CICLOS IDEALES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Introducción.- El Introducción.- El calor proveniente dela combustión de un combustible en presencia de aire se transforma en trabajo en el interior de un cilindro, por esta razón a estos motores se los denomina motores de combustión interna. Los M.C.I. (motor de combustión interna) consume combustible de los siguientes tipos: gasolina, diésel, gas natural y gas licuado (derivados del petróleo), además se utiliza como combustible para estos motores alcohol. Los motores de combustión interna tienen aplicación muy grande en los siguientes campos: automotores y vehículos de todo tipo; como motores impulsores en ferrocarriles y la navegación marítima; para accionar diferentes tipos de máquinas (bombas, compresoras, etc); en el campo agrícola para muchos fines, en el campo de la minería, etc, etc. Se conocen dos tipos de motores de combustión interna: los alternativos y los rotativos. Entre los motores alternativos tenemos el motor OTTO y el motor DIESEL. El motor OTTO recibe también los nombres: motor a gasolina, motor a explosión, motor de encendido por bujía o chispa, etc. El motor DIESEL también se lo denomina como motor de encendido por compresión. El motor de pistón rotativo tipo WANKEL no ha podido imponerse en el campo automotor debido a su baja potencia, pero una de sus ventajas es el tamaño reducido del motor. El motor OTTO fue inventado por Nikolaus August Otto de origen alemán en el año de 1875 (motor de cuatro tiempos). El motor diesel fue inventado por Rodolfo Diesel en el año de 1873 de origen alemán. El motor Wankel fue inventado por el ingeniero alemán Wankel en el año 1960. El motor de dos tiempos fue inventado por Dugal Clerk el año 1881 (escoces). Ciclo de cuatro tiempos.- En tiempos.- En un motor de combustión interna se produce un ciclo de 4 tiempos para 4 carreras de pistón o émbolo y dos vueltas del eje cigüeñal. Estas carreras son: carrera de admisión, carrera de compresión, carrera de trabajo y carrera de escape. Entre estas carreras debemos incluir un proceso de combustión.
1-Carrera de admisión: en esta fase el descenso del pistón aspira la l a mezcla aire combustible
en los motores los motores de encendido provocado o el aire en motores en motores de encendido por compresión. La compresión. La válvula de escape permanece cerrada, mientras que la de admisión está abierta. En el primer tiempo el cigüeñal gira 180º y el árbol de levas da 90º y la válvula de admisión se encuentra abierta y su carrera es descendente. 2-Carrera de compresión: al llegar al final de carrera inferior, la válvula de admisión se cierra,
comprimiéndose el gas contenido en la cámara por el ascenso del pistón. En el 2º tiempo el cigüeñal da 360º y el árbol de levas da 180º, y además ambas válvulas se encuentran cerradas y su carrera es ascendente. 3-Carrera de explosión/expansión: explosión/expansión: al llegar al final de la carrera superior el gas ha alcanzado la
presión máxima. En los motores de encendido provocado o de ciclo de ciclo Otto salta la chispa en la bujía, provocando bujía, provocando la inflamación de la mezcla, mezcla , mientras que en los motores diésel, se inyecta a través del inyector del inyector el combustible muy pulverizado, que se autoinflama por la presión pr esión y temperatura existentes en el interior del cilindro. En ambos casos, una vez iniciada la combustión, esta progresa rápidamente incrementando la temperatura y la presión en el interior del cilindro del cilindro y expandiendo los gases que empujan el pistón. Esta es la única fase en la que se obtiene trabajo. obtiene trabajo. En En este tiempo el cigüeñal gira 180º mientras que el árbol de levas da gira, ambas válvulas se encuentran cerradas y su carrera es descendente. 4 –Carrera de escape: en esta fase el pistón empuja, en su movimiento ascendente, los gases g ases
de la combustión que salen a través de la válvula de escape que permanece abierta. Al llegar lleg ar al punto máximo de carrera superior, se cierra la l a válvula de escape y se abre la de admisión, reiniciándose el ciclo. En este tiempo el cigüeñal gira 180º y el árbol de 90º . Ciclo OTTO.- Es un ciclo termodinámico que sirve como base de comparación para los motores Otto. Este ciclo esta compuesto por los siguientes procesos: 2 procesos a presión constante, 2 procesos isentrópicos y dos procesos a volumen constante. En las figuras siguientes mostramos el ciclo Otto en sus diagramas presión-volumen pr esión-volumen y temperatura-entropía.
