FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA
Contenido
1.
PROCESOS DE COMBUSTIÓN EN UN MOTOR DIESEL Y A GASOLINA ....................... 4 1.1 Ciclo ideal Otto ......................................................................................................................... 5 1.1.1 Tiempos del Ciclo Otto ...................................................................................................... 5 1.1.2 Ciclo termodinámico de Otto ............................................................................................. 6 1.1.3 Análisis termodinámico: Rendimiento teórico: (n T) .............................................................. 6 1.2 Ciclo ideal diésel ....................................................................................................................... 7 1.2.1 Tiempos del motor diésel ....................................................................................................... 7 1.2.2 Ciclo termodinámico diésel .................................................................................................... 8 Análisis termodinámico: RENDIMIENTO teórico: (n T) ................................................................ 8 1.3
Combustión real .................................................................................................................. 9
1.3.1 Método de estudio del problema .......................................................................................... 10 1.4
Ciclo de aire: ..................................................................................................................... 10
1.4.1
Ciclo de aire de volumen constante (Otto) .................................................................... 11
1.4.2
Ciclo de presión limitada (Dual – Diesel) ..................................................................... 14
1.4.3
Comparación de ambos ciclos ....................................................................................... 16
1.4.4
Termodinámica del medio aire-fuel .............................................................................. 20
1.4.4.1
El medio antes de la combustión ................................................................................... 21
1.4.4.2
El medio durante la combustión .................................................................................... 24
1.4.4.3
El medio luego de la combustión .................................................................................. 24
1.5
Equilibrio químico............................................................................................................. 25
1.6
Carta termodinámica para productos de combustión ........................................................ 25
1.PROCESOS DE COMBUSTIÓN EN UN MOTOR DIESEL Y A GASOLINA
1.1 Ciclo ideal Otto Este es el motor que diseñó el ingeniero Nicolaus Otto a mediados del siglo XIX, en nuestro país es más conocido como el motor a gasolina de cuatro tiempos, pueden utilizarse otros combustibles tales como alcohol, butano, propano, etc. 1.1.1 Tiempos del Ciclo Otto a) Tiempo de admisión (transformación isobara 0-1):
En este momento el pistón se encuentra en el PMS, se abre la válvula de admisión, se inicia el descenso del pistón hacia el PMI, entrando en el cilindro comburente más combustible mezclados. b) Tiempo de compresión (transformación adiabática 1 -2):
Cuando el pistón llega al PMI se cierra la válvula de admisión y el pistón inicia su ascenso hasta el PMS comprimiendo la mezcla, a expensas de un trabajo negativo W 1 . Al ser la transferencia adiabática no hay transferencia de calor. c)
Tiempo de combustión-expansión (transformación isocora 2-3, e isobara 1-0):
Cuando el pistón se encuentra próximo al PMS, se produce una chispa en la bujía, inflamando la mezcla y aumentando considerablemente la presión dentro del cilindro (Q 1 es el calor generado en la combustión). En este momento se inicia la única carrera útil del ciclo haciendo que el pistón pase desde el PMS al PMI. En la expansión se genera el trabajo positivo W 2. d) Tiempo de expulsión o escape: (transformación isocora 4-1 y adiabática 1-0)
Cuando llegue de nuevo al PMI se abre la válvula de escape provocando la evacuación de los gases quemados a la atmosfera, el resto de los gases son expulsados por el pistón en su ascenso al PMS. Cuando llega al PMS se cierra la válvula de escape y se abre la admisión iniciándose un nuevo ciclo con el descenso del pistón. PMS:
punto muerto superior, indica la máxima altura que puede alcanzar el pistón.
PMI:
punto muerto inferior, indica la mínima altura que puede alcanzar el pistón.
Carrera (L):
distancia que puede recorrer el pistón, es decir, la distancia que hay entre el PMS
y PMI. El trabajo neto W, producido el en ciclo: W=W2-W1
1.1.2 Ciclo termodinámico de Otto
Fig.1 Ciclo Otto 1.1.3 Análisis termodinámico: Rendimiento teórico: (n T) Considerando al motor como un sistema cerrado en un cilindro y un ciclo se cumplirá:
Por otra parte, si consideramos a la mezcla de aire más combustible como un gas ideal y estudiamos el trabajo producido en las diferentes transformaciones termodinámicas, obtendríamos la siguiente ecuación:
Ecuación conocida como la relación de compresión
Volumen total del cilindro, se obtiene cuando el pistón se encuentra en el PMI.
