Cáp. V CICLOS REALES DE LOS MCI 5.1....

MAZ-222 Máquinas Térmicas

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Cáp. V

CICLOS REALES DE LOS MCI

5.1. INTRODUCCION.-

Los motores de combustión interna trabajan en distintas zonas y condiciones de

funcionamiento, a demás en distintos regímenes de funcionamiento de acuerdo al

tipo de motor desde 800 hasta 6000 rpm para motores a gasolina y de 800 hasta

5000 rpm para motores diesel.

Teniendo en cuenta los principios de los ciclos ideales de los MCI, determinar

parámetros termodinámicos de los diferentes procesos es rápido y sencillo, que

ignoran la influencia de muchas variables importantes que los ciclos ideales no

consideran.

Los ciclos reales de los MCI, se implementaran definiciones termodinámicos más

precisas, que formaran parte del análisis, discusión de cada uno de los procesos,

de manera real de funcionamiento de un MCI, de manera coherente en las

aproximaciones de los parámetros termodinámicos.

En los motores encendidos por chispa el proceso de formación de la

mezcla de aire – combustible, comienza anticipadamente en el proceso de

admisión, lo cual en el proceso de admisión se produce una caída de

presión, lo que significa que la presión atmosférica no es constante en este

proceso, debido a la hidrodinámica.

La sustancia de trabajo en el SCP de un MCI, pues en realidad es una

mezcla de sustancias gaseosas comportándose como gases reales que la

constitución molecular va sufriendo cíclicamente cambios en su

constitución:

Combustible + Aire → Gases de Combustión

Al ser el aire como una sustancia de trabajo predominante en la

combustión y al analizar las propiedades térmicas del aire, se puede ver

que todas estas tienen un comportamiento global suficientemente próximo

a las del aire en su comportamiento como gas real, lo que significa que las

propiedades térmicas Cp, Cv, K y R variaran en función a la temperatura

a lo largo de los procesos.

Los procesos de compresión y expansión, realizan continuamente

intercambios de calor a través de las paredes del SCP, por consecuencia

dejaran de ser procesos isentrópicos, pasaran a ser reajustados a procesos

politrópicos.


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Son consideraciones básicas en el presente capitulo a estudiar.

5.2. PROCESO DE ADMISION.-

Para desarrollar un ciclo de trabajo los motores a gasolina, los procesos de

admisión y escape están vinculados entre sí, debido a la expulsión de los gases

quemados producto de la combustión, al ingresar la mezcla de carga fresca que se

admite en el cilindro, a consecuencia de aquello estos proceso van relacionados,

porque de ello dependerá la calidad con que limpia en el SCP al ser admitido la

carga de fresca admitida en el cilindro, de esta manera el proceso de admisión

debe ser analizado tomando en cuenta estas consideraciones que caracterizan el

proceso de escape, examinado todo el complejo de fenómenos que se refieren al

proceso de intercambio de gases en conjunto, es necesario analizar los siguientes

parámetros a considerar en el proceso de admisión.

En los diagramas de las fases de distribución de los gases, en los

diagramas indicados los instantes de adelantos a la apertura de la válvula

de admisión, el retraso al cierre de la válvula de escape, están en función

al ángulo de rotación del cigüeñal y de la carrera del pistón, lo cual hace

que influya en la alimentación del motor.

La disminución de la presión en el sistema de admisión y en el cilindro

depende del régimen de velocidad del motor, de las resistencias

hidráulicas en todos los elementos del sistema, del área de secciones de

paso por donde se desplaza la carga fresca y de su densidad, después de

abrir la válvula de admisión, se produce la caída de presión, donde la

presión de alimentación en el cilindro resulta menor que la presión

atmosférica atmk pp o sea que '1k pp .

La existencia de cierta cantidad de gases residuales (mr) que se quedan en

la cámara de combustión (Vc) producto de la combustión al no ser

expulsados completamente los gases quemados, causa el efecto de

calentamiento sobre la carga de admisión que se ejercen en las paredes

del SCP en consecuencia disminuye la densidad de la masa de carga

fresca admitida en el cilindro.

El efecto de la inercia en el desplazamiento de la carga fresca a través del

sistema de admisión hasta llegar al SCP, a consecuencia de estos factores

se harán difícil el llenado completo de la mezcla de aire combustible

cilindro durante el proceso de admisión.

5.2.1. CARACTERÍSTICAS DE LA PRESIÓN DEL PROCESO DE

ADMISIÓN.-


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La existencia de ciertas resistencias en el proceso de admisión conduce a que la

cantidad de carga fresca admitida en el cilindro, disminuye debido al

decrecimiento de la densidad de la carga, la influencia de las perdidas hidráulicas

sobre el llenado, se tendría que analizar el uso de la teoría hidráulica (Utilizando

la ecuación de Bernoulli) aplicada a las características de este sistema

FILTRO INYEC

Va Ve

1'p MCIW

0p

11 'ppop'pPo

1'ppop

En términos generales la presión atmosférica será igual a la presión de

alimentación del cilindro.