A continuación explicamos el ciclo Otto y sus respectivos procesos termodinámicos, indicando además la correspondiente comparación con el funcionamiento del motor Otto. 0-1.- Proceso a presión constante con aumento de volumen manteniéndose también la temperatura constante (carrera de admisión). 1-2.- Proceso isoentrópico de compresión con aumento de presión y temperatura y disminución de volumen (carrera de compresión). 2-3.- Proceso a volumen constante con aumento de presión y temperatura en el que se suministra calor Q A (proceso du combustión). 3-4.- Proceso isoentrópico de expansión con disminución de presión y temperatura y aumento de volumen (carrera de trabajo). 4-1.- Proceso a volumen constante con disminución de presión y temperatura t emperatura en el que se rechaza calor Q R (apertura de la válvula de escape). 1-0.- Proceso a presión y temperatura constantes con disminución de volumen (carrera de escape). Para el análisis de un ciclo es necesario conocer el trabajo del ciclo, los calores suministrados y rechazados en el mismo para luego expresar el rendimiento térmico del ciclo que nos permite evaluar la producción del ciclo (trabajo) y el consumo de energía en el ciclo (calor añadido). Calcularemos el calor suministrado o añadido y el calor rechazado en el ciclo, vemos que estos se producen en procesos a volumen constante. Entonces recordemos el concepto de c alor específico a volumen constante cuando se suministra calor a un sistema sin flujo.
=∆ 1 = 2 = = 3 =∑= 4 = 5 = 1 6
El rendimiento térmico será:
La ecuación (6) que expresa el rendimiento del ciclo debe expresarse en función de otros parámetros más manejables y una de ellas es la l a relación de compresión. Relación de compresión (radio de compresión).- La relación de compresión es el cociente de los volúmenes de compresión 1 y 2 es decir:
= > 1 7 ó Expresemos por lo tanto la ecuación (6) en función de la relación de compresión utilizando las relaciones isoentrópicas en los procesos 1-2 y 3-4.
= − = − 8 = −1 10 = − = − 9 =1 = 1 −1 11 Según la ecuación (11) el rendimiento térmico del ciclo OTTO aumenta si aumenta la relación de compresión y disminuye si disminuye la relación de compresión. Además del rendimiento térmico ideal en los motores Otto deben considerarse los rendimientos térmicos al freno e indicador. Estos rendimientos se expresan en la siguiente forma. Rendimiento térmico al freno
Rendimiento térmico indicado
= 1 = 2
Dividiendo miembro a miembro las ecuaciones (1) y (2)
= = 3
Rendimiento mecánico Trabajo que se obtiene en el el eje del motor motor Trabajo real que realiza los gases en el interior del del cilindro
Rendimiento de Máquina o de motor.- Se conocen dos rendimientos de máquina o de d e motor: rendimiento de máquina o de motor al freno ηb que es igual a la relación del trabajo del freno sobre el trabajo ideal.
=
(4)
El rendimiento de máquina o de motor indi cado ηi es la relación del trabajo indicado y el trabajo ideal. ηi =
(5)
en (4) dividiendo m/m entre Q A
η = = = × (6) b
En (5)
= = = × (7) i
El rendimiento térmico al freno puede calcularse también en función del consumo específico de combustible y el poder calorífico del combustible. El poder calorífico de un combustible es la cantidad de calor que se desprende en una combustión completa cuando se quema un kilogramo de combustible. Se reconocen dos poderes caloríficos (Q h y Q l). Q h es el poder calorífico superior del combustible y Q l es el poder calorífico inferior del combustible llamado también poder calorífico neto del combustible y por esta razón se utiliza este poder calorífico. El poder calorífico también se conoce como potencia calorífica del combustible, contenido energético de un combustible etc. El gasto o consumo específico de combustible es igual a la cantidad de combustible que consume un motor por unidad de energía expresada exp resada en kwh 1 kwh = 3600 kJ Entonces el rendimiento térmico al freno será:
/ℎ = ̇ ∙ ∙
(8)
̇ ̇
gasto específico de combustible
ℎ ̇ = ̇ ℎ ̇ = ̇ ∙ = ⁄ ∙
poder calorífico del combustible
gasto o consumo de combustible
ó
(9)
;
.- Potencia al freno (10)
⁄
relación combustible-aire
En (3)
= = = =∙ =∙ =∙
(11)
(12) (13)
(14)
.- presión media al freno
.- presión media indicado
Dividiendo (13) entre (14)
= = (15) = Relación del espacio muerto o de la cámara de combustión.- Esta relación designada por la letra c y expresada en porcentaje es el cociente del volumen de la cámara de combustión y la cilindrada o volumen de desplazamiento de cada cilindro es decir:
= ×100 ; =∙ =
(1)
en fracción de unidad (2)
Relacionamos c con rk Sabemos que
=
= = ∙+
(3)
(3) en (2)
= ∙∙ = 1 = + ∙=1 1 = 1 (4)
= −
(5)
Rendimiento Volumétrico.- El rendimiento volumétrico de un motor de combustión interna es
la relación de la masa de aire que entra al motor en funcionamiento y la masa de aire que esta contenida en el volumen de desplazamiento en las condiciones de laboratorio y se designa por la letra .
