UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL CARMEN
DEPENDENCIA ACADÉMICA DE CIENCIAS QUÍMICAS Y PETROLERAS (DACQYP)
FACULTAD DE QUÍMICA
CURSO: PROCESO DE BOMBEO Y COMPRESIÓN DE HIDROCARBUROS
TRABAJO: MOTORES RECIPROCANTES DE COMBUSTIÓN INTERNA
PROFESOR: ING. JUAN ALMANZA MOSQUEDA
ALUMNA:
MAYRA LI LIANG
CIUDAD DEL CARMEN, CAMPECHE, A 29 DE AGOSTO DE 2016.
Contenido
INTRODUCCIÓN.......................................................................................................3 MOTORES RECIPROCANTES.................................................................................3 CICLO OTTO (NIKOLAUS A. OTTO 1876)...............................................................4 CICLO DE DIESEL (RUDOLF DIESEL 1893)...........................................................6 PARÁMETROS DE LA MÁQUINA.............................................................................7 MOTOR ROTATORIO................................................................................................9 COMBUSTIBLES.....................................................................................................10 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................................11
INTRODUCCIÓN
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La gran mayoría de la maquinaría de transporte es movida por motores de combustión interna. Actualmente, la construcción de esos motores para vehículos, lanchas, aeroplanos, trenes, máquinas pesadas, excavadoras y barcos, lo mismo que para pequeñas plantas de energía, constituye una de las más grandes industrias en el mundo. Solo una pequeña parte de la maquinaria mencionada es accionada por otro tipo de motores, tales como motores eléctricos y de combustión externa, por ejemplo motores de vapor o de gas. Lo anterior justifica la gran importancia que tiene el desarrollo de los motores de combustión interna, mismo que se manifiesta en el aumento de coeficientes de rendimiento, de la vida útil, potencias, seguridad de funcionamiento en diversas condiciones de trabajo, etc. Generalmente se distinguen tres tipos principales de motores de combustión interna: 1. Motores de cuatro tiempos. 2. Motores de dos tiempos. 3. Turbinas de gas. En los motores de cuatro y dos tiempos se distingue:
Motores encendidos por chispa producida por bujía (conocidos como motores ECH) Motores encendidos por compresión o por autoencendido del combustible (conocidos como motores EC)
Cada uno de los distintos tipos de motores tienen su modo propio de funcionamiento y ha recibido el nombre de los ingenieros que le dieron forma y aplicación práctica industrial a los principio de funcionamiento. Así, los motores encendidos por chispa (ECH) reciben el nombre “Motores de Otto”, mientras que los motores encendidos por compresión (EC) son más conocidos como “Motores Diesel”, sin hacer diferencias según el número de tiempos.
MOTORES RECIPROCANTES Un motor reciprocante o también conocido como motor de movimiento alternativo es un motor que utiliza uno o más pistones con el fin de convertir la presión en movimiento de rotación. Utilizan el vaivén (arriba y abajo) de movimiento de pistones para convertirla en energía.
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Todos los tipos de motores tienen uno o más pistones, que siguen el ciclo de cuatro tiempos. Su funcionamiento es el siguiente: 1. Para comenzar el ciclo, una mezcla de combustibles se introduce en el interior del cilindro a través del orificio de admisión, la ampliación del pistón a la parte inferior del cilindro. 2. El pistón es empujado entonces hacia arriba, comprimiendo la mezcla de combustible y encendiéndolo a través de la bujía 0. 3. El encendido empuja el pistón hacia abajo para proporcionar trabajo útil para el motor. 4. Los residuos químicos obtienen una salida a través de la lumbrera de escape y el ciclo se repite.