Para poder determinar los cálculos con exactitud la caída de presión en la

admisión, existe una tabla de la caída de presión que se puede estimar en función

a márgenes establecidos a partir de esta tabla tomando en cuenta las

características de los motores.

1'p dos válvulas 1'p cuatro válvulas

Motor Gasolina Atm MG (0,8 – 0,87)pk (0,86 – 0,93)pk

Motor Diesel Atm MD (0,8 – 0,85)pk (0,86 – 0,9)pk

La caída de presión en el sistema de admisión será un factor que disminuirá la

cantidad de carga fresca admitida, con la consecuente disminución de potencia

desarrollada por los MCI.

El objetivo tecnológico es de optimizar el proceso de admisión, que esto significa

que las paredes deberán ser más lizas y optimización geométrica del múltiple de

admisión para disminuir la magnitud de la resistencia hidráulica del sistema,

incremento de las secciones críticas de la admisión a través de los sistemas

multiválvulares de admisión.


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5.2.2. TEMPERATURAS CARACTERISTICAS

En condiciones reales de funcionamiento es evidente que la temperatura de la

carga fresca al final de la admisión no será la misma que de la alimentación, para

evaluar esta temperatura final se tendrá que tomar en cuenta lo siguientes pasos:

Calentamiento de la carga antes del ingreso al cilindro (Th).-

Debido a que las paredes de los ductos de admisión están calientes, estas

aportaran calor a la carga fresca incrementando su temperatura en:

KTkThT

De acuerdo a las formas de admisión se tienen los siguientes parámetros para

estimar la temperatura de la carga fresca hasta antes de su ingreso al cilindro

(Th)

o Motores de gasolina atmosféricos

FILTRO INYEC

Va Ve

MCIW

Th

To

Calentamiento de la carga de admisión antes del ingreso a los cilindros de un MCI

gasolina.

KToThT Donde K20.........0T

o Motores diesel atmosféricos


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FILTRO

Va Ve

MCIW

Th

To

Calentamiento de la carga de admisión antes del ingreso a los cilindros de un MCI

Diesel.

KToThT Donde K40.........20T

CALENTAMIENTO FINAL DE LA CARGA DE ADMISIÓN AL

INGRESAR AL SCP

Debido a los gases residuales calientes que se quedan en la cámara de

combustión, paredes interiores calientes del SCP, la carga fresca al ingresar

al cilindro sufrirá un incremento adicional importante de temperatura, para

poder calcular este calentamiento final de la carga de admisión, se tiene que

establecer márgenes aproximativos de ciertos parámetros característicos de

la admisión basados en el seguimiento experimental del funcionamiento de los

MCI

o Coeficiente de los gases residuales (µ)

El coeficiente de los gases residuales es igual al cociente entre la masa de los

gases residuales y la masa de la carga fresca admitida:

mh

mr

Se pueden asumir los siguientes valores característicos.

µ=0,06......0,1 MG4T

µ=0,03......0,06 MD4T

o Presión del gas residual (pr)

Pk)25,1.....1,1(pr | Donde pk=po

o Temperatura de los gases residuales (Tr)

A

Va Ve

mr Tr

Mh; Th

PMS

PMI


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K1000900Tr Donde para MG4T

K900700Tr Donde para MD4T

En función a los valores propuestos se podrá definir la temperatura de la masa

gaseosa contenida en un cilindro al final de la admisión (T’1) se tendrá:

K1

Tr.Th'1T

Por lo tanto los diagramas termodinámicos para el proceso de admisión de los

diferentes sistemas de admisión serán:

Vc

PMS PMI

V’1=Vh+Vc

p

v

01'

Vc

vh

po=pKp

po=pk para MCI ATMOSFERICOS

T

s

01'

To

O – ‘1 Calentamiento y caída de

presión de la carga fresca de admisión

T’1

po p’1

P

roceso de admisión para el ciclo real en Diagrama de Presión – Temperatura.

5.2.3. ANÁLISIS DE LAS MASAS CARACTERÍSTICAS

Pues debido a la inercia de los gases y las altas velocidades de desplazamiento

del pistón en la admisión y expulsión, el llenado volumétrico del cilindro con la

carga fresca no se logra hacer de forma completa esto significa que el volumen

real llenado con carga fresca es menor que el volumen de la cilindrada.

