Unidad 3 Maquinas de Fluidos Compresibles

INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

TEMA: Unidad 3.- Sistemas auxiliares y pruebas de motores de combustión interna 3.1. Sistemas de: Combustible, escape, enfriamiento, inyección, lubricación y  anticontaminantes 3.2. Pruebas ue se efect!an en los motores: par"metros b"sicos y su determinación. Potencia, torue, consumo de combustible. 3.3. #ariables de operación ue afectan el rendimiento de: los motores diesel  y de $asolina, turbinas de $as y motores Stirlin$.

MATERIA:  Máquinas de fluidos o!"#ensi$les

DOCENTE:

%&'. #(ctor Cru) *art(ne) P R E S E N T A: López Martínez Josué David  Alonzo Sánchez Pedro Blanco Zavala Luis Fernando ó!ez Martínez "evin #arette

CONTENIDO

In%#odui&n''''''''''''''''' In%#odui&n'''''' ''''''''''''''''''''' ''''''''''((( ((( 2 Ca")%ulo I *sis%e!as au+ilia#es , "#ue$as de !o%o#es !o%o#es de o!$us%i&n in%e#na.(/( Sis%e!as de: Co!$us%i$le0 esa"e0 enf#ia!ien%o0 in,ei&n0

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lu$#iai&n , an%ion%a!inan%es .(1( P#ue$as que se efe%2an en los !o%o#es: "a#á!e%#os $ásios , su 12 de%e#!inai&n( Po%enia0 %o#que0 onsu!o de o!$us%i$le( .(.( 3a#ia$les de o"e#ai&n que afe%an el #endi!ien%o de: los !o%o#es 18 diesel , de 4asolina0 %u#$inas de 4as , !o%o#es S%i#lin4( Ca")%ulo II *Conlusiones( Conlusi&n'(''''''''''''''''' Conlusi&n'('''''' ''''''''''''''''''''' ''''''''''

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5i$lio4#af)a'''(((''''''''' 5i$lio4#af)a'''(( (''''''''''''''''''' '''''''''''''('' '''(''

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$%&'(D)**$+%  El principio de funcionamiento de los motores de encendido a chispa o a gasolina fue enunciado por Beau de Rochas (combustión a volumen constante constante ! llevado a la pr"ctica por el alem"n #tto en 1862$ por eso el ciclo de transformaciones %ue reali&a el fluido en el interior del motor se denomina ciclo #tto'

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*n motor es una m"%uina %ue transforma la energ+a %u+mica presente en los combustibles$ en energ+a mec"nica disponible en su e,e de salida' En un diagrama de blo%ues de entradas ! salidas$ tendr+amos como entrada- aire ! combustible ! el aporte de sistemas au.iliares necesarios para el funcionamiento como son los sistemas de lubricación$ refrigeración ! energ+a el/ctrica0 ! en el interior del motor$ sistema de distribución$ mecanismos pistónbielamanivela ! como producto de salida final tendr+amos la energ+a mec"nica utili&able$ adem"s tendr+amos como residuos o productos de la ineficiencia los gases de la combustión ! calor cedido al medio'

,-.- S$S&/MAS D/0 *(MB)S&$BL/1 /S*AP/1 /%F'$AM$/%&(1 $%#/**$+%1 L)B'$*A*$+% # A%&$*(%&AM$%A%&/S C+*US%/ El gas natural es una me&cla de metano (4$ etano ! una pe%ue5a cantidad de propano ! se lo utili&a comprimido en botellones a presiones del orden de los 2

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gcm2$ ! se lo denomina 9:;$ su condición natural antidetonante es de 12 a 13 octanos$ sin necesidad de aditivos tó.icos de plomo org"nico ni benceno u otros mu! cuestionados %ue s+ contienen las naftas'
N2!e#o de O%ano 6 Pode# an%ide%onan%e de los a#$u#an%es: ara obtener una combustión normal en un motor de encendido a chispa$ el combustible debe tener aptitudes para soportar sin detonación elevadas compresiones$ cuando ello ocurre$ se dice %ue est" dotado de un elevado poder  antidetonante' 18 de la serie isoparaf+nica$ ! eptano (;7>16 o bien isoctano ! tetraetilo de plomo'

