Republica Bolivariana de Venezuela

Ministerio del Poder Popular Para la Educación Superior

I.U.T Cabimas Edo. Zulia

Maquinas Térmicas Motores de Combustión interna

Integrantes:

Cesar Mosquera C.I: 19.544.310

Pedro Núñez C.I: 20.143.856

Yosmel Arguello C.I:

Joel Almarza C.I: 13.208.320

PNF Mecánica Sección 01

Esquema

Motores de combustión interna:

Tipo Diesel

Ciclo Otto

Wankel

Ciclo Combinado

Principios y Funcionamiento

Mantenimiento y Pérdida

Desarrollo

Motor DieselEl motor diesel fue inventado en el año 1883, por el ingeniero Rudolf Diesel. De origen francés, aunque de familia alemana, fue empleado de la firma MAN, que por aquellos años ya estaba en la producción de motores y vehículos de carga.

Rudolf Diesel estudiaba los motores de alto rendimiento térmico, con el uso de combustibles alternativos en los motores de combustión interna. Su invento fue muy caro con su vida, ya que estuvo a punto de perderla cuando uno de sus motores experimentales explotó, provocando lesiones a sus colaboradores y a él mismo.

Durante años Diesel trabajó para poder utilizar otros combustibles diferentes a la gasolina, basados en principios de los motores de compresión sin ignición por chispa, cuyos orígenes se remontan a la máquina de vapor y que poseen una mayor prestación. Así fue como a finales del siglo XIX, en el año 1897, MAN produjo el primer motor conforme los estudios de Rudolf Diesel, encontrando para su funcionamiento, un combustible poco volátil, que por aquellos años era muy utilizado, el aceite liviano, más conocido como fuel oíl que se utilizaba para alumbrar las lámparas de la calle.

El motor diesel es un motor térmico de combustión interna alternativo en el cual el encendido del combustible se logra por la temperatura elevada que produce la compresión del aire en el interior del cilindro, según el principio del ciclo del diesel. Se diferencia del motor de gasolina.

Principio y Funcionamiento:

Un motor diesel funciona mediante la ignición de la mezcla aire-gas sin chispa. La temperatura que inicia la combustión procede de la elevación de la presión que se produce en el segundo tiempo motor, compresión. El combustible diesel se inyecta en la parte superior de la cámara de compresión a gran presión, de forma que se atomiza y se mezcla con el aire a alta temperatura y presión. Como resultado, la mezcla se quema muy rápidamente. Esta combustión ocasiona que el gas contenido en la cámara se expanda, impulsando el pistón hacia abajo. La biela transmite este movimiento al cigüeñal, al que hace girar, transformando el movimiento lineal del pistón en un movimiento de rotación.

Hay motores diesel de dos y de cuatro tiempos. Uno de cuatro tiempos se explica así: En la primera fase se absorbe aire hacia la cámara de combustión. En la segunda fase, la fase de compresión, el aire se comprime a una fracción de su volumen original, lo cual hace que se caliente hasta unos 440 ºC . Al final de la fase de compresión se inyecta el combustible vaporizado dentro de la cámara de combustión, produciéndose el encendido a causa de la alta temperatura del aire. En la tercera fase, la fase de potencia, la combustión empuja el pistón hacia atrás, trasmitiendo la energía al cigüeñal. La cuarta fase es, al igual que en los motores Otto, la fase de expulsión.

Mantenimiento de un Motor diesel:

Los siguientes consejos son básicos para aumentar la durabilidad y efectividad de los motores diesel. Sin embargo es necesario destacar que el mantenimiento puede variar dependiendo de la aplicación para la cual se utilice el motor, el mantenimiento previo y las condiciones de operación.

Aceites y filtros.

Una lubricación adecuada es vital para que un motor tenga una larga vida, por lo que es indispensable:

• Utilizar específicamente el aceite y los filtros elaborados para cada tipo de motor.