Para evaluar el rendimiento volumétrico es:

1Vh

Vrealnv


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A partir de esta relación se logra desarrollar una formula mas explicita con

factores característicos de la admisión:

)Tr.Th(pk)1r(

Tk.1'p.r.nv

sk

k1

Esta fórmula esta desarrollado de forma general tanto para MCI de 2 – 4 tiempos,

para un motor de 4 tiempos se puede expresar de la siguiente forma:

pk

pr

pk

1'pr

)1r(Th

Tkvn sk

k

Donde: k denota las condiciones características de alimentación tanto de presión y

temperatura

μ1= Coeficiente de Recarga 1 ..... 1,08

μs =Coeficiente de soplado: 1 para MCI atmosféricos

Con la definición de este rendimiento se tiene herramienta necesaria para que las

relaciones ideales de masas gaseosas desarrolladas puedan reajustarse a:

Masa de carga fresca admitida:

KgTk*R

vh*nv*pkmh

Relación masa gaseosa total contenida en el SCP al final de la admisión

KgTk*R

)vh*nvVc(*pkm

Relación Flujo másico de masa de carga fresca admitida.

s/KgTk*R*NTM*30

i*n*pk*Vh*nvmh

pk=po MCI atmosféricos

5.3. PROCESO DE COMPRESIÓN.-

El proceso de compresión las propiedades de temperatura y la presión de

compresión se elevan, en términos reales estos procesos de compresión

isentropicos pasan a ser reajustados a procesos politropicos, porque

contantemente van intercambiando calor a través de las paredes del SCP.


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PMS PMI

V’1=Vh+Vc

2p2

p

v

‘1

V2=Vc

p’1W

DIAGRAMA DE p-v y T-S PROCESO DE COMPRESIÓN POLITROPICA

T

s

2

1'

p2 p’1

Vc vh

CtepV n 1

CtepV 1n CteVpV'p1n

221n

11

Se tiene la siguiente relación :

Kr'pp1n

k12 Kr'TT11n

k12

J1n1

V'pVpw 1122

21

Las relaciones anteriores son las convencionales

En el proceso de compresión el exponente politrópico de la compresión varía de

acuerdo al seguimiento experimental del funcionamiento del motor, dichos valores

suelen ser:

n1

Motores gasolina 1,3 – 1,37

Motores diesel 1,3 — 1,4

Los valores del exponente politrópico, son valores promedio Estándar, estos

valores varían a lo largo del proceso de la compresión, que depende de la

frecuencia de rotación del motor y el estado de estanqueidad del SCP.

Esto significa que mientras más lento sea el proceso de compresión mayor tiempo

para el intercambio de calor, por lo tanto disminuirán los valores de n1 donde se

podrá determinar por la relación:

n

11041,11n


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La potencia en los MCI es un factor muy importante que podrá desarrollar un

determinado motor?

Pero para consolidar la conciencia plena de que la base termodinámica de un

MCI es el eslabón principal en relación existente entre sus dimensiones y la

generación de potencia:

Se ha visto necesario que a partir del tamaño del motor implícitamente el

trabajo desarrollado que está en función a la cilindrada (Vh) esto significa

de que el diámetro y la carrera está involucrada.

El sistema de admisión que son independientes, en un MCI está en función

al sistema de alimentación, que pueden ser motores atmosféricos,

sobrealimentados, intercooler, tanto motores gasolina, Diesel, las rpm del

motor.

5.4. PROCESO DE COMBUSTIÓN.-

Debido a que el aire es predominante en la masa de la carga contenida en el SCP,

y que los gases resultantes de la combustión tienen propiedades similares a las del

aire, esto lleva a la decisión de que todas las propiedades térmicas del aire

comportándose como gas real estos varían de acuerdo a la temperatura de

acuerdo a la tabla de la variación de los calores específicos del aire.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

1

1.2

1.3

1.4

0.9

1.1

0.8

0.7

0.6

TEMPERATURA ºK

CA

LO

R E

SP

EC

IFIC

O [

KJ

/Kg

ºk

]

Cv

Cp

Las variaciones de las propiedades de Cp, Cv, k, del aire se evaluaran a través de

estos gráficos.


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0 500 1000 1500 2000 2500 3000

1.34

1.38

1.4

1.42

1.32

1.36

1.3

1.28

1.26

TEMPERATURA ºK

γ =

Cp

/ C

v [

KJ/K

g º

k]

k

5.4.1. COMBUSTIÓN PARA EL CICLO OTTO.-

La combustión en el ciclo Otto, el proceso de combustión es a volumen constante,

de acuerdo al calor generado por la combustión en un motor de gasolina, debido

a las características de la mezcla Aire + Combustible pobre, trae como

consecuencia la combustión parcial de la gasolina esto significa que la

combustión en los motores a gasolina no es completa, existe un coeficiente de

Rendimiento por la combustión incompleta en los MCI de gasolina, esto es igual a:

JcmcHUq 32

ηc= 0,85.....0,95 Rendimiento por la combustión incompleta en los MCI de

gasolina.

HU = 44x106 J/Kg poder calorífico del combustible.