7ailidad de i4nii&n 6 N2!e#o de Ce%ano: El motor de encendido por compresión desde el momento en %ue el combustible se in!ecta en la c"mara de combustión hasta a%uel en %ue se verifica el encendido transcurre un corto per+odo de tiempo llamado retraso al encendido' ;uanto ma!or es el retraso al encendido$ tanto ma!or resulta la cantidad de combustible %ue se acumula en la c"mara de combustión antes de %ue /sta comience$ por ello$ se desarrolla de un modo repentino ! en tal medida$ %ue causa un gradiente de presión tan fuerte$ %ue produce un golpe'

El sis%e!a de o!$us%i$le es%á di8idido en una "a#%e de $a9a "#esi&n , en o%#a de al%a "#esi&n( ? /l siste!a de co!2usti2le de 2a3a presión - est" formado por un deposito (1$ en su interior ! sumergida una bomba el/ctrica (2 eleva el combustible hacia un filtro (3 %ue se encarga de limpiarlo de impure&as$ una ve& filtrado el "gina ) 3

combustible se dirige a la bomba de alta presión (6'
Aentro del sistema de combustible encontramos como elemento secundario el depósito de carbón activo o ;anister (12' irve para tratar los gases %ue genera el combustible en su almacenamiento en el depósito'

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/SC0P/  Este sistema conduce gases del motor al e.terior' Es importante por%ue a!uda a la e.pulsión de los gases del motor$ a me,orar la combustión ! la potencia final obtenida'


;onsta de un m=ltiple de escape$ conductos$ catali&ador$ silenciador ! en algunas instalaciones$ de censores au.iliares'


/&%0*%/&+ Este sistema elimina el e.ceso de calor generado en el motor' Es de suma importancia !a %ue si fallara puede poner en riesgo la integridad del motor' u función es la de e.traer el calor generado en el motor para mantenerlo con una temperatura de funcionamiento constante$ !a %ue el motor por deba,o o por  encima de la temperatura de funcionamiento$ tendr+a fallas pudiendo hasta no funcionar por completo'

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;onsta de una bomba de circulación (ha! sistemas %ue no la utili&an$ un fluido refrigerante$ por lo general agua o agua m"s producto %u+mico para cambiar  ciertas propiedades del agua pura$ uno o m"s termostatos$ un radiador o intercambiador de calor seg=n el motor$ un ventilador o u otro medio de circulación de aire ! conductos r+gidos ! fle.ibles para efectuar las cone.iones de los componentes' En la ma!or+a de los sistemas de refrigeración$ la bomba de circulación toma el refrigerante (fluido activo del radiador$ %ue repone su nivel del depósito au.iliar$ ! lo impulsa al interior del motor refrigerando todas a%uellas partes m"s e.puestas al calor$ puede incluir refrigerar el m=ltiple de admisión$ camisas$ culatas o tapa de cilindro$ radiador de aceite$ etc'$ pasa a trav/s de uno o varios termostatos ! regresa al radiador donde se enfr+a al circular por tubos pe%ue5os de gran superficie de disipación$ el intercambio de calor generalmente se reali&a con el aire circundante el cual es for&ado a trav/s del radiador utili&ando un ventilador  %ue generalmente es accionado por el mismo motor' E.isten sistemas de refrigeración donde el fluido activo es el aire circundante$ el cual es for&ado por las partes del motor %ue se %uieren refrigerar$ cilindros$ tapas de cilindros$ radiador de aceite$ etc' Estos sistemas generalmente utili&an tambi/n un circuito au.iliar con otro fluido activo$ por e,emplo el aceite del motor$ el cual consta de otro radiador %ue intercambia calor con el aire e.terior ! refrigera sobre todo a%uellas partes internas del motor donde es dif+cil o imposible %ue pueda alcan&ar otro fluido refrigerante (agua o aire'