Volumen de la cámara de combustión, es el volumen del cilindro que queda cuando el pistón se encuentra en el PMS.
1.2 Ciclo ideal diésel Diésel es el nombre del ingeniero alemán que, a finales del siglo XIX diseñó el motor que lleva su nombre, en nuestro país es más conocido como el motor de gasoil de cuatro tiempos. 1.2.1 Tiempos del motor diésel a) Tiempo de admisión (transformación isobara 0-1):
En este momento el pistón se encuentra en el PMS, se abre la válvula de admisión, se inicia el descenso del pistón hacia el PMI, entrando en el cilindro comburente (aire). b) Tiempo de compresión (transformación adiabática 1 -2):
Cuando el pistón llega al PMI se cierra la válvula de admisión y el pistón inicia su ascenso hasta el PMS comprimiendo considerablemente el aire, esta compresión eleva la temperatura del aire. c)
Tiempo de combustión-expansión (transformación isobárica 2-3, y adiabática 1-0):
Cuando el pistón se encuentra próximo al PMS, por el inyector, se introduce el combustible a gran presión, produciéndose una explosión como consecuencia del calor desprendido en el roce del aire y del combustible, aumentando considerablemente la presión dentro del cilindro. En este momento se inicia la única carrera útil del ciclo haciendo que el pistón pase desde el PMS al PMI. d) Tiempo de expulsión o escape: (transformación isócora 4-1 e isóbara 1-0)
Cuando llegue de nuevo el pistón al PMI se abre la válvula de escape provocando la evacuación de los gases quemados a la atmosfera. El resto de los gases son expulsados por el pistón en su ascenso al PMS. Cuando llega al PMS se cierra la válvula de escape y se abre la admisión iniciándose un nuevo ciclo con el descenso del pistón.
Fig.2 Ciclo Diesel
1.2.2 Ciclo termodinámico diésel Análisis termodinámico: RENDIMIENTO teórico: (n T) Considerando al motor como un sistema cerrado, en un cilindro y un ciclo se cumplirá:
Por otra parte, si consideramos al aire como un gas ideal y estudiamos el trabajo producido en las diferentes transformaciones termodinámicas, obtendríamos la siguiente ecuación:
Coeficiente adiabático (γ)
Ecuación conocida cono relación de compresión:
Relación de combustión a presión constante
Volumen total del cilindro, se obtiene cuando el pistón se encuentra en el PMI:
Volumen de la cámara de combustión, es el volumen del cilindro que queda cuando el pistón se encuentra en el PMS.
1.3 Combustión real Hasta ahora hemos considerado un ciclo ideal en el desarrollo del proceso de combustión, pero esto no necesariamente se da en la realidad por ello en esta parte trataremos de analizar los inconvenientes, aproximaciones y limitantes en cada uno de los procesos termodinámicos en los motores diésel y a gasolina, pero para hacerlo surge la siguiente pregunta ¿cómo hacerlo? ¿Cómo analizar el proceso de combustión? El principal problema no es necesariamente las perdidas por fricción, que de por si se manifiesta en todo movimiento. El problema radica principalmente en la mezcla aire – combustible y en el proceso termodinámico a diferentes presiones. Por ello planteamos un método para tratar estos problemas.
1.3.1 Método de estudio del problema La mezcla de aire-combustible usada como medio que trabaja en un motor de combustión interna, está sujeta a cambios químicos, térmicos y mecánicos durante el pasaje de la misma a través del motor. Para analizar cuantitativamente este fenómeno complejo, se han ideado una serie de aproximaciones, comenzando con una concepción muy simplificada del mismo y corrigiéndola paso a paso por los diversos puntos de diferencia con la realidad. El método de estudio se indica en la figura siguiente:
Fig.3 Método de estudio de la combustión real
1.4
Ciclo de aire:
Ciclos usando “gas perfecto” como medio que evoluciona, son útiles en el estudio de los
motores de combustión interna por 2 razones:
a) Representan un límite en el cual el ciclo real puede ser aproximado. b) Permiten un tratamiento matemático simple del problema.