Entonces la expresión para determinar el calor generado en la combustión será:

)TT.(Cv.mJHU.mc.cq 2332

De donde:

KTCv.m

HU.mc.cT 23

2

2

233 m/N

T

p.Tp 0w 32

Para determinar la masa del combustible se tomara en cuenta la relación de aire

combustible real que está en función al defecto del aire, tal como:

kgckgarR caca /. // Donde 190 ..., ; 15/ car

Lamba es el defecto del aire, que a consecuencia de la alimentación de los

motores, a demás de acuerdo a la frecuencia de giro del motor este defecto de aire

varía de acuerdo al funcionamiento del motor, se considera como el exceso de aire


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conocido como mezcla pobre; poca cantidad de aire o defecto de aire conocido

como la mezcla rica, de acuerdo a la tecnología los coches modernos que llevan

los sistemas de inyección electrónica tienden a funcionar con mezclas poco ricas

en combustible por la economía del combustible cada vez más completos, con

menos cantidad de emisiones de monóxido de carbono.

En un motor de gasolina la carga fresca está constituida por aire más gasolina o

sea:

mh=ma+mc

Entonces para determinar la masa del combustible se utilizara la siguiente

expresión:

kg1R

mhmc

c/a

La temperatura promedio estimada entre T2 y T3 estará en función al cálculo

desarrollado del motor a gasolina

5.4.2. PROCESO DE COMBUSTIÓN PARA EL CICLO DIESEL.-

Este ciclo es el mejor que se adecua a los motores diesel actuales, donde la

combustión se desarrolla en dos fases, donde la primera fase se desarrolla

rápidamente, dando lugar a un proceso muy similar al de volumen constante,

luego la segunda fase se desacelera generando a si la fase final de combustión a

presión constante entonces tendremos:

323 mVV 2

23 m/Np.p KT.T 23

Donde α = 1,4.......1,8

Estos valores de alfa corresponden a los motores con cámaras de combustión

simples α = 1,4.......1,8.

Para motores con cámaras separadas, normalmente el valor de alfa se usara

valores de α = 1,6.......1,8

Para determinar la temperatura T4

)TT.(cp)TT.(CvmHU.mc 3423

Donde la masa del combustible en un motor diesel esta en relación directa con la

cantidad de aire admitida en el SCP, pues la carga admitida está enteramente

constituida por aire, por lo tanto la masa del combustible será:

kgR

mhmc

c/a


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Como el motor diesel funciona enteramente con exceso de aire se tendrá que:

kgc/kgar.R c/ac/a

16r__y_______4,1.....3,1 c/a

Debido al exceso del aire con que trabajan estos motores disminuye la combustión

incompleta, dadas estas condiciones favorables para la combustión no se tomara

en cuenta el coeficiente de la combustión en los motores diesel.

3

3

344 m

T

VTV J)VV.(pw 34343

5.5. PROCESO DE EXPANSION

El proceso de expansión es ajustado también a un proceso politrópico, cuyo

exponente politrópico será denotado por n2 donde los valores característicos

serán:

n2

Motores gasolina 1,23 – 1,3

Motores diesel 1,18 — 1,28

Exponente politrópico para la expansión

Los valores del exponente politrópico son valores promedio estándar, de acuerdo a

los análisis este exponente también dependerá de las características de la

frecuencia de rotación y el estado de la estanqueidad de los MCI se plantea la

siguiente relación:

n

13018,12n

5.5.1. PROCESO DE EXPANSION DEL CICLO OTTO

Las relaciones que se aplicara para determinar parámetros termodinámicos serán:


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PMS PMI

V4=Vh+Vc

3p3

p

v

4

V3=Vc

p4

W

DIAGRAMA DE p-v y T-S PROCESO DE EXPANSIÓN POLITROPICA

T

s

3

4

p3 p4

Vc vh

CtepV n 2

Relaciones fundamentales:

3

4k

3

k

k4

V

Vr:donde___m

1r

Vh.rVhVcV

2

2nk

34 m/N

r

pp Kr.TT

2n1k34 J

2n1

V.pV.pw 3344

43

5.5.2. PROCESO DE EXPANSION DEL CICLO DUAL

Las relaciones convencionales son:

315 mVhVcVV

2

2n

5

445 m/N

V

V.pp

KV

V.TT

12n

5

445

J2n1

V.pV.pw 4455

54

5.6. PROCESO DE CALOR RECHAZADO

El rechazo de calor en este ciclo limite considerándola volumen constante, las

relaciones que evaluaran este calor serán:

Otto_J)T'T.(Cv.mq 4114 '

DualDieselJ)T'T.(Cv.mq 5115 '

Donde el Cv se evaluara mediante la tabla con la temperatura promedio del

proceso.


