2 Motores de combustion interna 2.1 Clasificacion de los motores de combustion interna 2.2 Motor Otto 2.3 Motor Diesel 2.4 Motor Dual 2.5 Sistemas auxiliares Sistema de encendido, Sistema de inyeccion, sistema de lubricacion, sistema hidraulico 2.6 Motores de turbinas de gas 2.6.1 Ciclo Brayton ideal 2.6.2 Ciclo Brayton real 2.6.3 Eficiencias isentropicas en dispositivos de flujo permanente 2.6.4 Ciclo Brayton con regeneracion 2.6.5 Ciclo Brayton con regeneracion interenfriamiento y recalentamiento 2.6.6 Turborreactores 2.6.7 Estatorreactores 2.6.8 Cohetes 2.7 Motores de propulsion a chorro 2.8 Analisis exegetico de las turbinas de gas 3 Rendimientos potencias y seleccion 3.1 Motor Otto 3.1.1 Balance termico 3.1.2 Rendimiento mecanico termico volumetrico 3.1.3 Calculo de potencia térmica y mecanica 3.1.4 Calculo de perdidas 3.1.5 Seleccion para la aplicacion de sistemas mecanicos 3.2 Motor Diesel
3.2.1 Balance termico] 3.2.2 Rendimiento mecanico termico volumétrico 3.2.3 Cálculo de potencia térmica y mecánica 3.2.4 Cálculo de pérdidas 3.2.5 Selección para la aplicación de sistemas mecánicos 3.3 Motores de turbinas de gas 3.3.1 Desviacion de los ciclos de turbinas de gas reales de los ideales 3.3.2 Analisis de energia en motores de turbinas de gas 3.4 Turborreactor 3.4.1 Potencia de propulsion 3.4.2 Taza de entrada de energia 3.4.3 Eficiencia de propulsion 3.4.4 Modificación de los turborreactores 3.5 Estatorreactoras 3.5.1 Potencia de propulsión 3.5.2 Taza de entrada de energía 3.5.3 Eficiencia de propulsión 3.5.4 Modificación de los turborreactores
2 Motores de combustion interna Un motor de combustión interna, motor a explosión o motor a pistón, es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química de un combustible que arde dentro de una cámara de combustión. Su nombre se debe, a que dicha combustión se produce dentro de la máquina en si misma, a diferencia de, por ejemplo, la máquina de vapor.
2.1 Clasificacion de los motores de combustion interna El motor de explosión ciclo Otto, cuyo nombre proviene del técnico alemán que lo inventó, Nikolaus August Otto, es el motor convencional de gasolina. El motor diésel, llamado así en honor del ingeniero alemán nacido en Francia Rudolf Diesel, funciona con un principio diferente y suele consumir gasóleo.
2.2 Motor Otto
Motor Otto de 2T refrigerado por aire de una moto: azul aire, verde mezcla aire/combustible, gris gases quemados. El motor convencional del tipo Otto es de cuatro tiempos (4T), aunque en fuera borda y vehículos de dos ruedas hasta una cierta cilindrada se utilizó mucho el motor de dos tiempos (2T). El rendimiento térmico de los motores Otto modernos se ve limitado por varios factores, entre otros la pérdida de energía por la fricción y la refrigeración. La termodinámica nos dice que el rendimiento de un motor alternativo depende en primera aproximación del grado de compresión. Esta relación suele ser de 8 a 1 o 10 a 1 en la mayoría de los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores, como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de octano para evitar el fenómeno de la detonación, que puede producir graves daños en el motor. La eficiencia o rendimiento medio de un buen motor Otto es de un 20 a un 25%: sólo la cuarta parte de la energía calorífica se transforma en energía mecánica. 1. Tiempo de admisión - El aire y el combustible mezclados entran por la válvula de admisión.
2. Tiempo de compresión - La mezcla aire/combustible es comprimida y encendida mediante la bujía. 3. Tiempo de combustión - El combustible se inflama y el pistón es empujado hacia abajo. 4. Tiempo de escape - Los gases de escape se conducen hacia fuera a través de la válvula de escape.