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%&/CC%4& Este es un sistema %ue reempla&a el carburador en los motores a gasolina$ su introducción se debió a un aumento en las e.igencias de los organismos de control del medio ambiente para disminuir las emisiones de los motores' u importancia radica en su me,or capacidad respecto al carburador para dosificar  el combustible ! crear un me&cla aire  combustible$ mu! pró.ima a la este%uiom/trica (1@$7-1 para la gasolina$ lo %ue garanti&a una mu! buena combustión con reducción de los porcenta,es de gases tó.icos a la atmósfera'
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El sensor CD (resión absoluta del D=ltiple indica la presión absoluta del m=ltiple de admisión ! el sensor E9# (E.haust 9as #.igen la cantidad de o.+geno presente en los gases de combustión' Este sistema funciona bien si a r/gimen de funcionamiento constante se mantiene la relación aire  combustible cercana a la este%uiom/trica$ esto se puede comprobar con un an"lisis de los gases de combustión$ pero al igual %ue los sistemas a carburador$ debe proveer un funcionamiento suave ! sin interrupciones en los distintos reg+menes de marcha' Estos sistemas tienen incorporado un sistema de autocontrol o autodiagnóstico %ue avisa cuando algo anda mal$ adem"s e.iste la posibilidad de reali&ar un diagnóstico e.terno por medio de scanners electrónicos %ue se conectan a la unidad de control de in!ección ! revisan todos los par"metros$ indicando a%uellos valores %ue est/n fuera de rango'
U%C0C%4&  Este sistema es el %ue mantiene lubricadas todas las partes móviles de un motor$ a la ve& %ue sirve como medio refrigerante' iene importancia por%ue mantiene en movimiento mecanismos con elementos %ue friccionan entre s+$ %ue de otro modo se engranar+an$ agrav"ndose este fenómeno con la alta temperatura reinante en el interior del motor'

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El funcionamiento es el siguiente- una bomba$ generalmente de engrana,es$ toma el aceite del depósito del motor$ usualmente el carter$ ! lo env+a al filtro a una presión regulada$ se distribu!e a trav/s de conductos interiores ! e.teriores del motor a las partes móviles %ue va a lubricar !o enfriar$ luego pasa por el radiador  donde se e.trae parte del calor absorbido ! retorna al depósito o carter del motor$ para reiniciar el ciclo' ara el correcto funcionamiento de este sistema se debe inspeccionar visualmente para detectar fugas$ ! presiones ! temperaturas anormales de fluido (aceite de lubricación'

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ANTICONTAMINANTES

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,-4- P')/BAS 5)/ S/ /F/*&6A% /% L(S M(&('/S0 PA'7M/&'(S B7S$*(S # S) D/&/'M$%A*$+%- P(&/%*$A1 &('5)/1 *(%S)M( D/ *(MB)S&$BL/-

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,-,- 8A'$ABL/S D/ (P/'A*$+% 5)/ AF/*&A% /L '/%D$M$/%&( D/0 L(S M(&('/S D$/S/L # D/ AS(L$%A1 &)'B$%AS D/ AS # M(&('/S S&$'L$%Rendimiento o eficiencia de una m"%uina t/rmica

arece importante empe&ar definiendo el concepto de eficiencia o rendimiento %ue vamos a utili&ar indistintamente a lo largo de todo el art+culo' Cs+ pues$ entendemos el #endi!ien%o   de un motor como el %#a$a9o #ealiado "o# ada

unidad de ene#4)a onsu!ida' i el traba,o reali&ado por el motor (generación de movimiento fuese igual a la energ+a %u+mica del combustible utili&ado para producirlo$ la efiienia de ese

su"ues%o !o%o# se#)a de un /;;< (eficiencia perfecta' #bviamente$ nin42n

"#oeso "uede %ene# una efiienia su"e#io# al

/;;< por%ue eso ser+a tanto como decir %ue se estar+a creando energ+a nueva' El primer principio de la termodin"mica (conservación de la energ+a niega esta posibilidad'