Un gas perfecto teórico cumple con las leyes de Boyle y Charles teniendo además calores específicos constantes. Desde que el medio en el ciclo real de los motores de combustión interna está formado básicamente por aire, se asumirá que el medio en el ciclo de aire posee las constantes del aire.
Por tanto: pV= mR T g
U= c T v
Rg (aire) = 29.3 m/°K
H =c p T
Para aire a temperatura ambiente: Cp = 0.24 kcal/kg°C Cv = 0.171 kcal/kg°C En un proceso adiabático reversible, se cumple que: pvk = cte
k = cp/cv =1.41 para el aire
Tvk−1 = cte
1.4.1
Ciclo de aire de volumen constante (Otto)
Fig.4 Ciclo de aire a volumen constante
Es el que más se aproxima al motor a nafta. Si llamamos W al trabajo del ciclo, se puede escribir:
Sea η el rendimiento del ciclo, éste está dado por:
Por ser procesos adiabáticos reversibles, se cumple además: Sustituyendo y operando en (1):
El rendimiento de un ciclo de este tipo depende únicamente de r y varía de 0.45 para r =4 a 0.70 , para r = 20.
Una variable de interés es la m.e.p. (presión media efectiva), que es la presión que trabajando contra un cambio de volumen V 1-V2 realiza el trabajo W.
Si se grafica m.e.p., η y m.e.p./pmáx en función de r, realizando ciclos con quema
estequiometria de combustible, se logra:
Fig. 5 Variación de la eficiencia 1.4.2 Ciclo de presión limitada (Dual – Diesel) Para evitar altas presiones máximas, algunos motores operan en un ciclo, el cual aproxima como límite al “ciclo de presión limitada” o “ciclo mezclado” como se indica en la figura.
Fig. 6 Ciclo de presión limitada El ciclo es similar al de volumen constante, excepto que la adición de calor a volumen constante se hace hasta que se llega a una presión determinada. El resto de calor es suministrado a presión constante. El ciclo de presión constante (ver figura), donde todo el calor es suministrado a presión constante, es un caso especial de éste y es el que mejor aproxima al motor de baja velocidad de encendido por compresión. Para el ciclo dual:
1.4.3 Comparación de ambos ciclos Para comparar los ciclos que acabamos de examinar, es necesario tomar como referencia algunos de los factores de cuyo valor dependen la forma y superficie del, como son: la relación de compresión, la presión máxima, la cantidad de calor suministrado, la de calor sustraído y el trabajo útil. En la figura siguiente se han trazado las curvas de las variaciones de rendimiento
térmico ideal al variar la relación de compresión para los ciclos Otto y Diesel. Para el ciclo Diesel se ha elegido una relación de combustión a presión constante r I = 2.
Fig.7 Rendimiento térmico vs. relación de compresión
Como se ve en la figura, los rendimientos térmicos de los ciclos teóricos crecen al aumentar la relación de compresión. Para una determinada relación de este tipo, el ciclo Otto da mayor rendimiento, mientras el ciclo Diesel resulta de rendimiento menor. Hay que considerar, sin embargo, que para los motores Diesel, la relación de compresión varía entre 14 y 22, en tanto que, para los motores de encendido por chispa, no rebasa por lo general, el valor de 10, con objeto de evitar el fenómeno de detonancia, que consiste en un autoencendido y una combustión anticipada y como consecuencia una onda de choque que golpea al pistón y reduce la potencia del motor.
En la segunda figura se comparan en coordenadas P – V y T – S los tres ciclos, a igualdad de relación de compresión y de cantidad de calor suministrado. Todos los ciclos comienzan en la misma condición 1 y tiene la misma compresión adiabática de 1 a 2. Con objeto de que la cantidad de calor suministrada sea la misma en los dos casos, las superficies en coordenadas T – S, 2 3 5 6 2 (Otto) y 2 3’ 5’ 6 2 (Diesel) deben ser iguales. Teniendo en cuenta que el calor se
sustrae al mismo volumen, según la línea de transformación entre los estados 4 y 1, la cantidad de calor sustraído está representada, para cada ciclo, por la propia superficie debajo de la línea 4 – 1 en el diagrama T – S. Como el calor suministrado es el mismo para cada ciclo, resulta que el
ciclo de mayor rendimiento térmico es aquel en el cual se sustrae menor cantidad de calor, es decir, el ciclo Otto, para el cual la superficie que representa la cantidad de calor sustraído está definida en coordenadas T – S por los puntos 4 5 6 1 4.