CICLO OTTO (NIKOLAUS A. OTTO 1876) Este motor, también conocido como motor Otto, es el más empleado en la actualidad, y realiza la transformación de energía calorífica en mecánica fácilmente utilizable en cuatro fases. Es la base del motor encendido por chispa y su proceso es el siguiente:
Se abre la válvula de admisión, el émbolo inicia la carrera de aspiración. Es un evento mecánica ya que el gas no modifica sus propiedades termodinámicas. Se cierra la válvula de admisión y se inicia la carrera de compresión. Es el primer proceso termodinámica, que viene a ser una compresión adiabática, por ser tan rápida no da tiempo a que se establezca la transmisión de calor. Cuando el émbolo llega al punto superior, salta la chispa de la bujía incendiando la mezcla aire-combustible. Es el segundo proceso termodinámico que consiste en transmisión de calor al sistema cuando el gas mantiene su volumen constante. Después que se ha encendido la mezcla aire-combustible y se ha elevado la presión y la temperatura, se inicia la carrera de potencia. Es el tercer proceso termodinámico que es esencialmente una expansión adiabática. Cuando el émbolo está en el punto inferior se abre la válvula de escape dando lugar a un descenso en la presión y la temperatura del sistema. Es el cuarto proceso termodinámico que viene a ser una transferencia de calor al medio ambiente, manteniendo el volumen del sistema constante. Una vez abierta la válvula de escape, se inicia la carrera de expulsión de los gases productos de la combustión. Es un evento mecánico ya que como 4
se dijo en el primer punto no existen modificaciones de las propiedades del gas. La sustancia de trabajo es un gas ideal (mezcla de aire-combustible): Proceso 1-2 Compresión adiabática (entropía constante).- Se proporciona trabajo al sistema. Proceso 2-3 Combustión a volumen constante.- Se suministra calor al sistema. Proceso 3-4 Expansión adiabática (entropía constante).- El sistema entrega trabajo. Proceso 4-1 Transmisión de calor del sistema al medio ambiente a volumen constante.
La llamada chispa existente en los motores Otto es provocada debido al paso de una corriente eléctrica entre dos electrodos. Los combustibles utilizados son gaseosos en algunos casos y más comúnmente hidrocarburos con fácil evaporación; por lo que deben ser ligeros y altamente inflamables. El dispositivo capaz de producir la ignición es llamado bujía y consiste en un conductor fijado a la pared superior de cada cilindro. Su función principal es el control del paso de la corriente y, por ende, la producción del arco eléctrico causante de la chispa. De esta forma, la bujía ayuda en los problemas relacionados a la vida útil poco duradera de los componentes de la cámara de combustión, actúa como disipador del calor de la cámara y reduce el riesgo de una explosión cuando no quiera ser producida.
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Como inconveniente, este tipo de motores se limitan a valores de relación de compresión que varían de 6 a 10 dentro del cilindro, ya que al alcanzar grandes presiones se corre el riesgo de una explosión espontánea del fluido activo.
CICLO DE DIESEL (RUDOLF DIESEL 1893) El motor de Diesel de cuatro tiempos tiene una estructura semejante a los motores de explosión, salvo ciertas características particulares. El pistón desarrolla cuatro carreras alternativas mientras el cigüeñal gira 720°. Como el motor de ciclo Otto realiza el llenado y evacuación de gases a través de dos válvulas situadas en la culata, cuyo movimiento de apertura y cierre está sincronizado con el cigüeñal a través del sistema de distribución por el árbol de levas. Este motor funciona con un ciclo muy parecido al de Otto, siendo sus diferentes esenciales las siguientes:
En el motor de Diesel se suministra aire en lugar de la mezcla airecombustible. El motor de Diesel no utiliza bujías, incendiándose el combustible por la elevación de temperatura ocasionada por una alta compresión. El suministro de calor se efectúa a presión constante y no a volumen constante como en el ciclo de Otto.
Al igual que en el ciclo de Otto, las carreras de admisión y escape (barrido de los gases producto de la combustión) son eventos mecánicos y no procesos termodinámicos, ya que el gas contenido en la cámara de combustión no sufre alteraciones en sus propiedades termodinámicas. En el ciclo de Diesel los procesos señalados se consideran reversibles y la sustancia de trabajo es un gas ideal: Proceso 1-2 Compresión adiabática (entropía constante).- Se proporciona trabajo al sistema. Proceso 2-3 Transmisión de calor al sistema a presión constante. En este proceso varía el volumen del sistema, ya que se inyecta combustible. Proceso 3-4 Expansión adiabática (entropía constante). El sistema entrega trabajo. Proceso 4-1 Transmisión de calor del sistema al medio ambiente a volumen constante, esto ocurre cuando se abre la válvula de escape. 6
PARÁMETROS DE LA MÁQUINA En todos los motores de émbolo reciprocante, éste llega necesariamente a una completa inmovilidad en dos posiciones particulares del cigüeñal antes de invertir la dirección de su movimiento. Estas posiciones se llaman:
Punto muerto inferior (PMI) Punto muerto superior (PMS)
Hay otros parámetros empleados en la ingeniería de motores de émbolo reciprocante. Ellos son los siguientes: I.