2.3 Motor Diesel
En teoría, el ciclo diésel difiere del ciclo Otto en que la combustión tiene lugar en este último a volumen constante en lugar de producirse a una presión constante. La mayoría de los motores diésel son asimismo del ciclo de cuatro tiempos, salvo los de tamaño muy grande, ferroviarios o marinos, que son de dos tiempos. Las fases son diferentes de las de los motores de gasolina. En la primera carrera, la de admisión, el pistón sale hacia fuera, y se absorbe aire hacia la cámara de combustión. En la segunda carrera, la fase de compresión, en que el pistón se acerca. el aire se comprime a una parte de su volumen original, lo cual hace que suba su temperatura hasta unos 850 °C. Al final de la fase de compresión se inyecta el combustible a gran presión mediante la inyección de combustible con lo que se atomiza dentro de la cámara de combustión, produciéndose la inflamación a causa de la alta temperatura del aire. En la tercera fase, la fase de trabajo, los gases producto de la combustión empujan el pistón hacia fuera, trasmitiendo la fuerza longitudinal al cigüeñal a través de la biela, transformándose en fuerza de giro par motor. La cuarta fase es, al igual que en los motores Otto, la fase de escape, cuando vuelve el pistón hacia dentro. Algunos motores diésel utilizan un sistema auxiliar de ignición para encender el combustible al arrancar el motor y mientras alcanza la temperatura adecuada. La eficiencia o rendimiento (proporción de la energía del combustible que se transforma en trabajo y no se pierde como calor) de los motores diésel dependen, de los mismos factores que los motores Otto, es decir de las presiones (y por tanto de las temperaturas) inicial y final de la fase de compresión. Por lo tanto es mayor que en los motores de gasolina, llegando a
superar el 40%. en los grandes motores de dos tiempos de propulsión naval. Este valor se logra con un grado de compresión de 20 a 1 aproximadamente,contra 9 a 1 en los Otto. Por ello es necesaria una mayor robustez, y los motores diésel son, por lo general, más pesados que los motores Otto. Esta desventaja se compensa con el mayor rendimiento y el hecho de utilizar combustibles más baratos. Los motores diésel grandes de 2T suelen ser motores lentos con velocidades de cigüeñal de 100 a 750 revoluciones por minuto (rpm o r/min), mientras que los motores de 4T trabajan hasta 2.500 rpm (camiones y autobuses) y 5.000 rpm. (automóviles)
2.4 Motor Dual Es un sistema que permite utilizar al Gas Natural o GNC, como combustible primario en motores ciclo DIESEL (Gas-oil). De hecho, hasta un 90 % de los requerimientos de combustible del motor puede ser cubierto con la utilización de Gas Natural o GNC. En el caso en que el suministro de Gas Natural o GNC. Fuese interrumpido, el motor operará automáticamente con un 100% de DIESEL (Gas-oil), sin pérdida de potencia en la salida del motor, permitiendo una gran flexibilidad en el manejo de los recursos energéticos, aprovechando los recursos de recortes de pico (peak shaving) y/o cogeneración. a la vez, obtenemos beneficios adicionales tales como: • • • • •
Menor almacenamiento de combustible. Reducción de costos de transporte de combustible. Reducción significativa en la emisión de gases contaminantes. Flexibilidad en elección del combustible ante fluctuaciones de precios del mismo. Transición sin interrupciones de suministro de 100% DIESEL (Gas-oil) a DUAL, Gas Natural o GNC. y viceversa.
El Sistema “DUAL” opera por mezcla de combustible DIESEL (Gas-oil) y Gas Natural o GNC. Ya que los Motores DIESEL (Gas-oil), carecen de bujías y de sistema de ignición. El Sistema “DUAL” produce la mezcla perfectamente balanceada de DIESEL (Gas-oil) y Gas Natural o GNC dentro de la cámara de combustión. El balance de ambos combustibles es controlado por un microprocesador.
• •
Sin bujías ni sistema de ignición. Sin pérdida de potencia.