,
= ,
condiciones de laboratorio
= ̇ ̇ ∙ = ̇ ×∙ ̇ = ∙∙
Tamaño del motor.- El tamaño del motor prácticamente está definido por dos parámetros
diámetro (alesaje) y carrera, que puede determinarse a partir dela potencia al freno del motor llamada también potencia en el eje, potencia efectiva, o potencia útil. En todas las máquinas se cumple que a mayor potencia el tamaño del motor aumenta y a menor potencia dicho tamaño disminuye. Para el diseño y calculo de un motor principalmente entonces se parte dela potencia (dato de partida). La expresión de potencia al freno viene dada por:
= ∙ 1 10
presión media al freno (presión media efectiva)
carrera
A
Sección transversal interior del cilindro
cilindro N
= ∙
; donde D diámetro interior del
número de ciclos por minuto minuto (cpm)
= 2∙∙ 2
z
número de cilindros
n
velocidad de rotación del eje cigüeñal
tiempos del motor
= 4 = 2
Además es necesario conocer la velocidad media del pistón que es igual a:
En motores Otto
=2∙∙ [] =730850 [] =1,051,25 =610
Relación aire-combustible.- Para una buena combustión se requiere aproximadamente de 15 kg de aire para 1 kg de combustible para combustibles de motores Otto (gasolina), esta relación se indica por:
⁄ =15 Existe también la relación inversa combustible-aire
⁄ = 151 Cuando la mezcla (aire-gasolina) tiene valores por encima de 15 entonces decimos que la mezcla es pobre, y si la mezcla tiene valores por debajo de 15 la mezcla es rica.
CICLO DIESEL El ciclo ideal DIESEL nos sirve para comparar con los ciclos reales de estos motores. Este ciclo esta formado por tres procesos a presión constante, dos procesos isentrópicos y un proceso a volumen constante. En las siguientes figuras mostramos el ciclo diesel en sus diagramas presión – volumen y temperatura – entropía.
A continuación explicamos los procesos termodinámicos del ciclo y los relacionamos con el funcionamiento del motor haciendo la comparación respectiva. 0 – 1.- Proceso a presión constante y temperatura constante con aumento de volumen (carrera de admisión donde solamente se admite aire). 1 – 2.- Proceso isoentrópico de compresión con aumento de presión y temperatura y disminución de volumen (carrera de compresión, donde se comprime solamente aire). 2 – 3.- Proceso a presión constante con aumento de temperatura y volumen en el cual se suministra calor al ciclo (combustión, cuando el pistón se encuentra en el punto muerto superior mediante el inyector se introduce a la cámara de combustión diesel atomizado que con el aire ya comprimido se forma la mezcla y seguidamente seguidamente por la alta temperatura temperatura en el interior de la cámara de combustión se inicia la combustión. Que dura hasta cuando se deja de inyectar). 3 – 4.- Proceso isoentrópico de expansión con disminución de presión y temperatura y aumento de volumen (carrera de trabajo). 4 – 1.- Proceso a volumen constante con disminución de presión y temperatura en el cual se rechaza calor (apertura de la válvula de escape). 1 – 0.- Proceso a presión constante y temperatura constante con disminución de volumen (carrera de escape). A continuación determinamos el calor suministrado ó añadido en el ciclo y el calor rechazado en el mismo.
= ∫ = 1 = ∫ = =
2 == 3
El rendimiento térmico del ciclo será:
= = = 1 = 1 1 ∙ 4 Siendo la ecuación (4) no muy practica es necesario expresarla en función de otros parámetros, estos parámetros son la relación de compresión r k y el grado de admisión de combustible denominado r c.
GRADO DE ADMISIÓN DECOMBUSTIBLE
Donde se inyecta
= >1 5
El grado de admisión de combustible nos indica si tiene valores altos que la admisión de combustible es mayor y si tiene valores bajos la admisión de combustible menor.
= ; Escribimos las ecuaciones isoentrópicas respectivas
= − = − 6 ↔ = − 6′ = − 7 = − 7 ↔ = − = − = −−∙ ∙1 ∙ − En el proceso 2-3
∙ = ∙ ⟹ = = 8 = ∙ = − ∙ ∙ 9 = ∙ 10 (6’) (9) y (10) en (4)
∙ 1 = 1 ∙ − ∙ ∙ − 1 1 = 1 ∙ − 1 1) ( 1 = 1 − 1 11
En la ecuación (11) para una determinada relación de compresión del motor, hacemos variar el grado de admisión (mayor o menor inyección de combustible). Para un mayor grado de inyección de combustible el rendimiento térmico disminuye, a menor grado de admisión de combustible el rendimiento aumenta. Pero a mayor grado de admisión obtenemos mayor potencia del motor y a menor grado de admisión menor potencia del motor. La inyección del combustible para no producir mala combustión y humos densos con olor desagradable en el escape, debe efectuarse dicha inyección máximo con 10% de la carrera desde el punto muerto superior.
La relación de compresión podemos también expresarla en función del grado de admisión de combustible y la relación de expansión
= = 12 = ∙ = ∙ = ∙ 13
