Termodinámica ara ingenieros PCP Cap. 14 Ciclo Motoresmiguelhadzich.com/wp-content/uploads/2012/10/Libro-Termodinamica... · Motores de Combustión Interna 14 - Pág. 2 Ciclo Motores

Ciclo Motores 14 - Pág. 1

Termodinámica para ingenieros PUCP

INTRODUCCIÓN

Recién llegamos al capítulo que a todos los ingenieros mecánicos nos gusta, los MOTORES !!...que los encontraremos por millones en todo el mundo (en EEUU circulan actualmente 145 millones de autos) y que los utilizamos diariamente; estudiaremos los motores a gasolina y a petróleo principalmente (ciclos Otto y Diesel), pero también estos motores pueden funcionar con gas, aire caliente o las mezclas de varios combustibles.

Aprenderemos a diseñar los motores y a seleccionarlos según nuestras necesidades. Finalmente conoceremos un poquito sobre algunas tecnologías que tenemos en nuestros automóviles que siempre es bueno conocerlos, tales como el carburador, el embrague, la caja de cambios, la dirección, etc.

Cap. 14

Ciclo Motores

Mini Cooper 1,6 lt, 118 a 163 HP

Motor Caterpillar 30o6TA

Ciclo Motores 14 - Pág. 3Motores de Combustión Interna 14 - Pág. 2

Termodinámica para ingenieros PUCPCiClo Motores

14.1 CICLO MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

Este ciclo usa aire como portador de energía, por lo tanto solamente trabajare-mos con fórmulas de gases ideales.

ESQUEMA DE UN MOTOR A COMBUSTION INTERNA



Dónde se utilizan estos ciclos ? CORTE DE UN MOTOR A GASOLINA DE 4 TIEMPOS

CICLO OTTO DE CUATRO TIEMPOS:

Primer automòvil, Karl Benz - Alemania 1886 - Velocidad 13 km/h.

Motor de Volskwagen en Lab. Energìa PUCP

Motor Ford T, 1914.En 1924 Ford habìa fabricado 10 millones de autos

Mini Minor - 1958, Tracciòn delantera, motor transversalRecord 24 personas en el interior

Motor Diesel 120 kW - Lab Energìa PUCP

Motor Ultraligero, 1990Ferrari , Italia - Fórmula 1Ganò 8 veces el Campeonato del mundo entre 1961 y 1983

Motocicleta Honda CB750, 1967

Todos los motores a gasolina usan bujìas para dar chispa en el momento de la combustiòn.La General Mootrs en Detroit, EEUU. construye unos 2 millones de coches al año.Para el 2025 se planea que hayan carreteras que alberguen 1,000 millones de vehìculos.



COMBUSTIBLES

La gasolina de 95 octanos (95 SP) quiere decir que no tiene plomo en su com-posiciòn, por lo que se le llama la gasolina ecològica. El plomo puede producir càncer pues el organismo no lo absorbe.

El número de octanos (OC-TANAJE) indica la capaci-dad ANTIDETONANTE !!! del combustible en las gasolinas. En el petròleo es el nùmero de cetanos (CET-ANAJE)

Arreglo de cilindros de Combustiòn Interna

Motor de 6 cilindros en lìnea (Ford Motors Co.)

Motor Transversal V-6 de 2.8 litros, tracciòn delantera - Chevrolet



3er Tiempo: EXPANSION

m (constante) Salta la chispa: COMBUSTIÓN

4to Tiempo: EXPULSIÓN

Relación de Compresión: r k En los motores a gasolina el r k varía entre 6:1 a 12:1. Gasolina (Octanaje) Octanaje: Capacidad antidetonante. Suponer mayor presión a mayor octanaje.

CICLO OTTO IDEAL de 4 tiempos

1. CICLO OTTO (MOTORES A GASOLINA)

Aplicaciones:- Transporte vehicular.- Motocompresores.- Motobombas.- Pequeños grupos electrógenos.

a) Motor de 4 tiempos:

1er Tiempo: ADMISIÓN.

2do Tiempo: COMPRESIÓN

Eleva la temperatura de la mezcla.PMS : Punto Muerto SuperiorPMI : Punto Muerto Inferior.