El aire y el Gas Natural o GNC son premezclados en la entrada de aire del motor, para luego inyectar la mezcla en la cámara de combustión a través de la válvula de admisión. La mezcla es encendida cuando el inyector de DIESEL (Gas-oil) rocía una pequeña cantidad de este combustible dentro de la cámara que actúa como un piloto para la ignición del combustible primario, en este caso el Gas Natural o GNC. Reduciendo el flujo de combustible DIESEL (Gas-oil) hasta convertirlo en una llama piloto, para lograr la ignición de la mezcla enriquecida Aire-Gas Natural o GNC. Debido a la alta temperatura de autoencendido del Gas Natural o GNC. La mezcla aire-Gas Natural o GNC no enciende durante la carrera de compresión por no existir la temperatura necesaria para facilitar la combustión. Por el método utilizado, el motor no sufre ninguna modificación para la instalación del sistema, los diferentes componentes del mismo se montan externamente, y el grupo continua a Disposición o en Servicio, incluso durante el tiempo que demande la instalación. .Haga Click en la imagen o frase de su interés. LA instalación del Sistema “DUAL”, No requiere modificaciones en el Motor DIESEL (Gas-oil). Ya que los Motores DIESEL (Gas-oil), carecen de bujías y de sistema de ignición. El Sistema “DUAL” se puede utilizar de DIESEL (Gas-oil) A Gas Natural o GNC o viceversa sin interrupción de potencia. Alcanzando el 100 % de Rendimiento en cualquiera de los dos casos. El sistema "DUAL", GARANTIZA la Performance, Estabilidad y velocidad de respuesta. Todas las características técnicas del motor permanecen inalterables luego de la instalación del Sistema "DUAL" (relación de compresión, avance, cruce de válvulas, etc.).
Todas las especificaciones del Fabricante del Motor se mantienen inalterables luego de la instalación del Kit del Sistema “DUAL”. Sistema de encendido Cuando se habla de sistema de encendido g e n e r a l m e n t e n o s referimos al sistema necesario e independiente capaz de producir elencendido de la mezcla de combustible y aire dentro del cilindro enlos motores de gasolina o LPG, conocidos también como motores deencendido por chispa, ya que en el motor Diesel la propia naturalezade la formación de la mezcla produce su auto-encendido.E n l o s m o t o r e s d e g a s o l i n a r e s u l t a n e c e s a r i o producir una chispae n t r e d o s e l e c t r o d o s s e p a r a d o s e n e l i n t e r i o r d e l c i l i n d r o e n e l momento justo y con la potencia necesaria para iniciar la combustión.Este sistema provee la energía eléctrica necesaria para producir elencendido de la mezcla combustible.Su importancia radica en que su presencia garantiza el inicio de lacombustión en los motores que funcionan bajo el principio del cicloOtto, produciendo una chispa que enciende la mezcla combustible.L a función principal es la de convertir energía eléctrica d e b a j a tensión en alta tensión y distribuirla a cada uno de los cilindros delmotor Consta básicamente de: un generador de corriente o batería, u n arrollamiento primario, un interruptor mecánico, un condensador,arrollamiento secundario, un distribuidor y bujías.E l funcionamiento es el siguiente: el generador de corriente o unab a t e r í a s u m i n i s t r a e n e r g í a e l é c t r i c a q u e c i r c u l a a t r a v é s d e u n interruptor mecánico y un condensador a un circuito primario de unab o b i n a , c u a n d o s e a b r e e l i n t e r r u p t o r s e p r o d u c e una variaciónrápida, ayudada por el condensador, del c a m p o m a g n é t i c o , q u e produce el paso de corriente por el arrollamiento primario, lo cuali n d u c e e n e l a r r o l l a m i e n t o secundario una tensión muy elevada( 1 4 0 0 0 o 2 0 0 0 0 V ) , e s t a t e n s i ó n s e d i s t r i b u y e a l c i l i n d r o correspondiente de acuerdo a la secuencia de encendido y provocaen los extremos de una bujía una chispa en el interior del motor, quees la que enciende finalmente la mezcla combustible.E l funcionamiento de este sistema se puede v e r i f i c a r , s i e l funcionamiento del motor se produce d e m a n e r a u n i f o r m e y s i n interrupciones. Para asegurarnos q u e c a d a c o m p o n e n t e f u n c i o n a bien, se pueden realizar mediciones eléctricas de continuidad, si estae x i s t e n o d e b e r í a h a b e r p r o b l e m a s . E l c o m p o n e n t e m á s d i f í c i l d e inspeccionar es la bujía, ya que puede no presentar fallas cuando sela prueba en condiciones que no son las de funcionamiento real.L a m e j o r m a n e r a d e c o n t r o l a r s i e l s i s t e m a f u n c i o n a e s l a d e comprobar la l l e g a d a d e e n e r g í a e l é c t r i c a d e a l t o v o l t a j e h a s t a l a bujía, debiéndose verificar esta última por separado y con dispositivosespeciales para ese fin. También controlar el suministro de energíaeléctrica de
baja tensión (batería o generador)Las fallas más frecuentes, son la rotura o pérdida de aislamiento deuna bujía, y se manifiesta por un funcionamiento desparejo (rateo) au n r é g i m e n o e n t o d o r é g i m e n d e m a r c h a d e l m o t o r . S i h u e r a u n a discontinuidad eléctrica de algún arrollamiento o del cable de bujía, laf a l l a s e r í a t o t a l , n o p r o d u c i e n d o e l e n c e n d i d o d e l a m e z c l a e n e l cilindro en c u e s t i ó n . L a f u e n t e d e e n e r g í a e l é c t r i c a i n i c i a l t a m b i é n puede fallar, cuando ello sucede, no se registra voltaje en sus bornesde salida.L a reparación del sistema se limita al reemplazo del c o m p o n e n t e dañado. Las condiciones de seguridad son las mismas requeridas p a r a l a s instalaciones eléctricas, especialmente en el circuito de alto voltaje.El cuidado del medio ambiente se limita a disponer adecuadamentelos elementos reemplazados.