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or otro lado$ cuando el traba,o reali&ado es menor %ue la energ+a consumida$ la p/rdida o diferencia entre ambos valores se %#ansfo#!a en alo# $ %ue podemos considerar como energ+a in=til ! por lo tanto perdida'

a eficiencia m"xima de una m"uina t5rmica: el ciclo de Carnot  E.iste un l+mite absoluto para el rendimiento de cual%uier m"%uina t/rmica$ %ue es el rendimiento de una m"%uina imaginaria$ perfecta ! reversible cu!o proceso de funcionamiento se conoce como ciclo de ;arnot' Esta eficiencia m".ima FperfectaG se encuentra !a bastante por deba,o del 14 ! es importante destacar %ue$ siendo un m".imo f+sico$ absoluto ! universal$ no es posible superarlo por medios tecnológicos' El rendimiento de una m"%uina t/rmica de ;arnot sólo depende de la temperaturas m".ima ! m+nima entre las %ue traba,a por lo %ue$ dadas estas dos temperaturas$ su c"lculo es trivial' En el caso de motores de combustión %ue %ueman hidrocarburos ! a partir de los datos propuestos en este e,emplo pr"ctico$ podemos considerar una temperatura m+nima (%ue ser+a la del ambiente de 17; (2  ! una m".ima de 1'7 o; (1'8@3 ' Esta combinación de temperaturas nos dar+a un rendimiento teórico m".imo de un 8@$34' Es dif+cil encontrar un dato preciso de temperatura m".ima alcan&ada en la c"mara de combustión$ pero los hidrocarburos arden alrededor de 2'; ! !a parece bastante optimista considerar unos 1'6 o; como la temperatura media de toda la c"mara en el instante final de la combustión' Cs+ pues$ la eficiencia perfecta de un 8@4 puede considerarse un c"lculo ra&onablemente optimista' El mismo c"lculo$ reali&ado en HiIipedia tomando otros valores como e,emplo ! esta ve& en un motor de gasolina$ arro,a una eficiencia m".ima de un 734$ aun%ue suponiendo condiciones ideales este valor se podr+a considerar en el rango ba,o de temperaturas posibles' er+a un c"lculo ra&onablemente pesimista' ea cual fuere la temperatura m".ima alcan&ada en la c"mara de combustión en cada motor concreto$ vemos %ue una m"%uina teórica$ reversible e ideal con temperaturas m".ima ! m+nima en el rango de un motor de combustión interna perder+a algo as+ como entre un 14 ! un 24 de energ+a en forma de calor$ s+ o s+$ como consecuencia directa de los principios de la termodin"mica'

'asolina y 6i5sel frente a la m"uina perfecta de Carnot  "gina ) 1

:/ es de un ?@0?<' En el caso del ilo di=sel$ %ue difiere ligeramente del gasolina ! permite relaciones de compresión ma!ores$ en este c"lculo reali&ado sobre el modelo teórico de este ciclo$ se puede ver %ue su #endi!ien%o "e#fe%o "a#a una #elai&n de o!"#esi&n de />:/ se#)a de un @.01<'