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5.7. PARAMETROS TEORICOS.-

El trabajo total generado por los ciclos limites para MCI de gasolina y diesel, a

pesar de que los ajustes planteados serán:

OttoJwwww 432'1 DieselJwwwww 54432'1

5.7.1. PARÁMETROS TEÓRICOS DERIVADOS DEL CICLO REAL

Sobre la base del trabajo teórico límite, por sus características de mejorada

aproximación al trabajo real generado por un MCI, se puede ratificar, consolidar

y desarrollar conceptos más precisos de estos motores como son la presión media,

potencia y par motor.

La presión media limite teórica es:

2m/Nvh

wpm

La potencia teórica limite desarrollad por el motor es:

Kw120000

i.n.wP

La potencia es el parámetro cualitativo más característico de la entrega

energética de un motor, a demás el dato de la potencia empaqueta en un solo

valor las características de velocidad y fuerza del motor, estos motores están en

función a parámetros muy importantes como la frecuencia de giro del motor, en

número de cilindros del motor, de ellos dependerá el nivel energético de la

potencia.

El par motor va ligada al origen térmico de la energía en un MCI, es el torque

generado en el mecanismo de la biela – cigüeñal por acción de la presión de los

gases quemados, como resultado la fuerza de accionamiento del sistema, cuya

acción es la generación de un movimiento rotatorio a partir del desplazamiento

lineal alternativo del pistón.

El par motor en un MCI. Es:

2

S.FtM Nm

n

P.95493M

5.8. RENDIMIENTOS.-

5.8.1. RENDIMIENTO TERMICO TEORICO (η) .-

Donde:

pm =presión media limite Vh = volumen del cilindro

w = trabajo teórico limite

P = potencia teórico limite n = Frecuencia de giro de un MCI. (r.pm.)

i = N° de cilindros del motor

Donde: M = Par motor teórico limite

P = potencia teórico limite

n = Frecuencia de giro de un MCI. (r.pm.)


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Se refiere a la razón entre el trabajo total generado por el ciclo teórico límite y la

cantidad de calor que desarrollara todo el combustible admitido:

HU.mc

W

El rendimiento térmico entre los motores diesel y gasolina es la base conceptual

fundamental del porque energéticamente los motores diesel son más eficientes, es

por el aprovechamiento de este recurso tan estratégico, esto significa que existe

una diferencia entre los ciclos Otto y Dual:

η(Dual ) > η(Otto)

5.8.2. RENDIMIENTO INDICADO (ηi).-

En la generación del trabajo y al atravesar la frontera SCP, existen factores

específicos de irreversibilidad energética de la siguiente manera:

a) Los gases reales tiene viscosidades que dan origen a pérdidas energéticas

por fricción interna en los gases y también por fricción a las paredes del

cilindro.

b) La masa gaseosa varia a lo largo del ciclo, pues el SCP no es totalmente

hermético.

c) Las pedidas de calor del SCP por la intensidad térmica del proceso de

combustión.

d) Adelanto y retraso en la apertura y cierre de la válvula de admisión y

escape.

e) Grados de adelantos de encendido.

f) Los procesos de admisión y expulsión consumen energía

Todos estos factores de irreversibilidad, es que a la salida del SCP, el trabajo

sufre una disminución esto da origen a la expresión de rendimiento:

pm

pmi

P

Pi

w

wii

w.iwi kw120000

i.n.wiPi

5.8.3. RENDIMIENTO MECANICO (ηm).-

Donde:

w = trabajo indicado limite

mc = masa del combustible

HU = Poder calorífico del combustible

Donde: ηi = Rendimiento indicado( 0,85.......0,96)

wi = Trabajo indicado

Pi = Potencia indicada

pmi = Presión media indicada


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Entre las anillas, el bulón del pistón, el volante estos elementos mecánicos

absorben energía por rozamiento, degenerándola el calor perdido, esto da lugar a

la definición del Trabajo Efectivo, que es la energía mecánica, entonces el

rendimiento mecánico será:

pmi

pmef

Pi

Pef

wi

Wefm

kw120000

i.n.WefPef wi.mWef

Los rendimientos mecánicos en los motores de combustión interna varían tienen

características diferentes entre los motores gasolina y diesel entonces serán:

ηm

Motores gasolina 0,8......0,9

Motores diesel 0,75......0,85

5.8.4. RENDIMIENTO EFECTIVO (ηef).-

También de nominado rendimiento total o rendimiento útil es el que evalúa la

diferencia total energética entre el trabajo, mecánico recogido en el volante del

MCI y la energía térmica total que desarrollara todo el combustible admitido.

