MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

Esta constituido principalmente por un arreglo cilindro-mbolo con

movimiento alternativo o reciprocante.

El mbolo se alterna en el cilindro entre dos posiciones fijas

llamadas punto muerto superior (PMS) y punto muerto inferior (PMI).

La distancia entre el PMS y el PMI es la distancia que recorre el

mbolo en una direccin y que recibe el nombre de carrera.

El volumen desplazado o barrido por el pistn al recorrer la distancia

de la carrera entre el PMS y el PMI es el desplazamiento o cilindrada.

Otro parmetro importante es la razn de compresin (r) de un motor

alternativo, que se define como el volumen del fluido en el PMI

dividido entre el volumen del fluido en el PMS, es decir:

La relacin de compresin se expresa siempre por medio de un

cociente de volmenes.

La presin media efectiva (PME) es un parmetro til en el estudio de

los motores reciprocantes que se usan en la produccin de energa

mecnica.

La PME se define como la presin promedio que, si actuara durante

toda la carrera de expansin o de trabajo, producira una salida de

trabajo igual al trabajo neto producido por el proceso cclico real. De

esto se deduce que el trabajo efectuado en cada ciclo est dado por.

INTERPRETACION DE LA PRESION MEDIA EFECTIVA

Para interpretar el concepto de presin media efectiva se

consideremos el ciclo hipottico 1-2-3-4-5-1 de la Figura siguiente.

El trabajo neto que se produce est representado por el rea limitada

por la curva en el diagrama PV.

La presin media efectiva para el ciclo est indicada por la lnea

horizontal y el rea bajo ella es igual al rea limitada por el ciclo real.

EL CICLO OTTO CON AIRE NORMAL

El ciclo Otto es el ciclo ideal para el motor de cuatro tiempos con

ignicin o encendido por chispa.

El motor de cuatro tiempos con ignicin por chispa aunque se ha

sometido a modificaciones con el objeto de cumplir normas para evitar

contaminacin, es sin duda que este motor continuar teniendo un

importante papel en la produccin de cantidades relativamente

pequeas de trabajo.

Un diagrama PV representativo de este motor con vlvula de mariposa

o estrangulador totalmente abierto se muestra en la Figura.

La serie de eventos incluye el tiempo de la admisin ab, el tiempo de

compresin bc, el tiempo de expansin o de trabajo cd y finalmente el

tiempo de escape da.

Los tiempos de admisin y escape se efectan esencialmente a presin

atmosfrica. Las lneas de los procesos ab y da no coinciden.

Normalmente, el punto de ignicin se localiza en el tiempo de

compresin antes de la posicin del PMS, porque la propagacin de la

llama en la cmara de combustin requiere un tiempo finito.

En un motor dado, el punto de ignicin puede alterarse hasta que se

encuentre la posicin para una produccin mxima de trabajo.

Obsrvese que tambin la vlvula de escape se abre antes que el

pistn llegue al PMI. Esto permite que la presin de los gases de

escape casi alcance la presin atmosfrica antes que comience el

tiempo de escape.

Ciclo real en motores de encendido por chispa

ANALISIS TERMODINAMICO El anlisis termodinmico del ciclo de cuatro tiempos real descrito, no

es sencillo. Sin embargo, el anlisis puede simplificarse de manera

significativa si se utilizan las suposiciones de aire normal.

El ciclo que resulta y que se asemeja mucho a las condiciones de

operacin reales es el ciclo ideal de Otto. Este se compone de cuatro

procesos reversibles. Dos isentrpicos y dos isomtricos.

1 2: Compresin isentrpica

2 3: Adicin de calor a volumen constante

3 4: Expansin isentrpica

4 1: Rechazo de calor a volumen constante

Diagramas Pv y Ts de un ciclo Otto con aire normal.

El ciclo Otto se ejecuta en un sistema cerrado, cumplindose la

primera ley de la termodinmica para cualquiera de los procesos.

(3)

Durante los dos procesos de transferencia de calor no hay trabajo ya

que ambos tienen lugar a volumen constante. Luego la transferencia

de calor hacia el fluido y desde el fluido de trabajo puede expresarse

como:

(4)

(5)

EFICIENCIA TERMICA

Los procesos 1-2 y 3-4 son isentrpicos y adems v2 =v3 y v4 =v1. De

modo que,

Luego esta ecuacin se puede escribir como

EL CICLO DIESEL CON AIRE NORMAL

El motor Disel es un motor trmico que tiene combustin

interna alternativo que se produce por el auto encendido del

combustible debido a altas temperaturas derivadas de

la compresin del aire en el interior de los cilindros, segn el principio

del ciclo del disel.

El ciclo Disel es el ciclo ideal para las mquinas reciprocantes de

encendido por compresin.

En los motores de encendido por compresin, el aire se comprime

hasta una temperatura superior a la temperatura de autoencendido

del combustible, y la combustin se inicia cuando el combustible se

inyecta dentro de este aire caliente. En consecuencia, en estos

motores no existe buja sino un inyector de combustible.

Usando relaciones de compresin en la regin de 14:1 a 24:1 y al usar

combustible disel en lugar de gasolina, la temperatura del aire dentro

del cilindro exceder la temperatura de ignicin al final del tiempo de

compresin.