Fig. 8 Ciclos teóricos
Hay que observar que la presión y temperatura máxima en el ciclo Otto es bastante más elevada que en el ciclo Diesel. Aunque esta comparación es puramente teórica, sirve para demostrar que el ciclo que proporciona la mayor expansión del fluido después de la fase de introducción del calor es el de rendimiento más alto. Indicaremos para los diversos ciclos con r E la relación entre los volúmenes al final de la carrera de expansión y al final de la fase de introducción del calor. Para el ciclo Otto resulta:
Mientras que para el ciclo Diesel tenemos:
Si multiplicamos y dividimos por el V 2:
Podemos, por tanto, admitir la relación de expansión así definida como el índice del rendimiento de los ciclos. En la figura siguiente, la comparación entre los ciclos teóricos Otto, Diesel está hecha a igualdad de presión máxima y de cantidad de calor suministrado. En estas condiciones las superficies 2 3 5 6 2 (Otto) y 2’ 3’ 5’ 6’ 2’ (Diesel) deben ser iguales. El ciclo Diesel es aquel
en el cual se sustrae la menor cantidad de calor, y como la superficie que representa el calor sustraído es 4 5 6 1 4, resulta, por ello, que en estas condiciones el ciclo Diesel es el de mayor rendimiento. También en este caso es evidente que el ciclo que permite la mayor expansión del fluido después de la combustión es el que tiene el rendimiento térmico más elevado.
Fig. 9 Comparación entre ciclos.
Fig.10 Eficiencia Vs. relación de compresión 1.4.4
Termodinámica del medio aire-fuel
Antes de estudiar el ciclo del motor de combustión interna con el fluido real, es necesario considerar cómo difieren las propiedades termodinámicas de este fluido con aquellas de los gases perfectos, estudiados hasta ahora. En realidad, los gases reales difieren en todas sus características termodinámicas de los gases perfectos. Sus calores específicos no son constantes, las variaciones de presión volumen- temperatura no pueden ser representadas por la ecuación de estado de los gases perfectos. En el caso de los motores de combustión interna, los gases que evolucionan tienen características termodinámicas cambiantes y complicadas debido a reacciones químicas que ocurren durante el ciclo de trabajo. A los efectos de simplificar el problema, es conveniente considerar las características del medio en 3 fases diferentes:
a) Antes de la combustión b) Durante la combustión c)
Después de la combustión
1.4.4.1 El medio antes de la combustión La composición del medio es la siguiente: aire, gases residuales del ciclo anterior, y en el caso del motor Otto, hay presencia de combustible en forma líquida o gaseosa. Puede considerarse, a efectos de estudio de ingeniería, al aire compuesto por 21% de O 2 y 79% de N2 (porcentajes en volumen), con un peso molecular de 28.8.
En cuanto a combustibles, la mayoría tienen origen en el petróleo, esto es, son mezclas de hidrocarburos. La composición promedio de la nafta puede considerarse como octano C 8H18 y la del combustible Diesel como C 16H34.
Definiciones:
F : relación de masa de combustible a aire seco (kg fuel/kg aire seco) Fq : relación estequiometria F a = F/F q : riqueza (fracción de la relación estequiometria)
f : fracción másica de gas residual (se define como la relación de masa de gases Residuales a masa de aire + combustible + gases residuales) h : relación en masa de vapor de agua respecto a la masa de aire seco (kg agua/kg aire seco) M : masa total = aire + fuel + gases residuales + vapor de agua
El número de moles es N:
Peso molecular de la mezcla:
Cambios de composición.- Durante la compresión aparece alguna reacción entre el combustible y el O2 y cracking a medida que aumenta la temperatura y la presión. Estos cambios son totalmente despreciables en esta carrera.
Ecuación de estado.- Se sigue cumpliendo pV = NRT . La única porción de mezcla que no cumple esta ecuación es el combustible en o cerca de la fase líquida pero es despreciable.
Calor específico.- Aparece una diferencia entre la mezcla combustible-aire y la de un gas perfecto: el primero crece a medida que aumenta la temperatura. Existen tablas para determinar los calores específicos en función de la temperatura.