CIRCUITO DEL COMBUSTIBLE El combustible es succionado del tanque de combustible por la bombala cual se encuentra generalmente dentro del tanque, pasando por elfiltro de combustible.La bomba incrementa la presión y envía el combustible a través de lalínea de combustible hacia el regulador donde se controla la presión al a cual será inyectado. El regulador se encarga d e e n v i a r e l combustible hacia el inyector el cual se encuentra encima del cuerpode aceleración donde se tiene la válvula de aceleración la cual estáacoplada al pedal del acelerador.L a p o s i c i ó n d e e s t a v á l v u l a d e f i n i r á l a p o t e n c i a d e m a n d a d a , l a cantidad de combustible necesaria será definida por la computadora(la cual toma la señal de la posición de la válvula de aceleración y del a t e m p e r a t u r a d e l m o t o r e n t r e o t r a s ) y s u m i n i s t r a d a a t r a v é s d e l inyector. La cantidad de combustible que no sea requerida se envía altanque a través de la línea de retorno. SISTEMAS DE INYECCIÓN MULTIPUNTO Los sistemas de inyección multipunto tienen la característica d e q u e s e tiene un inyector para cada cilindro, de tal manera que
permiten una mejord o s i f i c a c i ó n d e l a m e z c l a a i r e c o m b u s t i b l e . Estos inyectores se colocang e n e r a l m e n t e e n e l p u e r t o d e admisión, que es la zona en la cual seencuentra la válvula de admisión antes de la cámara de c o m b u s t i ó n . Algunos fabricantes le denominan sistema de inyección multipuertos. PARTES DEL SISTEMA DE INYECCIÓN MULTIPUNTO Al sistema de inyección multipunto lo forman:1.- Tanque o depósito de combustible2.- Filtro de combustible3.- Bomba de combustible4.- Líneas de combustible5.- Regulador de presión6.- Riel de inyectores7.- Inyectores8.Puerto de admisión9.- Cuerpo de aceleración10.- Válvula de aceleración11.Línea de retorno12.- Módulo de control electrónico (computadora)13.- Sensores de aire14.- Sensor de posición de la válvula de aceleración15.- Sensor de la posición del cigüeñal16.- Sensor de temperatura del motor17.-Sensor de oxígeno
3.1.4 MOTORES DE GASOLINA Y DIESELGasolina El sistema de combustible de un motor a gasolina tiene como misiónel entregar la cantidad correcta de combustible limpio a su debidotiempo en la cámara de combustión del motor.Elementos generales del sistema.Suelen ser parecidos en todos los fabricante de motores a gasolina,sin embargo puede ser que en algún caso no estén todos en un motordeterminado1. Tanque o depósito de combustible: Es el elemento donde se guardael combustible2. Filtro de combustible: Es el principal filtro de combustible, tiene elp a s o m á s f i n o , p o r l o q u e g e n e r a l m e n t e e s e l q u e s e t i e n e q u e cambiar más habitualmente.3. Bomba de combustible: Es la que impulsa el combustible a cadacilindro con la presión adecuada para su pulverización en el cilindro.Hay muchos modelos y marcas de bombas de inyección.4 . L í n e a s d e c o m b u s t i b l e : S o n l a s t u b e r í a s p o r d o n d e c i r c u l a e l combustible en todo el circuito.5. Regulador de presión: Es el que se encarga de mantener la línea decombustible a una misma presión.6. Inyector: Son los elementos que pulverizan el combustible en laprecámara o cámara de combustión.