• Evitar cambios constantes de tipos o marcas de aceite, ya que el motor se satura de impurezas y partículas contaminantes provocando que no pueda  realizar sus funciones adecuadamente.• Cambiar los filtros y el aceite de acuerdo a las indicaciones contenidas en el manual del operador. • Verificar el nivel de aceite diariamente o cada vez que se utilice el transporte.• Mezclar diferentes tipos de aceites puede ser contraproducente para el motor.

Sistemas de enfriamiento.

Al igual que el aceite, los anticongelantes tienden a sufrir desgastes y perder sus propiedades, por ende es recomendable tener ciertos cuidados:

• Mantener la química apropiada del refrigerante impide que se produzca cavitación, corrosión, depósitos, gelatinización y congelamiento.• Verificar el nivel del anticongelante cada vez que se utilice el transporte.• Verter agua sobre el sistema de enfriamiento y el motor puede generar averías. La alternativa es consultar a un mecánico sobre qué productos se deben utilizar.• Drenar la carga inicial de refrigerante, enjuagar el sistema de enfriamiento y rellenar con un anticongelante nuevo al finalizar los primeros 2 años o 2000 horas de operación del motor.• Analizar la composición del refrigerante cada 600 horas de uso o una vez al año.Inspeccionar la bomba de aire y sus cojines. En caso de haber fuga, la opción es reparar o reemplazar la bomba.• Limpiar el radiador cuando se ensucie y después de cada reparación.• Medir la presión del sistema de enfriamiento y la temperatura de apertura del termostato cada 2 años o 1,200 horas de operación del motor.• Inspeccionar regularmente las aspas del ventilador. Si están dobladas o rotas, es necesario remplazar el ventilador.

Bandas.

• Inspeccionar las bandas para detectar fisuras, desgaste o estiramiento, siguiendo los lineamientos establecidos por el manual de operación.

• Medir la tensión de la banda así como el tensor automático del motor, en caso de que se tenga esta opción.

Sistema de combustible.

• Revisar los inyectores y la bomba de inyección de acuerdo con el manual del operador.• Cambiar los filtros de combustible regularmente. Los filtros deben ser los indicados para el motor y el sistema de inyección.

Perdidas por porcentaje en un Motor diesel:

-Perdidas de calor: 30%-Perdidas de refrigeración: 33%-Perdidas de fricción: 10%

RENDIMIENTO EFECTIVO: 30%

El motor diesel tiene menos perdidas de calor por lo tanto mayor rendimiento. Este es uno de los motivos por el cual, el motor de gasoil gasta menos que un motor de gasolina.

Ciclo Otto

El ciclo Otto es el ciclo termodinámico que se aplica en los motores de combustión interna de encendido provocado (motores de gasolina). Se caracteriza porque en una primera aproximación teórica, todo el calor se aporta a volumen constante.

Principios de Funcionamiento:

A pesar de que el motor de explosión de 4 tiempos es extraordinariamente conocido, demos un pequeño repaso al esquema de funcionamiento del ciclo Otto.

El ciclo Otto se basa en el movimiento alternativo (de subida y bajada) del pistón en el interior del cilindro. El ciclo es abierto, pues la mezcla combustible gas-aire se renueva en cada tiempo o fase de admisión. El ciclo completo consta de 4 tiempos, dos de subida del pistón y dos de bajada, como se vio  anteriormente.

Fig 1. Fases en un motor alternativo de cuatro tiempos

 

Tiempo 1: Admisión. El pistón se encuentra en el PMS (punto muerto superior). La válvula de admisión se abre y entra una mezcla de gas y aire en el cilindro. Esta mezcla puede estar a presión atmosférica y ser aspirada por la depresión creada en el movimiento de bajada, o como en los actuales motores industriales, puede haber sido comprimida en un turbocompresor y ser inyectada en el cilindro a presión. Cuando el pistón llega al PMI (punto muerto inferior) la válvula de admisión se cierra. El cigüeñal ha dado media vuelta.