Tambièn se les llama motores de mezcla, pues la gasolina y el aire ya entran mezclados al motor (en el carburador)

La mezcla de gasolina y aire entran al motor debido a que el pìstón crea una succiòn al bajar. En esta etapa la masa es variable y la presiòn dis-muinuye un poco menos que la presiòn atmosfèrica.El cigueñal da media vuelta de giro.

La masa es constante y se produce la compresiòn de la mezcla, aumentàndose la presiòn y la temperatura.De este tiempo depende la eficiencia del motor.

La presiòn aumenta hasta que el pistòn llega al punto màximo supe-rior (llamado PMS - punto muerto superior)Relaciòn de Presiones r k = P2/P1

r k = (Vm + Vc )/Vm

Se alcanza mayores rendimientos cuando la relaciòn de presiones es mayor, por lo que tambièn es necesario usar combusti-bles que “aguanten” màs la compresiòn, por eso se aumenta el octanaje en las gasolinas.(ver pàg.13)

Esta etapa solamente sirve para ex-pulsar los gases de combustiòn que estàn en el motor.La masa varía.Tambièn se le llama etapa de escape o descarga.



El diagrama P-v real del ciclo se saca del Os-ciloscopio donde podemos apreciar el ciclo verdadero dentro del motor. Para estudiar màs fàcilmente nosotros lo acondicionamos a un ciclo teòrico ideal, pero manteniendo el mismo tra-bajo tècnico (àrea dentro del ciclo P-v real).Para evitar cualquier error al hacer este cambio, es que consideramos un Factor de Diagrama fD que corrije cualquier defecto.Wi = fD x Wteòrico

14.3 Relación de Compresión rkDIAGRAMA P -v CICLO OTTO REAL

Puede notarse que el valor del rendimiento tèrmico del ciclo solamente depende de la relaciòn de compresiòn rk; por lo tanto tambièn dependerà del tipo de gasolina (nùmero de octanos) que se utilice. Un mejor motor (me-jor rendimiento) debe usar gasolina de mayor octanaje, puesto que su capacidad antidetonante puede hacer que pueda comprimirse màs sin problemas de autoencendido.

En la fase de Com-presiòn es cuando se trata de llegar a aumentar la presión solamente con el pistòn.

A mayor rk el rendimien-to del motor aumenta.

En esta figura la relaciòn de compresiòn r k serìa V1 entre V2.

Para Disenar un motor debemos definir cual es la relacion de presiones que se debe escoger; esto es muy importante pues de esa decision se construiran miles de motores. Tenemos que decidir tambien cual sera el uso del motor, para segun ello elegir el mejor rk, a menudo se sacrifica el rendimiento en favor de un menor consumo de combustible, tal es el caso de disenar taxis o vehiculos pequenos.



CARBURADORCiclo Otto

Ciclo Otto de 2 tiemposFASES DEL CICLO DE 2 TIEMPOS PARA UN MOTOR CON VÁLVULA DE ESCAPE

(Motor de Motocicleta)

Diferencias : Solamente tiene una vàl-vula que hace las veces de vàlvula de admisiòn y escape.

Se usa en los motores lentos y en los muy pequeños.

En la figura podemos apreciar que el mo-tor hace todos los tiempos que un motor de 4 tiempos, pero el cigueñal solamente hace esto en UNA SOLA VUELTA !!!.

Se tiene problemas mecànicos en la fase de admisiòn, pùes - como es muy ràpido el ciclo - no se puede separar exactamente la cantidad de combustible que pueda salirse por la vàlvula.

El carburador sirve para gasificar el combustible y lo hace a traves de una pequena tobera- Funciona como los rociadores de agua, o los flits, o los pulverizadores de pintura.Solo se usan en los ciclos otto porque los motores diesel inyectan directamente el combustible dentro del motor.No vayas a buscar un carburador en un



14.4 Ciclo Diesel

1. MOTOR DIESEL: (PETROLEO)

Aplicaciones:- Transporte vehicular.- Propulsión fluvial- Propulsión naval.- Centrales Térmicas.

Motor a cuatro tiempos:

- 1er Tiempo: ADMISIÓNSólo entra aire (no existe carburador)

- 2do Tiempo: COMPRESIÓNEleva la temperatura a una mayor que la de la combustión del combustible. No existe bujía.

- 3er Tiempo: INYECCIÓN DE COMBUSTIBLECombustión.

- 4to Tiempo: EXPULSIÓN O ESCAPE.Eliminan gases del cilindro.