HU.mc

Wefef m.i.ef

5.9. PARÁMETROS DEL CONSUMO DE COMBUSTIBLE.-

En la actualidad la generación de potencia esta debido a las exigencias de

optimización energética del combustible, a demás la evaluación del consumo de

combustible de un MCI, entonces existen relaciones que pueden aplicarse

fundamentalmente sobre los datos de la siguiente expresión:

hr.kw/grpmef.R

v.k.3600bef

ca

Donde:

bef = Consumo especifico de combustible

pmef = Presión media efectiva

Para motores gasolina se tiene la siguiente modificación:

Donde: ηm = Rendimiento mecánico

Wef = Trabajo efectivo Pef = Potencia efectiva

pmef = Presión media Efectiva


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hr.kw/grpmef).1R(

v.k.3600bef

ca

Tipo de MCI Bef(gr/kw.hr) λ

Motor gasolina 380-280 0,8-0,9

Motor Diesel Turismo 350-250 1,3-1,5

Motor Diesel Máq.

pesado

300-180 1,5-1,6

Valores consumo específico de combustible

El consumo horario de combustible:

hr/kg1000

Pef.befB

A partir de esta relación se plantea el rendimiento efectivo:

HU.B

3600.Pefef

Donde: bef = Consumo especifico de combustible(gr/kw.hr)

Pef = Potencia efectiva (Kw.)

B = Consumo horario de combustible

HU = Poder calorífico del combustible


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Cáp. VI

MOTORES SOBREALIMENTADOS

6.1. INTRODUCCION

LA SOBREALIMENTACION EN LOS MOTORES A GASOLINA

En los motores a gasolina, la sobrealimentación, presenta algunos problemas,

producto de la combustión debido al aumento de cierta presión de compresión, que

puede ocasionar problemas de picado, como también pueda combustionarse por

autoencendido o por detonación, son problemas que acarrean, estos problemas

son debidos a una serie de factores que implican en la sobrealimentación:

Es debido al aumento de temperatura que sufre la mezcla de aire-

combustible dentro del SCP (sistema cilindro pistón), en la carrera de

compresión del motor que será tanto mayor cuanto mayor sea el volumen

de mezcla (precisamente es lo que provoca la sobrealimentación).

La solución para este problema consiste en reducir la relación de

compresión por debajo de 10:1 con el fin de que no aumente demasiado la

presión y con ello la temperatura de la mezcla que puede provocar el

autoencendido o la detonación.

Los motores a gasolina presenta el aumento de las cargas térmicas y

mecánicas, debido a que las presiones durante el ciclo de trabajo en un

motor sobrealimentado son mayores, esto se traduce en unos esfuerzos

mecánicos y térmicos por parte del motor que hay que tener en cuenta a la

hora de su diseño y construcción, reforzando las partes mecánicas más

posibles al desgaste y mejorando la refrigeración del motor.

La variación en el diagrama de distribución. Así para un motor

sobrealimentado, cuanto mayor sea el AEE (avance a la apertura de la

válvula de escape) tanto mejor será el funcionamiento del

sobrealimentador.

También la regulación al avance del encendido debe de ser mucho más

preciso en un motor sobrealimentado, por eso se hace necesario un motor

encendido sin ruptor, por lo que es mejor el uso de encendidos

transistorizados o electrónicos.

Además de todo ello, la sobrealimentación en los motores a gasolina también se

debe tener en cuenta los siguientes factores característicos tales como:

La bomba de gasolina debe ser de mayor caudal y presión (por lo que se

opta generalmente por bombas eléctricas).


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Que en el sistema de admisión de aire se instale un buen filtrado y que este

perfectamente estanco.

A fin de optimizar el llenado del cilindro, se precisa de un dispositivo

llamado (intercooler) que tiene la finalidad de enfriar el aire que va

ingresar debido por el sistema de sobrealimentación.

La contaminación que provocan los motores turboalimentados de gasolina

es comparable a la de un motor atmosférico aunque los óxidos de

nitrógeno son más importantes debido a las mayores temperaturas.

LA SOBREALIMENTACIÓN EN LOS MOTORES DIESEL

En el caso de los motores Diesel, la sobrealimentación no es una causa de

problemas sino todo lo contrario, es beneficioso para un rendimiento óptimo del

motor. El hecho de utilizar solamente aire en el proceso de compresión y no

introducir el combustible hasta el momento final de la carrera compresión, no

puede crear problemas de "picado" en el motor.

Al introducir un exceso de aire en el cilindro aumenta la compresión, lo que

facilita el encendido y el quemado completo del combustible inyectado, lo que se

traduce en un aumento de potencia del motor. Por otro lado la mayor presión de

entrada de aire favorece la expulsión de los gases de escape y el llenado del

cilindro con aire fresco, con lo que se consigue un aumento del rendimiento

volumétrico o lo que es lo mismo el motor "respira mejor".

No hay que olvidar que todo el aire que entra en el cilindro del motor Diesel hay

que comprimirlo, cuanto más sea el volumen de aire de admisión, mayor será la

presión en el interior de los cilindros. Esto trae como consecuencia unos esfuerzos

mecánicos en el motor que tienen un límite, para no poner en peligro la integridad

de los elementos que forman el motor.