Tiempo 2: Compresión. El pistón, en su subida desde el punto muerto inferior hasta el punto muerto superior comprime la mezcla. Las válvulas de admisión y escape están cerradas. Un poco antes de llegar a la parte más alta se produce el encendido de la bujía, y la mezcla deflagra. El cigüeñal ha dado ya una vuelta completa. Estas dos etapas

o tiempos son consumidoras de energía, pues hasta ahora no se ha generado ningún trabajo.

Tiempo 3: Expansión. Los gases producidos en la explosión se expansionan, lanzando el pistón hacia abajo y produciendo el movimiento del cigüeñal. Las válvulas de admisión y escape siguen cerradas. De los cuatro tiempos, este es el único en el que se desarrolla trabajo. Los otros tres son consumidores de energía mecánica. El cigüeñal ha dado una tercera media vuelta. El pistón llega finalmente al PMI.

Tiempo 4: Escape. Al alcanzar el PMI, la válvula de escape se abre y libera los gases quemados producidos en la combustión. Al llegar al PMS esta válvula se cierra y se abre nuevamente la de admisión, comenzando un nuevo ciclo. El cigüeñal ha dado dos vueltas completas.

Este ciclo se repite millones de veces mientras el motor del auto esta encendido, ya sé que esta explicación suena un poco complicada pesé a que la he simplificado lo mas que pudé, pero no te preocupes, si sigues leyendo mis Posts, pronto aclararas todas esas dudas, y aprenderás mucho rápidamente.

De los cuatro tiempos, sólo en uno se genera energía mecánica. La inercia y los otros cilindros, cuyos tiempos están decalados, aseguran que el movimiento sea continuo, aunque hay naturalmente esfuerzos variables.

Para aumentar el rendimiento del motor es frecuente recurrir a la compresión mecánica del aire o de la mezcla antes de su entrada al cilindro. De esta forma la energía producida en cada explosión es mayor, aunque también son mayores las solicitaciones mecánicas. Es posible aumentar todavía más el rendimiento refrigerando el aire o la mezcla antes de su paso al cilindro, aumentando así su densidad y por ende la cantidad de combustible y comburente en el cilindro.

A medida que aumenta el tamaño del motor se trabaja con menores revoluciones. Así los motores pequeños rápidos van a 1500 rpm (menores de 1-2 MW), los de velocidades intermedias con velocidades de 1000 a 750 rpm tienen potencias hasta unos 6 MW. Los motores de 500 rpm suelen alcanzar los 10 o incluso los 15 MW. Los motores de dos tiempos, de hasta 80 MW, van a velocidades incluso por debajo de 100 rpm.

Los motores de gas ciclo Otto mayores actuales son de unos 8 MW, y la mayoría de los fabricantes principales tienen motores en el rango que oscila entre 3 y 5 MW.

Rendimiento del ciclo de Otto ideal:

El rendimiento del ciclo de Otto, como el de cualquier otra máquina térmica, viene dado por la relación entre el trabajo total realizado durante el ciclo y el calor suministrado al fluido de trabajo:

La absorción de calor tiene lugar en la etapa 23 y la cesión en la 41, por lo que:

Suponiendo que la mezcla de aire y gasolina se comporta como un gas ideal, los calores que aparecen en la ecuación anterior vienen dados por:

ya que ambas transformaciones son isocoras.

Sustituyendo en la expresión del rendimiento:

Las transformaciones 12 y 34 son adiabáticas, por lo que:

puesto que V2 = V3 y V4 = V1.

Restando,

La relación entre volúmenes V1/V2 se denomina relación de compresión (r).

Sustituyendo en la expresión del rendimiento se obtiene:

El rendimiento expresado en función de la relación de compresión es:

Cuanto mayor sea la relación de compresión, mayor será el rendimiento del ciclo de Otto.

Ciclo de Otto real

En la práctica, ni las transformaciones adiabáticas del ciclo de Otto son adiabáticas (isotrópicas) ni las transformaciones isocoras de la animación anterior tienen lugar a volumen constante.