2.6 Motores de turbinas de gas Existen diversos equipos capaces de generar energía eléctrica que tienen su aplicación en las plantas de cogeneración: turbinas de vapor, turbinas de gas y motores de gas. Las últimas tendencias técnicas, económicas y medioambientales, han motivado que la
mayoría de las plantas de cogeneración están basadas en turbinas de gas o en motores de gas. TURBINAS DE GAS Una turbina de gas es una máquina capaz de producir por un lado potencia mecánica y por otro lado aportar una elevada cantidad de calor en forma de gases calientes y con un alto porcentaje en oxígeno, lo cual permite utilizarlos como aire de combustión en un quemador adicional y así elevar el nivel térmico de los gases.
El esquema elemental de una turbina de gas es el siguiente: El compresor de aire tiene por misión elevar la presión del aire de combustión (una vez filtrado) antes de que entre en la cámara de combustión. Esta compresión puede hacerse en una o varia etapas, y consume buena parte de la potencia producida por la turbina. En la cámara de combustión tiene lugar la combustión a presión del gas junto con el aire. Frecuentemente se necesita un compresor de gas para introducir éste a presión adecuada. Debido a las altas temperaturas que pueden alcanzarse en la combustión y para no reducir demasiado la vida útil de los elementos componentes de la cámara, se trabaja con exceso de aire elevado, con lo que se consigue por un lado reducir la temperatura de la llama y por otro lado refrigerar las partes más calientes de la cámara. La turbina de potencia es donde tiene lugar la conversión de la energía contenida en los gases de combustión (en forma de presión y temperatura elevada) a potencia mecánica (en forma de rotación de un eje, el llamado eje de potencia). Los gases que entran a la turbina de potencia a una temperatura de 1.000 – 1.200 ºC, salen a unos 500ºC y una presión ligeramente superior a la atmosférica. La velocidad de rotación del eje de potencia suele ser muy superior a la necesaria para el accionamiento de un alternador o de un compresor y suele necesitarse una caja reductora para reducir el número de revoluciones. El generador es el elemento que consume la energía mecánica aportada por la turbina y el que genera la corriente eléctrica. MOTORES DE GAS Los motores de gas son los equipos con el rendimiento de conversión de energía térmica a eléctrica más elevado en la actualidad. Sin embargo, el calor residual producido se encuentra distribuido entre distintas corrientes de fluidos a distintas temperaturas, lo cual hace más difícil su recuperación.
El esquema básico de un motor a gas para instalaciones de cogeneración es el siguiente: En la cámara de combustión tiene lugar la combustión de gas y aire mezclados. Tienen forma cilíndrica y en su interior existe un pistón móvil que realiza la aspiración del combustible y el aire por un extremo mientras que por el otro extremo cede la energía desprendida en la combustión al eje motor mediante un sistema bielamanivela. Una vez realizada la combustión, el pistón se desplaza para evacuar los productos de combustión. Generalmente se trabaja con un exceso de aire del 15-40% y la presión del gas a la entrada del regulador previo a la cámara es inferior a 2 bar. Esta presión es fácilmente asegurable por las compañías distribuidoras por lo que no suele precisarse compresión del gas. La función del generador es la conversión de energía mecánica en energía eléctrica. Una particularidad de los motores es su relativamente baja velocidad de rotación, lo cual hace posible un ensamblaje directo del eje motor al generador. Los circuitos de evacuación de fluidos y refrigeración son básicamente tres: evacuación de los gases de escape, refrigeración del motor y aceite de lubrificación. Éste último representa un porcentaje muy bajo de la energía desprendida. Normalmente la refrigeración del motor se realiza con agua y en función del nivel de temperaturas de la misma se pueden hacer tres grupos: • •
•
Refrigeración "clásica" en la que el agua entra a unos 70ºC y sale a 8590ºC hacia el enfriador. Refrigeración a alta temperatura donde, mediante presión, el agua llega a alcanzar temperaturas superiores a 100ºC (máximo 120ºC) sin cambio de fase. Refrigeración por ebullición: se consigue un enfriamiento más eficiente del motor al permitir una vaporización del agua a unos 120-125ºC, eliminando además la necesidad de bomba de recirculación ya que el sistema funciona por convección natural.