6.2. SOBREALIMENTADOR

6.3. INTERCOOLER

6.4. MCI SOBREALIMENTADOS

6.4.1. IDEAL-TEORICO.-

Las leyes de comportamiento de la admisión consecuente son las bases para

comprender y evaluar los objetivos de alimentación del motor, cuando es

incorporado el SOBREALIMENTADOR.


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La sobrealimentación, mediante el uso del turbo alimentador, que en realidad son

compresores accionados por los gases de escape o directamente por el cigüeñal, lo

que lleva que a mayor presión de llenado habrá mayor cantidad de carga fresca

admitida en el cilindro, por lo que la presión atmosférica eleva a una presión a la

salida del sobrealimentador.

]Kg[RT

Vhpmh

s

s ]Kg[RT

)VhVc(pm

s

s

ps= Presión a la salida del sobrealimentador [N/m2]

Ts= Temperatura a la salida del sobrealimentador [ºK]

mh=Masa de carga fresca admitida en el cilindro [Kg]

m=Masa total contenida en el sistema cilindro pistón [Kg]

R=Constante universal de los gases [J/Kg ºK]

Vh=Volumen del cilindro [m3]

Vc=volumen de la cámara de combustión [m3]

Donde:

osos TTy pp

La sobrealimentación es una forma de aumentar la potencia de un motor de

combustión interna. Sin ella, es el propio movimiento de los pistones el encargado

de succionar aire hacia el interior de los cilindros para producir la combustión,

por lo que el llenado no es todo lo eficiente que sería deseable.


Página 21

6.4.2. DIAGRAMA p-V Y T-S DE LOS MOTORES SOBREALIMENTADOS

IDEAL - TEORICO

VhVc

PMS PMI

0

1S

0

2

s=1

To

Ts=T1

po

ps=p1

Diagrama de p-V y T-s de un MCI, proceso de admisión

p

V

T

s

Considerando idealmente la precompresión isentrópica tendremos:

k

1k

o

ss

p

pToT

o

s

p

pc

Donde:

Ts= Temperatura a la salida del sobrealimentador [ºK]

To=Temperatura atmosférica [ºK]

ps= Presión a la salida del sobrealimentador [N/m2]

po= Presión atmosférica [N/m2]

k=Exponente isentropico del aire [1,4]

πc=Grado de aumento de presión en la sobrealimentación [1,5-2,5]

Entonces la presión a la salida del sobrealimentador será:

]m/N[ p p 2ocs

6.5. MOTORES SOBREALIMENTADOS INCORPORADOS CON UN

INTERENFRIADOR IDEAL-TEORICO.-

Intercooler es un radiador donde se enfría el aire de admisión en motores

sobrealimentados. El aire se calienta al pasar por el compresor (por el mismo


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efecto de la compresión) y por ello su densidad disminuye.

A consecuencia de la sobrealimentación la temperatura del llenado del cilindro

aumenta de To a Ts, convirtiéndose así este en un factor que disminuye así la

efectividad del llenado del cilindro, como a menor temperatura mayor carga

fresca, se implementa un ínter enfriador para disminuir la temperatura de la carga

fresca que sale del sobrealimentador y así optimizar aun más la admisión de por

sí ya mejorada con la sobrealimentación entonces se tendrá:

]Kg[RT

Vhpmh

TT y pp

TT

i

s

iksk

si

]Kg[RT

)VhVc(pm

s

s

]m/N[ rerenfriadoint del salida la a esiónPrp

]K[º rerenfriadoint del salida la a aTemperaturT2

s

i


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6.5.1. DIAGRAMAS p-V y T-S- DE LOS MOTORES SOBREALIMENTADOS

INCORPORADOS CON UN INTERNEFRIADOR IDEAL - TEORICO

VhVc

PMS PMI

0

1S

0

2

s

To

Ts

po

ps=p1

Diagrama de p-V y T-s de un MCI sobrealimentado incorporado con un interenfriador, proceso de admisión

p

V

T

s

Ti=T1

sk pp ik TT k

1k

o

ss

p

pToT

TICTT si

Kº100................50TIC

6.6. MASAS CARACTERÍSTICAS DE LOS MCI.-

Probablemente una de las aplicaciones más importantes de la ley de los gases

para los MCI ha quedado planteada en la Ecuación de estado, a partir de la cual

se puede seguir planteando relaciones y aproximaciones teóricas idealizadas que

serán el fundamento y punto de partida para estructuras y desarrollar un

coherente análisis termodinámico de los MCI, en la validez original de su planteo.