En la siguiente figura se ha representado un esquema del ciclo real de Otto superpuesto con el ideal analizado en las secciones anteriores.

En la figura están indicados de forma aproximada los puntos del ciclo donde tienen lugar la explosión y el escape respectivamente.

PERDIDAS:

Entre el ciclo indicado y el ciclo teórico 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 expansión y compresión, en la sustitución de los trazos rectilíneos de introducción y sustracción del calor por trazos curvos y el redondea miento de los ángulos agudo. Las causas de tales diferencias se fundan en las siguientes razones:

1. Perdidas de calor. En el ciclo teórico son nulas, pero bastante sensibles, por el contrario, en el ciclo real. Como el cilindro esta refrigerado para asegurar el buen funcionamiento del pistón, una cierta parte de calor del fluido se transmite a las paredes. Las líneas de compresión y expansión no son, por consiguiente, adiabáticas, sino poli trópicas, con exponente n, diferente de k. Como el fluido experimenta una pérdida de calor se tiene evidentemente: para la expansión, n>k, y para la compresión, n<k.

DESCRIPCIÓN GENÉRICA DEL CICLO:En la figura 1 vemos el ciclo teórico de un motor Otto en un diagrama p-V. El motor se caracteriza por aspirar una mezcla aire-combustible (típicamente gasolina dispersa en aire). El motor Otto es un motor alternativo. Esto quiere decir de qué se trata de un sistema pistón-cilindro con válvulas de admisión y válvulas de escape.

En los próximos párrafos describiremos el ciclo Otto de 4 tiempos. El ciclo que describiremos inicialmente es el ciclo teórico. Posteriormente veremos las diferencias que existen en un ciclo real. Las diferentes evoluciones que componen el ciclo son:  

Admisión: evolución 0-1. El pistón se desplaza desde el PMS (punto muerto superior) al PMI (punto muerto inferior). La válvula de admisión, VA se encuentra abierta. El pistón realiza una carrera completa. El cilindro se llena con mezcla aire/combustible. Al final de la admisión (en el PMI) se cierra la VA. El llenado del cilindro requiere un trabajo negativo.

Compresión: evolución 1-2. Con las dos válvulas cerradas (VA y válvula de escape, VE), el pistón se desplaza desde el PMI al PMS. Se realiza una carrera completa. Se comprime la mezcla aire/combustible. En principio esta compresión es adiabática. La compresión requiere trabajo negativo.

Encendido: en teoría este es un instante (evolución 2-3). Cuando el pistón llega al PMS, se enciende la chispa en la bujía y se quema la mezcla en la cámara de combustión, aumentando la presión de 2 a 3.

Este punto es un punto clave en el comportamiento real del ciclo, lo cual lo veremos más adelante.

Trabajo: evolución 3-4. Con las dos válvulas cerradas el pistón se desplaza desde el PMS al PMI. Se realiza una carrera completa. En principio esta evolución es adiabática. La evolución genera trabajo positivo. De hecho es la única evolución del total del ciclo en que se genera trabajo positivo al exterior.

Ap. Válvula de Escape: evolución 4-1. En teoría esta caída de presión de 4 a 1 es instantánea y ocurre cuando se abre la válvula de escape.

Escape: evolución 1-0. El pistón se desplaza desde el PMI al PMS. Se realiza una carrera completa (la VE está abierta y la VA se encuentra cerrada). En principio la presión dentro del cilindro es igual a la atmosférica, por lo cual el trabajo requerido es cero.

Cada carrera completa corresponde a media vuelta del cigüeñal. Por lo tanto para realizar el ciclo completo se requieren dos revoluciones completas en el motor de cuatro tiempos.

A continuación hay un enlace que muestra una animación del ciclo de un motor de cuatro tiempos. Para ver la animación, hacer clic sobre la figura.    

