U2 análisis termodinámico del motor diesel

Motores de Combustión Interna

Expositor: Elmore Andrade Dulanto

Departamento de Equipo pesado

UNIDAD 2Análisis Termodinámico del Motor Diesel

ObjetivosA través de este curso, el estudiante podrá:

• Analizar y comparar los ciclos termodinámicos teórico y real de los motores de combustión interna de 4 tiempos Otto y Diesel y de 2 tiempos.

• Analizar y calcular los parámetros de funcionamiento de los ciclos de trabajo teórico y real de los motores de combustión interna Otto y Diesel y de 2 tiempos.

Máquinas

Reciprocantes

Máquina encendido por chispa (MECH)

Mezcla de aire y combustible

Chispa de una bujía

Máquina encendida por compresión (MEC)

Mezcla de aire y combustible

Comprimirla arriba de su Tautoencendido

Combustión

Auto - enciendeInicia

Combustión

Motor de Cuatro Tiempos

Consideraciones básicas para el análisis

• Los ciclos reales son difíciles de analizar

• Si al ciclo real se le eliminan las irreversibilidades se tiene un ciclo ideal

• Frecuentemente los análisis de ciclos ideales son aplicables a ciclos reales aunque los valores numéricos no son necesariamente representativos

En un motor endotérmico alternativo intervienen muchos fenómenos físicos y químicos:

- Irreversibilidades en la admisión y escape

- Turbulencias internas

- Pérdidas de calor por refrigeración

- Variabilidad de las capacidades caloríficas con la temperatura

- Influencia de la formación de la mezcla

- Disociación en la combustión

- Velocidad de Combustión

- Retardo al encendido, etc.

Diagrama Teórico

Ciclo Otto (encendido por chispa)

• Es el ciclo ideal para las máquinas reciprocantes de encendido por chispa (MECH)

• Son máquinas de combustión interna de 4 tiempos, el émbolo ejecuta 4 tiempos completos dentro del cilindro y el cigüeñal completa 2 revoluciones por cada ciclo termodinámico.

Ciclo termodinámico de Otto

Carrera de admisión 0-1 y 1-0 » isobara a

presión atmosférica

Carrera de compresión 1-2 » adiabática (Q=0)

Carrera de combustión 2-3 » isócora (V=cte.)

o isométrica

Carrera de expansión 3-4 » adiabática (Q=0)

Carrera de escape 4-1 » isócora (V=cte.)

Q1 » Calor generado en la combustiónQ2 » Calor cedido al ambiente o perdidoQ=0 » Calor concentrado en la cámara, sin

intercambio de calor

DIAGRAMA P-V

patm

isotrópico

isotrópico

Ciclo termodinámico del Diesel

Carrera de admisión 0-1 y 1-0 » isobara a

presión atmosférica

Carrera de compresión 1-2 » adiabática (Q=0)

Carrera de combustión 2-3 » isobara

Carrera de expansión 3-4 » adiabática (Q=0)

Carrera de escape 4-1 » isócora (V=cte.)

Q1 » Calor generado en la combustiónQ2 » Calor cedido al ambiente o perdidoQ=0 » Calor concentrado en la cámara, sin

intercambio de calor

DIAGRAMA P-V

patm

isotrópicoisotrópico

Ciclo Termodinámico del Motor Diesel

ADMISION: Si comienza en el PMS, se provocaría una fuerte depresión en el cilindro y aumento de perdida de bombeo.

Si termina el PMI, la presión dentro del cilindro seria inferior a la atmosférica.

Si retrasamos el cierre, seguiría cargándose el cilindro a causa de la inercia del flujo en el conducto de admisión.

COMPRESION: El cierre y/o apertura de la válvula de admisión origina sobrepresiones y/o presiones, cuya onda se propaga por el conducto de admisión, denominado golpe de ariete. Pero también favorece una sobrepresión para el llenado del cilindro.

COMBUSTION: Comienza antes de terminar la segunda carrera y principio de la tercera.