II. III.
Desplazamiento D; es el volumen barrido por el émbolo en una carrera. Cuando un motor tiene n cilindros se dice que la capacidad cúbica del motor es igual a n·D (cm3). Volumen de compresión c; es el volumen de la cámara de combustión o el volumen de los gases comprimidos en cm 3. La relación de compresión (o de expansión); está dada por la ecuación rv=
c+D c
y se escribe en la forma 7:1, 8.5:1, 9.8:1, etc. La mayoría de los
motores ECH tiene esta relación entre 7.5:1 y 9.0:1. Además existen factores mecánicos y térmicos de funcionamiento de los motores que son: 1. Potencia indicada (ihp); es la potencia total desarrollada por el motor sobre los émbolos, en (CF), (HP) o (kW). 2. Potencia de la fricción (fhp); es la potencia perdida en todas las partes móviles del motor, usada para vencer la fricción de émbolos en cilindros, en todos los cojinetes del motor, etc. 3. Potencia en la flecha (bhp); es la potencia obtenida en la salida de la flecha del motor, se expresa en caballo de fuerza se mide comúnmente por un freno especial de medición de potencia. Finalmente se puede mostrar que la potencia indicada es la suma de las potencias en la flecha y de la fricción: ihp=bhp + fhp.
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4. Rendimiento mecánico (ƞm); es la relación entre la potencia en la flecha (bhp) producida por motor y la potencia total desarrollada dentro de él (ihp): ƞm =
bhp ihp−fhp fhp = =1− <1 ihp ihp ihp
5. Presión media efectiva indicada (pi o imep); es la presión teórica constante que supuestamente se ejerce durante cada carrera de potencia del motor (después de encendido de mezcla combustible), para producir una potencia igual a la indicada. Se le determina en (kg/cm 2) y es: kg /c m2 4500 x 100 n ) donde pi ( imep )=ihp ∙ ¿ A ∙ L∙ N x a. ihp (CFm) = Potencia indicada o número de CFm desarrollados en el motor. b. CFm = Caballos de fuerza ingleses, 75 kgm 4500 kgm 4500 x 100 kgcm = = i. 1 CFm = seg min min ii. 1
CF
=
1
HP
=
1
hp
=
550 pie−lb 33000 pie−lb 4561.5 kgm = = =1.014 CFm seg min min AxL = D (cm3) = Desplazamiento del émbolo (volumen barrido). A (cm2) = Área de la cara del émbolo. L (cm) = Longitud de la carrera. N (min) = Revoluciones por minuto (rpm) del motor. n (-) = Número de cilindros (émbolos) en el motor. x (-) = Número de revoluciones necesarias por cada carrera de potencia producida por cilindro: x = 2 para motor de 4 tiempos y x = 1 para un motor de 2 tiempos. 6. Presión media efectiva al freno (p b o bmep); es la presión teórica constante que imaginariamente se ejerce durante cada carrera de potencia del motor, para producir una potencia igual a la del freno (en la flecha) bhp y es: c. d. e. f. g. h.
pb ( bmep )=bhp
4500 100 n kg ∙ D∙N x c m2
( )
donde todos los elementos son iguales
al punto 5. 7. Consumo específico de combustible (F); es un parámetro comparativo que muestra con cuanta eficiencia convierte un motor el combustible en trabajo y se le determina por:
F=
60 m kg lb o CF−h CF−h (CF)∙ t
(
)(
)
donde
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a. CF = Número de caballos de fuerza del motor; pueden ser en el sistema métrico, inglés o en kilowatts (kW). b. t (min) = Tiempo de medición del consumo de combustible en el motor investigado,
t (min) =t (h) min , puede usar segundos, minutos 60 ( ) h
y horas. c. m (kg o lb) = Masa del combustible consumida durante el tiempo t de investigación. ƞ 8. Rendimiento térmico ( t ); es el rendimiento de la conversión del calor producido en un proceso de combustión en trabajo, obtenido para un ciclo ƞt
del motor:
=
trabajo obtenido W calor suministrado Q A
9. Rendimiento volumétrico (
ƞv
); es la relación del peso real de aire
inducido por el motor en la carrera de admisión entre el peso teórico del aire que debiera inducirse llenado el volumen de desplazamiento del émbolo con aire a la temperatura y presión atmosférica, y es: ma a. ƞv = m t donde kg ¿ i. ma ( h∙ nc
= Peso real de aire inducido por carrera de
admisión (kg/horas x número de carreras de admisión). kg ii. mt ( h∙ nc ) = Peso teórico de aire para llenar el volumen de desplazamiento bajo condiciones atmosféricas. 10. Relaciones aire-combustible y combustible-aire; se les define como: kg kg de aire en el tiempo t a. AF ( kg ) = kg de combustible en el tiempo t ; (relación combustible) kg b. FA ( kg ) =
aire-
kg de combustible en el tiempot ; (relación combustiblek g de aire en eltiempo t
aire) Para comparar los rendimientos de los motores se emplea cierto número de normas de comparación: 9
1. Consumo específico de combustible F, en (kg/bhp-h). 2. Presión media efectiva al freno pb, en (kg/cm 2). 3. Peso específico del motor en (kg/phb) = peso del motor/potencia al freno. 4. Potencia producida por unidad de desplazamiento, en (bhp/cm 3) = potencia al freno/capacidad cúbica del motor
MOTOR ROTATORIO El motor rotativo Wankel debe su nombre al ingeniero alemán Félix Wankel. Mientras en un motor alternativo se efectúan sucesivamente 4 trabajos diferentes (admisión, compresión, combustión y escape) en el mismo volumen (cilindro), en un motor Wankel se desarrollan los mismos 4 tiempos pero en lugares distintos de la carcasa (también llamada bloque o estator). Concretamente, el estator es una cavidad con una forma que recuerda a un 8, dentro de la cual se encuentra un rotor con forma de prisma triangular de caras convexas que realiza un giro de centro variable. Este rotor comunica su movimiento rotativo a un cigüeñal que se encuentra en su interior, y que gira ya con un centro único. Al igual que un motor de pistones, el motor rotativo emplea la presión creada por la combustión de la mezcla aire-combustible para producir trabajo. La diferencia radica en que esta presión contenida en la cámara formada por una parte del estator y por uno de los lados del rotor triangular, que en este tipo de motores reemplazaría a los pistones siguiendo con la comparación.