Animación Motor Otto (hacer click sobre imagen)

RENDIMIENTO DEL CICLO TEÓRICO:Calculemos a continuación el rendimiento de este ciclo teórico. Para ello usaremos el concepto de ciclo de aire equivalente. Con ello queremos decir que supondremos que el fluido de trabajo es un gas perfecto (aire) que se hace seguir el ciclo y cuyas propiedades termodinámicas se mantienen constantes a lo largo de él. Esta es una simplificación, pues en realidad las propiedades termodinámicas de la mezcla y gases de combustión son diferentes. Sin embargo la simplificación permite sistematizar mejor el estudio del ciclo.

El ciclo teórico tiene las siguientes particularidades:

Evoluciones:

La evolución (0-1) (admisión) y (1-0) (expulsión de gases) son teóricamente ambas a presión atmosférica. Como se recorren en sentidos opuestos, se anulan.

La combustión (2-3) y la apertura válvula de escape (4-1) se suponen ambas como evoluciones isocoras (a volumen constante).

La compresión (1-2) y la expansión o carrera de trabajo (3-4) se suponen adiabáticas sin roce. Es decir Q12 = 0 y Q34 =0.

Rendimiento:

Con los signos explícitos:

De donde:

Sacando factor común T1/T2 para referir a compresión de base:

Considerando que (1-2) y (3-4) son adiabáticas sin roce:

Dividiendo (2)/(1):

Como V4 = V1 = Vmax y V2 = V3 = Vmin, se tiene que:

de donde:

Llamando V1/V2 = a, la razón de compresión, se tiene que:

RENDIMIENTO REAL:El rendimiento real del ciclo Otto difiere en varios aspectos del ciclo teórico.

Esto se aborda en el siguiente acápite.

Central Térmica de Ciclo Combinado

Una Central Térmica de Ciclo Combinado es un planta de producción energía eléctrica basada en dos máquinas térmicas, con dos ciclos térmicos diferentes: turbina de gas y turbina de vapor. El calor no utilizado por uno de los ciclos (la turbina de gas) se emplea como fuente de calor del otro (el ciclo agua-vapor que alimenta la turbina de vapor). De esta forma los gases calientes de escape del ciclo de turbina de gas entregan la energía necesaria para el funcionamiento del ciclo de vapor acoplado. Esta configuración permite un muy eficiente empleo de combustible, con rendimientos que superan el 55% (es decir, más del 55% de la energía contenida en el combustible se convierte en energía eléctrica).

La energía obtenida en estas instalaciones puede ser utilizada, además de la generación eléctrica, para calefacción a distancia y para la obtención de vapor de proceso.

En la figura 1 puede verse el esquema típico de una central de ciclo combinado. La central detallada en el diagrama consta de dos turbinas de gas y una de vapor, en una combinación conocida como 2x1.

Figura 1. Esquema Central de ciclo combinado.

Funcionamiento de una central de ciclo combinado

En primer lugar el aire es comprimido a alta presión en el compresor, pasando a la cámara de combustión donde se mezcla con el combustible.

A continuación, los gases de combustión pasan por la turbina de gas donde se expansionan y su energía calorífica se transforma en energía mecánica, transmitiéndolo al eje.

Los gases que salen de la turbina de gas se llevan a una caldera de recuperación de calor para producir vapor, a partir de este momento tenemos un ciclo agua-vapor convencional.

A la salida de la turbina el vapor se condensa (transformándose nuevamente en agua) y vuelve a la caldera para empezar un nuevo ciclo de producción de vapor.

Actualmente la tendencia es acoplar la turbina de gas y la turbina de vapor a un mismo eje, de manera que accionan conjuntamente un mismo generador eléctrico.

PLAN DE MANTENIMIENTO AVANZADO PARA UNA PLANTA DE GENERACION ELECTRICA DE CICLO COMBINADO

La base de cualquier plan de mantenimiento son las tareas que hay que realizar en cada uno de los equipos y sistemas que componen la planta. Estas tareas deben ser posteriormente agrupadas en gamas, que son conjuntos de tareas de mantenimiento que mantienen algún nexo común, y que se agrupan para facilitar su realización y su control.

