IntegrantesFrancisco CabreraJhonathan PillajoAlexander TarcoByron Rojas

Fecha2015-03-27

CarreraIngeniería Automotriz

Curso6 - TD

Grupo2

Número de sesión4

Objetivo:

Comprender el diagrama de mando teórico practico de los motores diésel y de igual maneraDiagrama termodinámico de los motores diésel..Desarrollo del tema:

INTRODUCCIÓN En esta sesión analizaremos la forma en que se realiza la combustión en los motores conociendo los diagramas teórico práctico y termodinámico del motor a diésel.

En la investigación realizada vamos a ver algunos conceptos que se refieren a los motores de diésel y gasolina para notar las diferencias que existen entre los dos motores pero se analizara los diagramas teóricos prácticos y termodinámicos del motor a Diésel

Además de que en el proceso de formación de un Ingeniero mecánico automotriz, es muy importante el conocimiento del comportamiento de los motores las fuerzas a las que están sometidos. Conociendo así sus ciclos de trabajo teóricamente prácticamente y termodinámicamente.

CICLO DIESEL TEÓRICO

Antes de continuar con el tema debemos recalcar que, el motor de ciclo OTTO la combustión se realiza a volumen constante y que en el motor a Diésel la combustión se realiza a presión constante. A la fusión de estos ciclos se le llama ciclo mixto, esto nos quiere decir que la combustión se realiza a volumen constante y es la que se utiliza en los motores modernos. (Manual practico del automovil, 2008)

El motor Diésel 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 720º. 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.

Fig.1. Motor Diésel

El funcionamiento de este motor durante su ciclo es el siguiente:Primer tiempo: AdmisiónEn este primer tiempo el pistón efectúa su primera carrera o desplazamiento desde el PMS al PMI, aspirando sólo aire de la atmósfera, debidamente purificado a través del filtro. El aire pasa por el colector y la válvula de admisión, que se supone se abre instantáneamente y que permanece abierta, con objeto de llenar todo el volumen del cilindro. Durante este tiempo, la muñequilla del cigüeñal gira 180º.

Fig.2. Tiempo de admisión

Al llegar al PMI se supone que la válvula de admisión se cierra instantáneamente.

La admisión puede ser representada por una isóbara pues se supone que el aire ingresa sin rozamiento por los conductos de admisión, por lo que se puede considerar a la presión constante e igual a la presión atmosférica.

Fig.3. ciclo de admisiónCompresiónEn este segundo tiempo y con las dos válvulas completamente cerradas el pistón comprime el aire a gran presión, quedando sólo aire alojado en la cámara de combustión. La muñequilla del cigüeñal gira otros 180º y completa la primera vuelta del árbol motor.La presión alcanzada en el interior de la cámara de combustión mantiene la temperatura del aire por encima de los 600 ºC, superior al punto de inflamación del combustible, para lo cual la relación de compresión tiene que ser del orden de 22.

Fig.4. Tiempo de compresión

Durante esta carrera el aire es comprimido hasta ocupar el volumen correspondiente a la cámara de combustión y alcanza presiones elevadas. Se supone que por hacerse muy rápidamente no hay que considerar pérdidas de calor, por lo que esta transformación puede considerarse adiabática.

Fig.5. ciclo de compresión

CombustiónAl final de la compresión con el pistón en el PMS se inyecta el combustible en el interior del cilindro con la bomba de inyección a una presión elevada.El combustible, debido a la alta presión de inyección sale pulverizado, se inflama en contacto con el aire caliente, produciéndose la combustión del mismo.Durante este tiempo el pistón efectúa su tercer recorrido y la muñequilla del cigüeñal gira otros 180º.

Fig.6. Tiempo de combustión

Durante el tiempo que dura la inyección, el pistón inicia su descenso, pero la presión del interior del cilindro se supone que se mantiene constante, debido a que el combustible que entra se quema progresivamente a medida que entra en el cilindro, compensando el aumento de volumen que genera el desplazamiento del pistón. Esto se conoce como retraso de combustión.

Fig.7. ciclo de combustión Tiempo: Trabajo

Al final de la compresión con el pistón en el PMS se inyecta el combustible en el interior del cilindro, en una cantidad que es regulada por la bomba de inyección. Como la presión en el interior del cilindro es muy elevada, para que el combustible pueda entrar la inyección debe realizarse a una presión muy superior, entre 150 y 300 atmósferas. El combustible, que debido a la alta presión de inyección sale finalmente pulverizado, se inflama en contacto con el aire caliente, produciéndose la combustión del mismo. Se eleva entonces la temperatura interna, la presión mientras dura la inyección o aportación de calor se supone constante y, a continuación, se realiza la expansión y desplazamiento del pistón hacia el PMI. Durante este tiempo, o carrera de trabajo, el pistón efectúa su tercer recorrido y la muñequilla del cigüeñal gira otros 180º.