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El motor Wankel se puede implementar, al igual que los motores alternativos, como motor de encendido provocado o como motor de encendido por compresión, acercándose a los ciclos de referencia Otto y Diesel respectivamente. La implementación más usual ha sido la de motor de encendido provocado.
COMBUSTIBLES Generalmente en los motores de combustión interna se usan combustibles líquidos (pero hay también gaseosos) por sus ventajas que tienen, mucha energía potencia por unidad de masa, se transportan, almacenan y sobrecargan fácilmente, y casi no contienen componentes incombustibles. Normalmente se utilizan varios tipos de gasolina y combustibles Diesel (llamados también como petróleos o aceites combustibles, combustóleos o gasóleos). Todos los tipos de combustibles se obtienen normalmente por tres procesos típicos: 1. Destilación natural del petróleo crudo 2. Síntesis de los productos obtenidos de la destilación de carbón. 3. Catálisis pirogénica (cracking) del petróleo crudo. La mayor parte de los combustibles se producen por el empleo del tercer proceso, mejorando sus propiedades antes que salgan al comercio. Los procesos de mejoramiento de los combustibles de varios tipos y la calidad de las gasolinas se determina por el número de octanos y la de los aceites combustibles (diésel) por sus números cetánicos. El golpeteo (o detonación) son los términos usados para significar cualquier sonido inusual que aparece en el proceso de combustión debido al autoencendido de cualquier tipo de combustible (pero sobre todo en gasolinas). Las gasolinas son combustibles aplicados generalmente en motores ECH (Otto) y deben tener las propiedades siguientes:
Características de golpeteo; se les determina por el NC, la mejor gasolina tiene el mayor número de octanos. Volatilidad o Características de arranque; la gasolina pondrá en movimiento al motor rápidamente (debajo de 10 vueltas del cigüeñal) a la temperatura ambiente.
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o Características de vaporización; la vaporización limita el flujo de combustible líquido, la gasolina debe tener una baja presión de vapor. o Comportamiento en la carrera; son mejores las gasolinas con la temperatura más baja de destilación. o Dilución en el cárter; la condensación o vaporización de la gasolina causa la dilución del aceite lubricante en el cárter, por eso la gasolina debe tener una baja temperatura de destilación. Depósitos de goma y barniz; la gasolina no deberá depositar en el motor, ni goma ni barniz. Corrosión; la gasolina y sus productos de combustión no deben ser corrosivos. Costo; la gasolina deberá ser barata.
La resistencia al golpeteo de las gasolinas es determinada por su número de octanos.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Núñez Orozco F, González Oropeza R. “Apuntes de Principios de Energética”. Facultad de Ingeniería. UNAM. Sears, Zemansky, Young y Freedman. “Física Universitaria”. Volumen I. Person, Addison Wesley. Undécima edición. México 2004. http://energyeducation.ca/encyclopedia/Reciprocating_engine http://cdigital.dgb.uanl.mx/la/1020123334/1020123334.PDF http://www.dcb.unam.mx/users/rigelgl/Web_PTE/Recursos %20multimedia_archivos/Ciclos%20de%20O,%20D%20y%20B.pdf http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lim/cleto_o_ja/capitulo3.pdf http://www.rooutek.com/iuti/pdf/ciclo_teorico.pdf
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