Fig. 1. Planta de Cogeneración de Michelin, en Aranda de Duero

El plan de mantenimiento de una planta de cogeneración, sea cual sea la técnica que se emplea para realizarlo, consta generalmente de más de 3.000 tareas sencillas. Si cada una de ellas supusiera la generación de una Orden de Trabajo y su correspondiente Permiso de Trabajo, desde un punto de vista organizativo y burocrático sería incontrolable y generaría una cantidad de trabajo administrativo relacionado con la generación de estas órdenes y sus correspondientes permisos absolutamente desbordante. Por esta razón es necesario agrupar las tareas en gamas, de manera que la emisión de las

órdenes y sus permisos sea algo manejable y controlable, al ser su número menor.

En el caso del plan de mantenimiento desarrollado por RENOVETEC para plantas de cogeneración, las tareas se agrupan en gamas teniendo en cuenta el sistema al que pertenecen, las especialidades del trabajo a realizar (eléctrico, mecánico, lubricación, operación, legal, predictivo, etc.) y por supuesto, la frecuencia de realización. El producto final es un plan de mantenimiento compuesto por una 300 gamas, fáciles de gestionar, fáciles de implementar, y fáciles de entender por los técnicos encargados de llevarlas a cabo.

El plan de mantenimiento contempla la realización de las siguientes actividades:

El mantenimiento conductivo, es decir, el que llevan a cabo los operadores de planta principalmente en sus rondas diarias.

El mantenimiento sistemático, que llevan a cabo los técnicos de mantenimiento de planta a lo largo del año.

El mantenimiento predictivo, relacionado con termografías, boroscopias, inspecciones por ultrasonido, análisis de aceites, de vibraciones, etc., que realizan los técnicos de planta con la ayuda en ocasiones de contratas especializadas.

El mantenimiento en paradas mayores y menores, que se llevan a cabo aprovechando las revisiones programadas de las principales máquinas térmicas (turbinas de gas, vapor o motores de gas).

El mantenimiento legal, que emana de las diferentes normativas de obligado cumplimiento en plantas industriales, y más concretamente, las que aplican a plantas de cogeneración.

El plan de calibración, que contempla de una forma especial las verificaciones y ajustes necesarios en la instrumentación que forma parte del sistema de control de planta para garantizar la exactitud y precisión de las medidas.

LA ESTRUCTURA DEL PLAN:

El plan de mantenimiento divide la planta en diferentes sistemas, entre los que están los siguientes:

Motores de gas Turbinas de gas Turbinas de vapor Calderas y equipos de recuperación térmica Circuitos de agua y vapor Generador y Sistemas eléctricos de alta, media y baja tensión Sistemas de refrigeración Plantas de tratamiento de agua Sistemas auxiliares de la planta (sistema contraincendios, balsa de

efluentes, sistema de aire comprimido, etc.)

Motor Wankel

En la década de 1950, el ingeniero alemán Félix Wankel completó el desarrollo de un motor de combustión interna con un diseño revolucionario, actualmente conocido como Motor Wankel. Utiliza un rotor triangular-lobular dentro de una cámara ovalada, en lugar de un pistón y un cilindro.

El motor de Wankel es compacto y ligero en comparación con los motores de pistones, por lo que ganó importancia durante la crisis del petróleo en las décadas de1970 y 1980. Además, funciona casi sin vibraciones y su sencillez mecánica permite una fabricación barata. No requiere mucha refrigeración, y su centro de gravedad bajo aumenta la seguridad en la conducción. No obstante salvo algunos ejemplos prácticos como algunos vehículos Mazda, ha tenido problemas de durabilidad.

Principio de Funcionamiento:

La mezcla de combustible y aire es absorbida a través de un orificio de aspiración y queda atrapada entre una de las caras del rotor y la pared de la cámara. La rotación del rotor comprime la mezcla, que se enciende con una bujía. Los gases se expulsan a través de un orificio de expulsión con el movimiento del rotor. El ciclo tiene lugar una vez en cada una de las caras del rotor, produciendo tres fases de potencia en cada giro.