un grado) a presin y volumen cte aumentan con la temperatura, por tanto las temperaturas y presin que se obtienen con la combustin son menores que las del ciclo terico.

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4.11 Diferencias entre ciclos tericos y reales.Motores diesel

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4.11 Diferencias entre ciclos tericos y reales.Motores diesel

Las diferencias entre los diagramas real y terico son similaresa las ya vistas para el motor de explosin, con algunas diferencias

Combustin a presin cte.

La combustin se realiza una parte a V=cte, y otra a P=cte.I=comienzo de inyeccin.

Disociacin de los productos de la combustin

Su efecto es mucho menor, ya que la combustin se realiza en exceso de aire

Prdidas por bombeo

Son menores, ya que no hay apenas dificultad para la entrada de aire en el cilindro.

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4.12 Anlisis de diagramas reales

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4.12 Anlisis de diagramas reales

Admisin

1=comiezocarrera

2=comienzo admisin.depresin prop. Velocidad gas. 3=comienzo carrera ascendente. Todava en depresion

4=iguala presin a atmosferica(cierra admisin)

Compresin

Desde 4 hasta 6si no empezase la combustin en 5

Combustin y expansin

combustin desde 5 hasta 7 (mxima presin)

8 apertura de escape

Escape

En 8, descenso brusco de presin, que en 9 casi iguala a la atmosfrica

En 10 debido a al vel. de salida de los gases se crea depresin

En 11 se iguala a la atmosfrica. 12 apertura admisin. 2 cierreescape

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4.13 Ciclo negativo de trabajo de un motor

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