CETANO: capacidad antidetonante.

El funcionamiento es similar al ciclo Otto, solamente cam-bia en la fase de la inyecciòn del combustible. Ahora serà un proceso isobàrico en lugar de un proceso isocòrico.

dq = du + p dv = dh - v dp

Como la presiòn es constante usaremos la segunda igualdad y dq = dh = m (h - h )

En el diagrama p -v real del ciclo podemos apreciar varias curvas; estas dependen de si el motor es rapido o lento. Pero el diagrama p-v ideal o teorico sigue siendo de la misma forma !!

algunos motores tienen una pequena bujia para el arranque del motor, pero que una vez que el ciclo se inicia deja de trabajar.

En la figura inferior se muestra el probador de inyectores del laboratorio de energia de la PUCP



1. CICLO DUAL: (Mixto: Gasolina y gas)

Si las presiones superiores, por razones de orden constructivo o de técnica de combustión (detonación) resultan muy altas, entonces se hace que el encendido tenga lugar más tarde, por lo que la combustión no sólo transcurre isócora, sino también, isóbaramente, debido a la rapidez creciente del pistón.

14.7 Ciclo Dual o MixtoCICLO DIESEL DE DOS TIEMPOS: (BARCOS)

TURBO COMPRESORSe utiliza para aumentar la eficiencia en los motores, especialmente los de petroleo. Sirven para introducir mayor cantidad de aire en el motor y por lo tanto podemos introducir mas combustible, entonces el calor suministrado aumentara, por lo tanto tambien el trabajo tecnico.

Este caso es similar al ciclo Otto, pero tambien se tiene el factor de la relacion de admision como parametro.

Ya existen en el Peru los autos que utilizan gasolina y gas alternativamente, depende del conductor pues solamente tiene que accionar un switch para decidir en que momento usa cualquier tipo de combustible. Cuando llegue el gas de Camisea a Lima esta puede ser uansoluciòn al problema del transporte.

En realidad este ciclo se asemeja mas a los ciclos reales.Si juntaramos el punto 2 con el 3 tendriamos un ciclo Diesel y, si junta-mos el punto 3 con el 4 tendremos un ciclo Otto.



14.10 Ciclo Wankel14.11 Ciclo Stirling

Este motor fue creado por el inventor alemàn Fèlix Wankel, en 1954. Recièn actualmente se tienen unos 500,000 automòviles en todo el mundo. Es mejor que los motores a pistòn, por ejemplo un motor de pistòn V-8 de 195 HP tiene 1029 piezas, pesa 600 lb y ocupa 15 ft3; mientras que un motor Wankel de la misma potencia tiene 633 piezas, pesa 237 libras y ocupa 5 ft3. Ademàs, no tiene vàlvulas !.Opera como el ciclo Otto de 4 tiempos. El nombre matemático de la forma de la camara es epitrozoide.No tuvo mucho éxito debido a los problemas en el diseño del sello del àpice que se usaba para sellar los compartimientos, ahora con los nuevos materiales cerámicos se soluciona este problema. El Mazda RX-7 es el único auto comercial que usa este motor giratorio.

Los Motores Stirling pueden ser la solucion del futuro. En estos motores no se mezcla el combustible con el aire, estan completamente separados, es decir son motores de aire caliente propiamente dichos,Entonces, tiene la ventaja que el calor puede ser suministrado por cualquier cosa que se queme, puede ser cualquier combustible, lena, carbon, etc y se puede usar hasta basura, energia solar y cualquier

La combustion es externa por lo que podemos quemar todo lo que queramos !!.

Están investigando en corazones artificiales usando este tipo de motor, solamente con el calor del cuerpo...y la otra temperatura serìa el ambiente...



14.5 Nomenclatura de Motores

DEFINICIONES EN EL ANÁLISIS DE LOS M.C.I

Diagrama Indicado:Se denomina así, al diagrama P-v del ciclo real en un MCI. Este diagrama se obtiene a través de aparatos denominados “indicadores de diagramas”.

Trabajo Indicado:(Wi)Es el trabajo realmente efectuado por los gases dentro del cilindro, sobre el pistón. Se determina mediante la integración mecánica con un integrador del área del diagrama indicado.