Recordar K = Cp-Cv Cp-Cv = mR/J para gases perfectos
Donde: R = constante universal de los gases m = peso molecular J = equivalente mecánico del calor (778 lb-ft/BTU) Cartas termodinámicas de la mezcla aire-combustible Estos diagramas muestran las propiedades termodinámicas de la mezcla aire-combustible (aireoctano) y un 10% en peso de mezcla residual, para F r , Fa. La base del diagrama es 1+F lb de gas. En general, el porcentaje de gases residuales es diferente de 10% pero debido a la apreciación de las tablas no produce errores.
Variables de las cartas: a) p, V, T b) Es (energía interna sensible, sobre la contribución de energía química) c)
Hs (entalpía sensible)
d) Ss (entropía)
Estas cartas también se pueden utilizar con otras riquezas, y para ciclos Diesel, que tienen mezcla de aire y gases residuales.
1.4.4.2 El medio durante la combustión Es tan cambiante que es imposible hacer un ábaco o carta. 1.4.4.3 El medio luego de la combustión Los combustibles están compuestos por C, H, O y reaccionan con el aire. La manera que entran en combustión y los productos finales dependen no sólo de las proporciones antes de la combustión sino también de la temperatura y presión y el grado de equilibrio al que se llega.
1.5 Equilibrio químico En las reacciones no se llega a consumir nunca un reactivo sino que se llega a un equilibrio. La proporción de productos que aparecen en la reacción depende además de la proporción de los reactivos, de la presión y de la temperatura a la cual se lleva a cabo la reacción. En general, las reacciones exotérmicas son más completas a bajas temperaturas que a altas temperaturas donde aparece el fenómeno de disociación.
Con mezclas de aire-combustible, pueden aparecer cantidades significativas de CO 2,H2O, N2, O2, CO, H2, OH, H, O, NO, SO2, entre otras.
De la cinética química sabemos que: wA + xB ↔ yC + zD Existe
k = constante de disociación (depende de la temperatura T)
Esto se aplica a productos de combustión. Existen tablas que dan k. Con los coeficientes de equilibrio, es posible hallar (dada la temperatura de equilibrio) la composición y productos de combustión.
Cambio del número de moléculas.- El mayor cambio viene en la combustión y a medida que varía la temperatura varía la cantidad de moléculas por disociación. (T ↑ ↔ Nº moléc ↑)
1.6
Carta termodinámica para productos de combustión
Además de los coeficientes de equilibrio y calores específicos es posible calcular las propiedades termodinámicas de los productos de combustión de una mezcla de aire combustible en equilibrio químico. Este trabajo fue realizado por Hershey, Eberhardt y Hottel.
De la ecuación:
La relación estequiometria es:
Variables de la carta: a) Entalpía b) Entropía c)
Energía interna sensible
d) Energía interna (sensible +química):
La energía interna, es el calor liberado debido a la conversión, a volumen constante, de la mezcla desde una condición (temperatura) y una composición hasta CO 2, H2O vapor, O2, N2 a la temperatura base de 60°F.
Para calcularlas el mejor camino es enfriar la mezcla a volumen constante hasta la temperatura de 60°F y obtener la energía sensible. Luego dejar reaccionar la mezcla a temperatura y volumen constante para producir CO 2, H2O vapor, O2, N2.
El calor liberado en la 2ª etapa es el calor de combustión. La diferencia que se da en E y Es a bajas temperaturas es debido a la falta de aire para quemar el CO y H2 (es el calor de combustión de esos 2 productos). Sólo se da a bajas temperaturas.
2. BIBLIOGRAFIA http://www.maquinariapro.com/maquinarias/termostato.html “Termostato” David Scott, "World's Fussiest Car Factory", Popular Science, p. 97, (Mayo 1960) “Radiador ” https://www.ro-des.com/mecanica/radiador-coche-que-es-y-la-funcion/ “Imagen radiador y bomba de agua” http://megadiesel.blogspot.pe/2008/08/tipos-de-radiadores-mangueras-de.html “Mangueras de Conexión” http://www.pruebaderuta.com/partes-sistema-refrigeracion.php “Ventilador” https://www.deere.com/es_LA/services_and_support/tips/engines/air_intake_system_engine/air_inta ke_system_engine.page