EXPANSION: Si la válvula escape comenzara a abrirse al final de la tercera carrera, la presión interior se mantendría alta durante un buen recorrido de la cuarta, y el trabajo seria menor que si comenzamos antes su apertura.

ESCAPE: Con el retraso se aprovecha la inercia del flujo en el conducto de escape, limpieza de humos y mayor carga

Se denomina también diagrama indicado.

Debido a la velocidad infinita del pistón, el diagrama real es muy diferente al diagrama teórico (tanto más cuanto más revolucionado sea el motor; y más, si tenemos presente que las válvulas no abren ni cierran instantánea sino gradualmente.

Diagrama Real

Apertura de la válvula admisión

Fin de la combustión

Apertura de la válvula escapeEncendido

DIAGRAMA P-V DIAGRAMA TIEMPO DE VALVULAS

MEP (Motor encendido provocado)MEC (Motor encendido por combustión)

Reglaje del encendido (MEP)

Comparación de los diagramas Otto y Diesel

Comparación de los diagramas Otto y Diesel

Motor de Dos Tiempos

ESCAPE ESCAPE

• Un motor de dos tiempos precisa de la asistencia de un soplador para barrer los gases quemados, lo que absorbe potencia.

• A carga parcial, el soplador continúa bombeando a su máxima capacidad, reduciendo la eficiencia del motor.

• Se precisan de radiadores de aceite a causa de la alta temperatura de combustión y mínimo tiempo que se dispone para refrigerar los pistones y las cámaras de combustión.

• Los motores industriales pesados funcionan a pocas r.p.m. utilizando el sistema de 2T.

Consideraciones básicas para el análisis

• La potencia de un motor 2T es el doble que la 4T, la combustión-expansión se realiza cada revolución.

• La potencia es proporcional al D² del cilindro y la cilindrada y masa son proporcionales a D³.

• Las relaciones específicas de potencia/cilindrada (kW/l) y potencia/masa (kW/kg), son inversamente proporcionales a D.

En un motor de dos tiempos, la carrera útil es inferior a la carrera dispuesta en un motor de cuatro tiempos, ya que el primer recorrido se utiliza para los procesos de admisión y escape.

Diagrama Teórico

Ciclo termodinámico motor 2T

Carrera de barrido 1-5-1 » isobara a

presión atmosférica

Carrera de compresión 5-1-2 » adiabática (Q=0)

Carrera de combustión 2-3 » isócora (V=cte.)

o isométrica

Carrera de expansión 3-4 » adiabática (Q=0)

Carrera de escape 1-5-1 » isócora (V=cte.)

DIAGRAMA P-V

patm

isotrópico

isotrópico

Se denomina también diagrama indicado.

La parte superior de las lumbreras de escape queda al descubierto; cuando el pistón ha descendido de 75% a 70% de la carrera; incluso menos en motores muy rápidos.

Por la inercia de los gases en el escape, suele haber cierta depresión durante algunos grados; lo que favorece un mejor barrido y llenado del cilindro.

Diagrama Real

α ángulo de adelantoβ ángulo de retrazoEö dejar una ranura abiertaEs dejar una ranura cerradaAö Valvula de escape se abreAs Valvula de escape se cierraÜö Protección contra sobrecorriente se abreÜs ranura de protección contra sobrecorriente se cierra

AdmisiónCompresión

Escape

DIAGRAMA P-V DIAGRAMA TIEMPO

DE VÁLVULAS

Expansión

EöEs

As Aö

Presión

Llenado

¿Preguntas?

Vorauslasswinkelnachuslasswinkeleinslassschlitzöffneteinslassschlitzschliesstauslassschlitz öffnetauslassschlitz schliesstüberstromschutz öffnetüberstromschutzschlitzschliesst

Ejercicio

Considerar un ciclo Otto estándar de aire con una relación de compresión de 8. Si las condiciones del aire al iniciarse el proceso son de 1 bar y 40°C, y el calor suministrado al ciclo es de 1300 J/g:

a.- Determinar las presiones y temperaturas en los estados 2, 3 y 4 del ciclo.

b.- Determinar la eficiencia térmica del ciclo.

c.- Calcular el trabajo neto desarrollado por unidad de masa.

d.- Calcular la presión media efectiva.

e.- Determinar el calor disipado por el ciclo.