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Estos rendimientos (%ue son inferiores al m".imo absoluto de ;arnot corresponder+an a motores ideales$ lo %ue implica cosas como ausencia de ro&amientos$ p/rdidas nulas por bombeo$ procesos instant"neos de combustión$ apertura ! cierre de v"lvulas en tiempo cero$ procesos mu! lentos de compresión ! e.pansión ! un aislamiento t/rmico sin p/rdidas de energ+a' Aicho de otro modo$ en el mundo real no es "osi$le ons%#ui# !o%o#es que funionen o se ae#quen siquie#a a es%as ondiiones'
;omo e,emplo notable de la eficiencia m".ima alcan&able en el mundo real por un motor di/sel$ !a e.pusimos con cierto detalle el caso del motor alternativo m"s potente del mundo$ un di/sel naval de 1' ;J ' Su efiienia !á+i!a e#a de un ?/0?< 4i#ando al#ededo# de /;; #"! ' uesto %ue su lentitud lo hace mucho m"s eficiente %ue un di/sel automovil+stico$ cabe suponer %ue ning=n di/sel montado en un coche a d+a de ho! se encuentre ahora mismo mu! por encima de un @4 de rendimiento en su r/gimen de traba,o ! carga óptimos$ si es %ue lo alcan&a$ ! desde luego no en toda su gama de revoluciones'

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or lo %ue respecta a los motores de gasolina$ deber+an estar alrededor de 23 de esa cifra seg=n las numerosas referencias consultadas$ as+ %ue podr+amos tomar  como valor apro.imado de rendimiento óptimo para un gasolina moderno un aprovechamiento no mu! superior al 34 de la energ+a consumida$ suponiendo %ue se alcance tal cota !$ de nuevo$ no en toda la gama de revoluciones ! niveles de carga' En todos los casos$ hablamos de %ue el calor generado por el motor de un coche convencional en4ulle al !enos el @;< de la ene#4)a qu)!ia del o!$us%i$le  en el caso del di/sel ! al menos un 74 en el caso de uno a gasolina' Kalta descontar todav+a la resistencia a la rodadura$ la resistencia aerodin"mica ! todas las p/rdidas de transmisión hasta poner el veh+culo en movimiento'

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Rendi!ien%o: como veremos$ el motor tirling tiene el potencial de alcan&ar el rendimiento de ;arnot$ lo cual le permite$ teóricamente$ alcan&ar  el l+mite m".imo de rendimiento' •

7uen%e de Calo# E+%e#na: este motor intercambia el calor con el e9terior $ por lo tanto es adaptable a una gran gama de fuentes de calor para su operación' e han constru+do motores tirling %ue usan como fuente de calor la energ+a nuclear$ energ+a solar$ combustibles fósiles$ calor de desecho de procesos$ etc' Cl ser de combustión e.terna$ el  proceso de combustión se puede controlar mu! bien$ por lo cual se reducen las emisiones'

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Cilo e##ado: el fluido de traba,o opera en un ciclo cerrado ! la fuente de calor es e.terna' Esto hace %ue este motor sea$ potencialmente$ de mu! ba,o nivel de emisiones'

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CICLO STIRLING TEÓRICO: 6escripción del Ciclo: El ciclo tirling eórico est" compuesto por dos evoluciones a Jolumen constante ! dos evoluciones isot/rmicas$ una a T ! la segunda a Tf ' Este %ueda ilustrado en la fi4u#a /( El fluido de traba,o se supone es un gas perfecto' En el ciclo teórico ha! un aspecto importante %ue es la e.istencia de unre$enerador. Este tiene la propiedad de poder a2sor2er  : ceder calor en las evoluciones a volumen constante del ciclo' i no e.iste regenerador$ el motor  tambi/n funciona$ pero su rendimiento es inferior' >a! algunos aspectos b"sicos a entender en la operación de un motor tirling-

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El motor tiene dos pistones ! el re;enerador- El re;enerador divide al motor en dos &onas$ una &ona caliente ! una zona
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En el ciclo teórico se supone %ue la eficiencia del regenerador es de un 14' Es decir devuelve todo el calor al!acenado : ade!ás con

recuperación total de te!peraturas-


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En / el cilindro
Entre / e.trae la , 1 se cantidad Bf  de calor del cilindro (por  el lado fr+o' El proceso se reali&a a Tf  constante' or lo tanto al final (en 1 se estar" a volumen m+nimo$ 3!in$ Tf  ! "1' El pistón de la &ona caliente no se ha despla&ado' En esta evolución es sistema a2sor2e traba,o'