Aparte de la masa de aire que entra como carga fresca admitida a un MCI, existen

otras masas gaseosas características que intervienen en los procesos

termodinámicos de un MCI, estas son:

]Kg)[Vc(mmhm ]Kg[RT

Vhpmh

k

k ]Kg[R

mhmc

c/a


Página 24

]Kgc/Kga[ real ecombustibl aire de laciónReR]Kg[ SCP al ingresa que ecombustibl de Masamc

]Kg[ combustión de camara la en quedan que residuales gases los de Masa)Vc(m]Kg[ SCP el en admitida fresca aargc de Masamh

]Kg[ SCP el en contenida total gaseosa Masam

c/a

La masa gaseosa total contenida en el SCP es la suma de la carga fresca mas la

masa de los gases residuales y al ser predominante la masa de la carga fresca se

puede considerar: que las condiciones de temperatura y presión serán las de la

admisión y que las propiedades de la masa gaseosa serán muy similares a las del

aire predominante en la carga fresca, por los tanto:

]Kg[RT

)VcVh(pm

k

k

6.7. MOTORES SOBREALIMENTADOS DE MANERA REAL.-

6.7.1. PRESION AL FINAL DEL PROCESO DE ADMISIÓN.-

'1p dos válvulas '1p cuatro válvulas

Mot. Sobrealimentados MCIˆ (0,9)pk (0,94 – 0,96)pk

Mot. Sobre. Inter. MCIˆI (0,86)pk (0,9 – 0,91)pk

6.7.2. TEMPERATURAS CARACTERISTICAS DEL PROCESO DE

ADMISIÓN

Motores sobrealimentados

Estableciendo que la compresión en la sobrealimentación en términos reales serán

los exponentes poli trópicos.

Kpo

ps.ToTs

n1n

Donde el coeficiente de compresión politrópico es:

n=1,45.......1,8

Calentamiento de la carga de

admisión antes del ingreso a los

cilindros de un MˆCI

KTsThT Donde

KT 10.........5


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5,2.......3,1po

psc

Los rangos de valores del grado de aumento de presión en la sobrealimentación

( c ) permite una clasificación de la sobrealimentación de la siguiente forma:

Sobrealimentación Baja c =1,3........1,9

Sobrealimentación Media c =1,9............2,5

Sobrealimentación Alta c > 2,5

Cuando los rangos de c > 1,9 normalmente los sistemas de admisión están

implementados de un interenfriador o intercooler.

Motores sobre alimentados con ínter enfriadores

La sobrealimentación y el interenfriamiento, característica casi exclusiva de los

motores diesel, a medida que se fue perfeccionando la inyección en los motores a

gasolina, la sobrealimentación y el interenfriamiento en la admisión de estos

motores cada vez se va haciendo factible y común, a tal punto que hoy en día en el

mercado existen muchos automóviles incorporados con estos elementos, el

interenfriamiento está ligado indisolublemente a la sobrealimentación.

Calentamiento de la carga de admisión antes del

ingreso a los cilindros de un MˆI

KTiThT

Donde K30.........15T

Donde: KTICTsTi

K100..........50TIC


Página 26

Caída de temperatura en el ínter enfriador.

6.7.3. CALENTAMIENTO FINAL DE LA CARGA DE ADMISIÓN AL

INGRESAR AL SCP

Coeficiente de los gases residuales (µ)

El coeficiente de los gases residuales es igual al cociente entre la masa de los

gases residuales y la masa de la carga fresca admitida:

mh

mr

Se pueden asumir los siguientes valores característicos.

µ=0,03......0,06 MGˆ47, MDˆ4T

Presión del gas residual (pr)

Pk)25,1.....1,1(pr | Donde pk=ps

Temperatura de los gases residuales (Tr)

K1000900Tr Donde para MGˆ

K900700Tr Donde para MDˆ

En función a los valores propuestos se podrá definir la temperatura de la masa

gaseosa contenida en un cilindro al final de la admisión (T1’) se tendrá:

K1

Tr.Th'1T

Donde:

T1’= Temperatura al final del proceso de admisión [ºK]

Th= Temperatura antes de su ingreso al cilindro [ºK]

μ= Coeficiente de los gases residuales

Tr= Temperatura de los gases residuales [ºK]

Por lo tanto los diagramas termodinámicos para el proceso de admisión de los

diferentes sistemas de admisión serán:


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Proceso de admisión para el ciclo real en Diagrama de Presión – Temperatura.

6.7.4. RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO

pk

pr

pk

'1pr*

)1r(*Th

Tkvn sk

k

μs = Coeficiente de soplado: 0,1....0,5 MCI Sobrealimentados

Con la definición de este rendimiento se tiene herramienta necesaria para que las

relaciones ideales de masas gaseosas desarrolladas puedan reajustarse a:

Masa de carga fresca admitida:

KgTk R

vh nv pkmh

Relación masa gaseosa total contenida en el SCP al final de la admisión

KgTk R

)vh nvVc( pkm

PMS PMI

Cáp. V CICLOS REALES DE LOS MCI 5.1....

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