Los dinamometros tratan de frenar el eje y como eso te levanta puedes conocer la fuerza (peso) y por distancia (tu brazo) tendremos el torque. Las revoluciones por minuto RPN se miden con los tacometros o con los estroboscopios (como las luces de las discotecas) sin tener que haber contacto con el eje.

Motor de Combustión interna en el Lab, de Energìa, se puede observar el torquímetro que mide directamente el Torque del eje de los motores.

Esta es la FORMULA que da la potencia de TODO EL MOTOR !!



14.6 Curiosidades de esta tecnologìa

A mayor diferencia de temperatiuras en un ciclo su rendimiento es mayor (recordemos a Carnot); por eso tratamos de bajarle lo mas posible el calor evacuado, por eso usamos el radiador. Los volskwagen tipo escarabajo no tienen radiadores, solamente refrigeran por aire.



Embrague

Sirve para desconectar el motor - que siempre esta funcionando - del carro mismo.

Caja de Cambios

Sirve para cambiar la velocidad del carro, en realidad intercambia el torque con la velocidad para tener una misma potencia.



Problemas

1.- En un motor ideal a gasolina se obtuvieron los siguientes datos: rk = 9, T1 = 27° C, P1 = 1bar, z = 4 cilindros, 103 RPM, 2 tiempos, L = 12cm, D = 10cm, relación de aire-combustible: ma / mc = 16, Poder Calorífico, PC = 40000kJ/kg. Se pide:

a) La potencia desarrollada por el motor (kW)b) Consumo específico de combustible (kg/kW-h)c) Calor del combustible (kW)d) Eficiencia (%)



3. Se tiene un motor de combustión interna de las siguientes características:Motor de 2 tiempos y de 10 cilindros.L = 50cmD = 40cmPresión Media Indicada (pmi) = 10 bar.n = 500 rpm.Eficiencia Mecánica = 80%Eficiencia Térmica = 40%Poder Calorífico = 40 MJ/kg.Se pide calcular el consumo específico de combustible en kg/kW-hr.

2. Un motor Diesel tiene una relación de compresión de 18 y el cierre de la inyección de combustible ocurre al 10% de la carrera; si la presión y la temperatura del aire al inicio de la compresión son 1 bar y 27° C, determinar:

a) El calor suministrado al ciclo, en kJ/kg.b) La temperatura del aire al final de la expansión.c) La eficiencia térmica del ciclo, en %.d) Si el volumen de desplazamiento es de 400cm3 y el motor es monocilíndrico, determinar

el diámetro y la carrera del pistón en cm, si D/L = 0.8



5. En un motor ideal de explosión se obtuvieron los siguientes datos:Relación de compresión: 9T1 = 27° CP1 = 1 bar4 cilindrosn = 1000 rpm2 tiemposL = 12 cmD = 18 cmRelación aire /combustible = 40 MJ /kg.Se pide determinar:

a) La potencia desarrollada por el motor en kW.b) El consumo específico de combustible, en kg /kW-hr.c) El calor suministrado al ciclo, en kW.d) La eficiencia térmica del ciclo, en %.

4. Se tiene dos ciclos: OTTO y DIESEL. Grafique en un mismo diagrama P-v y en un mismo diagrama T-s, los ciclos mencionados y determine cual de ellos es más eficiente para las condiciones dadas a continuación:

a) Igual estado inicial, igual temperatura y presión máxima.b) Igual estado inicial. Igual presión máxima e igual trabajo neto.



7. Se tiene un motor Diesel que desarrolla una potencia de 10MW, se pide determinar el diámetro y la carrera del pistón, en cm. Si se conocen los siguientes datos:n = 500rpmrelación aire /combustible = 18eficiencia mecánica = 90%condiciones ambientales : 1bar y 20° C.Motor de 4 tiempos.Poder Calorífico = 45.6MJ /kg.Densidad del combustible = 0.85 kg /litroEficiencia Térmica del ciclo = 40%Eficiencia Volumétrica = 80%

6. El consumo específico de combustible al freno de un motor Diesel es de 0.3348kg /kW-hr, con un combustible cuyo poder calorífico es de 44MJ/kg. y una eficiencia mecánica de 80%.Determinar:

a) La eficiencia térmica indicada, en %.b) La presión media indicada, si la relación aire combustible es de 18, la eficiencia volumétrica

es de 82% y al inicio de la compresión las condiciones del aire son; 1 bar y 18° C.

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