Entre 1 , . los dos pistones se despla&an en forma paralela' Esto hace %ue todo el fluido atraviese el regenerador' Cl ocurrir esto$ el fluido absorbe la cantidad B de calor ! eleva su temperatura de Tf  a T' or  lo tanto al final (en . se estar" a T$ 3!in ! ".' El regenerador   %ueda =descar;ado= ' En esta evolución el traba,o neto absorbido es cero (salvo por p/rdidas por roce "gina ) 2@

al atravesar el fluido el regenerador'

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Entre . ,  el pistón fr+o %ueda ,unto al lado fr+o del regenerador ! el caliente sigue despla&"ndoses hacia un ma!or volumen' e absorbe la cantidad de calor B ! el proceso es (idealmente isot/rmico' Cl final el fluido de traba,o est" a T$ el volumen es 3!a+ ! la presión es "' Kinalmente los dos pistones se despla&an en forma paralela de  a /$ haciendo atravesar el fluido de traba,o al regenerador' Cl ocurrir esto el fluido cede calor al regenerador$ este se car;a de calor$  la temperatura del fluido ba,a de T a Tf  ! la presión ba,a de " a "/' Cl final de la evolución el fluido est" a 3!a+$ "/ ! Tf ' El regenerador sigue =car;ado= de calor'

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*(%*L)S$+%  *n motor es una m"%uina %ue transforma la energ+a %u+mica presente en los combustibles$ en energ+a mec"nica disponible en su e,e de salida' En un diagrama de blo%ues de entradas ! salidas$ tendr+amos como entrada- aire ! combustible ! el aporte de sistemas au.iliares necesarios para el funcionamiento como son los sistemas de lubricación$ refrigeración ! energ+a el/ctrica0 ! en el interior del motor$ sistema de distribución$ mecanismos pistónbielamanivela ! como producto de salida final tendr+amos la energ+a mec"nica utili&able$ adem"s tendr+amos como residuos o productos de la ineficiencia los gases de la combustión ! calor cedido al medio' En la ma!or+a de los sistemas de refrigeración$ la bomba de circulación toma el refrigerante (fluido activo del radiador$ %ue repone su nivel del depósito au.iliar$ ! lo impulsa al interior del motor refrigerando todas a%uellas partes m"s e.puestas al calor$ puede incluir refrigerar el m=ltiple de admisión$ camisas$ culatas o tapa de cilindro$ radiador de aceite$ etc'$ pasa a trav/s de uno o varios termostatos ! regresa al radiador donde se enfr+a al circular por tubos pe%ue5os de gran superficie de disipación$ el intercambio de calor generalmente se reali&a con el aire circundante el cual es for&ado a trav/s del radiador utili&ando un ventilador  %ue generalmente es accionado por el mismo motor' E.isten sistemas de refrigeración donde el fluido activo es el aire circundante$ el cual es for&ado por las partes del motor %ue se %uieren refrigerar$ cilindros$ tapas de cilindros$ radiador de aceite$ etc'

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B$BL$('AF>A 

http-MMM'cec'uchile'clNroromancapO1strlng1'htm http-MMM'diariomotor'comtecmovia21212loslimitesdelaeficiencia

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#ERC;P4;343:Q*ECKE;C:E<RE:APDPE:#AE1@117@'html Dotores t/rmicos ! sus sistemas au.iliares Escrito por Aavid 9on&"le&



;alle,a Dotores t/rmicos ! sus sistemas au.iliares Escrito por Eliseo <ópe&$Jicente



Benito Dantenimiento de sistemas au.iliares del motor de ciclo #tto' DJ9@



Escrito por os/ ;arlos Rodr+gue& Delchor 

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