EjercicioUn ciclo de Otto ideal tiene una relación de compresión de 8. Al inicio del proceso de compresión el aire esta a 100 kPa y 17ºC, y 800 kJ/kg de calor se transfieren a volumen constante hacia el aire durante el proceso de adición de calor. Tome en cuenta la variación de los calores específicos del aire con la temperatura y determine:

a) La temperatura y presión máximas que ocurren durante el ciclo.

b) La salida de trabajo neto.

c) La eficiencia térmica.

d) La presión media efectiva en el ciclo.

Suposiciones: Aplicar aire estándar Despreciar cambios de

energía cinética y potencial Se considera variación de

los calores específicos con la temperatura

Diferencias de funcionamiento

• Admisión de la máxima cantidad de aire.

• Alto grado de compresión (14 a 22).

• Elevada temperatura al final de la compresión (500 a 600°C)

• Inyección de combustible en cantidad dosificada.

• Auto inflamación de combustible al ser inyectado.

• Combustión relativamente lenta.

• Presión máxima de combustión entre 70 y 90 bar.

• Preparación de la mezcla en determinada proporción.

• En la admisión se regula la cantidad de mezcla requerida.

• Grado de compresión relativamente bajo (8 a 11).

• Encendido de la mezcla mediante una chispa eléctrica.

• La combustión es rápida a volumen casi constante.

• Presión máxima de combustión de 30 a 40 bar.

Motor Diesel Motor Otto

Ciclo Diesel: Máquina encendida por compresión

• En los motores ECH, la mezcla aire combustible se comprime hasta una temperatura menor a la de autoencendido y la combustión se inicia con una bujía (Chispa).

• En los motores ECOM el aire se comprime hasta una temperatura superior a la temperatura de autoencendido del combustible y la combustión se inicia con la inyección de combustible

Ejercicio:

Considerar un motor Diesel de cuatro tiempos y cuatro cilindros, de 1500 cm3 de desplazamiento, que tiene una relación de compresión de 16 y gira a 1500 rpm. El combustible empleado disipa 44427 J/g durante la combustión. Al iniciarse la compresión, el aire se encuentra a una presión de 1 bar y una temperatura de 40 °C. La relación aire combustible (masa aire/masa combustible) es igual a 20. Suponiendo un ciclo Diesel donde las propiedades del medio de trabajo son iguales a las del aire, calcular:

a) Las presiones y temperaturas a lo largo del ciclo.

b) La eficiencia térmica del ciclo Diesel.

c) El calor suministrado durante el proceso de combustión isobárica.

d) La potencia desarrollada por la máquina

EjercicioUn ciclo Diesel ideal tiene un r=18 y un rc=2. Al principio del proceso de compresión el fluido de trabajo está a 14,7 psia, 80 °F y 11,7 pulg3. Suponer aire estándar y determinar:

a) La temperatura y presión del aires al final de cada proceso.

b) El trabajo neto.

c) La eficiencia térmica.

d) La presión media efectiva.

4.1.

171,0

.240,0

.

.3704,0

3

kRlb

BTUc

RlbBTU

c

Rlbpiepsia

R

v

p

ObjetivosA través de este curso, el estudiante podrá:

• Conocer y diferenciar los ciclos termodinámicos de los motores de combustión interna Otto y Diesel.

• Analizar y calcular los parámetros de funcionamiento de los ciclos Otto y Diesel.

• Calcular la potencia y el rendimiento térmico de los ciclos Otto y Diesel.

• Analizar los diagramas de funcionamiento del motor diesel de 2 y 4 tiempos.

• Determinar el ciclo diesel de 2 y 4 tiempos con sobrealimentación.