Si el combustible estuviese premezclado con el aire, como en el motor

de ignicin por chispa, la combustin comenzara en toda la mezcla

cuando se alcanzara la temperatura de ignicin; por consiguiente, no

tendramos control sobre el instante y duracin del proceso de

http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_t%C3%A9rmicohttp://es.wikipedia.org/wiki/Esfuerzo_de_compresi%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Cilindro_(motor)http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_del_di%C3%A9sel

combustin. Para evitar esta dificultad, el combustible se inyecta en el

cilindro en una operacin independiente.

La inyeccin comienza cuando el pistn est cerca de la posicin del

punto muerto superior. Por consiguiente, el motor de ignicin por

compresin difiere del motor con ignicin por chispa principalmente

en el mtodo para lograr la combustin y en el ajuste de la

sincronizacin del proceso de combustin. El resto del ciclo de 4

tiempos con ignicin por compresin es similar al ciclo de ignicin por

chispa.

La Figura muestra un diagrama PV caracterstico de un motor de

ignicin por compresin. El motor de ignicin por compresin, tiene un

diagrama PV muy similar al de un motor de ignicin por chispa.

Diagrama PV de un motor de ignicin por compresin.

El ciclo terico Disel de un motor reciprocante se muestra en los

diagramas PV y Ts mostrados a continuacin.

Igual que el ciclo Otto, est compuesto de cuatro procesos

internamente reversibles. La nica diferencia entre ambos ciclos es

que el ciclo Diesel modela la combustin como un proceso que ocurre

a presin constante, mientras que el ciclo de Otto supone que se

suministra calor a volumen constante.

Un ciclo con aire normal y la aplicacin de calores especficos

constantes posibilitan la realizacin de un anlisis til del motor

Diesel.

Diagramas Pv y Ts del ciclo Diesel con aire normal.

La entrada y salida de calor del ciclo estn dadas por

EFICIENCIA TERMICA

Recuerde que:

Adems debemos conocer los siguientes conceptos:

Relacin de corte (rc).- Se define como V3/V2

Relacin de compresin (r).- Se define como V1/V2

Luego se puede demostrar que la eficiencia viene dado por

[

]

Esta ecuacin indica que el ciclo Diesel terico es funcin de la relacin de compresin r, la relacin de corte rc y del cociente de los calores especficos k o coeficiente adiabtico.

PROBLEMAS

1. La relacin de compresin en un ciclo Otto con estndar de aire es 8.

Al principio de la carrera de compresin la presin es 0,1 MPa y la

temperatura es 15C. La transferencia de calor al aire por ciclo es de

1800 kJ/kg. Determine:

a) La presin y la temperatura al trmino de cada proceso del ciclo.

b) La eficiencia trmica

c) La presin media efectiva.

2. En un ciclo Diesel con estndar de aire la relacin de compresin es 18

y el calor que se transfiere al fluido de trabajo por ciclo es 1800 kJ/kg.

Al principio del proceso de compresin la presin es de 0,1 MPa y la

temperatura es de 15C. Determine:

a) La presin y la temperatura al trmino de cada proceso del ciclo.

b) La eficiencia trmica

c) La presin media efectiva.

3. Considere un ciclo Diesel ideal con estndar de aire donde el estado

antes del proceso de compresin es de 95 kPa, 290 K y la relacin de

compresin es 20. Qu temperatura mxima debe tener el ciclo para

que la eficiencia trmica sea 60%?

4. Un ciclo Otto ideal con aire tomado de la atmsfera como fluido de

trabajo, tiene una relacin de compresin de 8. Las temperaturas

mnima y mxima en el ciclo son 310 K y 1600 K. Determine:

a) La cantidad de calor transferido al aire durante el proceso de adicin

de calor.

b) La eficiencia trmica.

c) La presin media efectiva y la cilindrada.

5. Considere un ciclo Otto con aire normal que tiene una eficiencia

trmica del 56% y una presin media efectiva de 1360 kPa. Si al

principio del proceso de compresin la presin y la temperatura son

0.1 Mpa y 20C; determine la presin y la temperatura mxima del

ciclo.

6. Un ciclo Diesel de aire normal tiene una relacin de compresin de 16

y una relacin de corte de 2. Al principio del proceso de compresin,

el aire est a 95 kPa y 27C.

a) Determine: b) La temperatura despus del proceso de adicin de calor. c) La eficiencia trmica. d) La presin media efectiva.

7. Un ciclo Diesel con aire normal tiene una relacin de compresin de

15:1. La presin y la temperatura al inicio de la compresin son 100

kPa y 17C respectivamente. Si la temperatura mxima del ciclo es de

2250 K; determine:

a. La relacin de corte.

b. La eficiencia trmica.

c. La presin media efectiva.

8. Un ciclo combinado Otto-Diesel con aire normal funciona con una

relacin de compresin de 14:1. Las condiciones al principio de la

compresin isentrpica son 27C y 100 kPa. El calor suministrado total

es 1480 kJ/kg, del cual el 25% se proporciona a volumen constante y el

resto a presin constante. Determine:

a. La eficiencia trmica y

b. La presin media efectiva.