El balance de energía para cualquiera de los procesos se expresa:

La eficiencia térmica del ciclo de Otto ideal para el aire estándar frio es:

Los procesos 1-2 y 3-4 son isentropicos; además v2 = v3 y v4 =v1 :

Sustituyendo estas ecuaciones en la relación de la η ter. Otto y

simplificando :

Donde:

η ter. Otto r k

Esto también es cierto para las maquinas de combustión interna reales de encendido por chispa

La eficiencia térmica de un ciclo de Otto ideal como una función de la relación de compresión ( k= 1,4)

La eficiencia térmica de un ciclo de Otto ideal aumenta con la relación de calores específicos k del fluido de trabajo

La eficiencia térmica de maquinas reales de encendido por chispa varia de aproximadamente 25

a 30 %

Calor suministrado y evacuado

).()(

)().(

23233.2

232323.2

233.23.2

TTchhqq

uuvvpq

uuwq

psum

).(

)(

411.4

411.4

TTcqq

uuq

vevac

Eficiencia del ciclo Diesel

1..

1

1

1

1

1

)()(

1)(

)(1

1

2

31

1

4

2

32

1

41

.

23

14

23

14.

.

TT

rk

TT

TT

kT

TT

T

TTkTT

TTc

TTc

q

q

qw

kDieselter

p

vDieselter

sum

evac

sum

netoDieselter

Eficiencia del ciclo Diesel• Definamos «Relación de corte de admisión» (rc),

como relación entre los volúmenes después y antes del proceso de combustión:

• La eficiencia:2

3

2

3

vv

VV

rc

1

111 1.

c

kc

kDieselter rkr

r

Comparación entre motores de dos y cuatro tiempos

Es una máquina termodinámica que transforma en movimiento la energía proveniente de la combustión de sustancias adecuadas (combustibles), debido a un conjunto de piezas o mecanismos fijos y móviles, sincronizados; cuya función principal es transformar la energía química que proporciona la combustión interna producida por la mezcla de aire y combustible en energía mecánica o movimiento.

Motor de Combustión Interna

El motor Diesel es otro ejemplo de una maquina de combustión interna,se les conoce así, porque queman combustible dentro del motor en un confinamiento sin flujo.

Eficiencia

• La eficiencia de un motor se expresa como el porcentaje de potencia real comparado con la potencia teórica del motor.

• Hay varios modos de definir la potencia del motor:– Eficiencia volumétrica– Eficiencia mecánica– Eficiencia térmica– Eficiencia del combustible

Eficiencia volumétrica• Es la capacidad del motor de llenar el cilindro

aire en la carrera de admisión comparado con el cilindro completamente lleno de aire con presión atmosférica.

• Es la relación de la potencia al freno y la potencia indicada.

Eficiencia mecánica = BHP / IP

Eficiencia mecánica

Eficiencia térmica• Es la capacidad del motor de convertir la energía

del combustible en energía calorífica para lograr el giro del cigüeñal.

• Es la aplicación de un motor en carretera, se expresa en km/L o millas/galón, en la industria es L/hora o galón/hora.

• También se expresa en Consumo de Combustible Especifico al Freno (BSCF), que es la cantidad de combustible usada por unidad de potencia y tiempo (kW-hora)

Eficiencia del combustible

• Si movemos el globo de la superficie inferior hasta lo alto de la montaña, notaremos que su tamaño aumenta.

Presión atmosférica

esto se debe a que la atmosfera alrededor de la tierra esta compuesta por capas, las capas inferiores estan comprimidas por el peso de las capas superiores.

Presión Atmosférica

Presión atmosférica

las capas superiores tienen menos moléculas... por lo tanto hay menos impactos que puedan evitar que el globo crezca.

mas impactos

a mayor altura...

a menor altura sobre el nivel del mar

Presión atmosférica

Condiciones Atmosféricas

Rendimiento efectivo de motores

Gases de escape

Refrigeración

Energía mecánica aprovechada

Accesorios

Gases de escape

Refrigeración

Energía mecánica aprovechada

Accesorios

29%

30%32%

32%

7% 10%

27%

33%

Diesel Otto