Fig.8. tiempo de trabajo

Al terminar la inyección se produce una expansión adiabática hasta el volumen específico que tenía al inicio de la compresión, pues se supone que se realiza sin intercambio de calor con el medio exterior. La presión interna desciende a medida que el cilindro aumenta de volumen.

Fig.9. ciclo de trabajoTiempo: Escape:

Durante este cuarto tiempo se supone que la válvula de escape se abre instantáneamente permanece abierta. El pistón, durante su recorrido ascendente, expulsa a la atmósfera los gases remanentes que no han salido, efectuando el barrido de gases quemados lanzándolos al exterior.La muñequilla del cigüeñal efectúa otro giro de 180º, completando las dos vueltas del árbol motor que corresponde al ciclo completo de trabajo. El diagrama de distribución correspondiente a esta carrera se presenta en la siguiente figura:

Fig.10. tiempo de escape

En el punto 4 se abre la válvula de escape y los gases quemados salen tan rápidamente al exterior, que el pistón no se mueve, por lo que se considera un proceso a volumen constante. La presión en el cilindro baja hasta la presión atmosférica y una cantidad de calor no transformado en trabajo es cedido a la atmósfera.El recorrido del pistón de 1 a 0 se realiza a presión constante, pues se desprecia el rozamiento de los gases quemados al circular por los conductos de escape. Al llegar a 0 se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión para iniciar un nuevo ciclo.

Representando en un sistema de ejes coordenados P-V el funcionamiento teórico de estos motores queda determinado por el diagrama de la siguiente figura:

Fig.11. ciclo de escape

Ciclo practico de los motores diésel de 4 tiempos

ADMISIÓN

Corresponde a este tiempo o proceso este tiempo la carrera descendente del pistón, la válvula del pistón, la válvula de admisión se abre unos 15º antes de que el eje cigüeñal llegue al PMS.

COMPRESIÓN

Se produce este proceso durante la carrera ascendente del pistón. Esta fase comienza realmente cuando se cierra la válvula de admisión y finaliza al llegar el pistón al PMS.

COMBUSTIÓN Y EXPANSIÓN

Se realiza este proceso durante la carrera descendente del pistón. Durante el tiempo

tiene lugar la combustión y la expansión, la temperatura eleva a unos 3,27ºF (1,800ºC) y la presión a unos 146 lb./pulgadas (50 Kg./centímetros cuadrados) , El Aumento de presión obliga al pistón a descender con cierta violencia , a la vez que la gran cantidad de gases generados por la combustión se expansionan por el aumento de volumen creado por el descenso del pistón.

ESCAPE

Antes de terminar la carrera motriz se abre la válvula de escape con objeto de dar mayor facilidad de salida a los gases quemados, y evitar en lo posible la contrapresión en la carrera ascendente del pistón.

Fig.12. Diagrama real de un motor Diésel

Generalmente:

Las Válvulas de admisión se abren entre 10 y 25 grados de giro del eje cigüeñal antes del P.M.S.

Se cierran de 20 a 45 grados de giro después del P.M.I

La inyección del combustible comienza alrededor de 7 a 26 grados antes del P.M.S

Las Válvulas de escape se comienzan a abrir de 30 a 60 grados antes del P.M.I para poder expulsar los gases de escape al tiempo correcto.

Se cierran de 10 a 20 grados después del P.M.S.

Relación de compresión en motores diésel de 4 tiempos

En estos tipos de motores, la energía es obtenida por la inflamación de un combustible (petróleo), en el aire comprimido y fuertemente calentado en el interior del cilindro, esta combustión produce un fuerte aumento de la presión del aire. Para ello es necesario forzar el ingreso del petróleo al inflamar en la cámara de combustión, que está ocupada por el aire comprimido y fuertemente calentado. Esta misión la efectúa la bomba inyectora y el inyector. La combustión se realiza debido a la fuerte compresión a la que está sometido el aire, lo que ha ocasionado su elevada temperatura y provoca la inflamación espontánea del petróleo, a medida que va entrando al cilindro.

En un motor Diésel, la relación de compresión puede ser mucho más elevada que uno de explosión, ya que en el cilindro solamente se comprime aire y no hay riesgo de explosión espontánea. Esta relación de compresión está comprendida generalmente entre los 15 y 25:1 aunque puede llegar hasta 30:1

Si se incrementa la presión del aire de entrada o la relación de compresión, decrece el retraso de la ignición debido al aumento de la temperatura de la cámara de combustión. Por esta razón, la relación de compresión de un motor diésel tiene un límite máximo y un límite mínimo. Actualmente un relación de compresión de 15 y 25:1, probablemente es suficiente para encender a la mayoría de los motores diésel actuales a velocidades de las 2 000 rpm (Revoluciones por minuto). Las relaciones de compresión sin embargo están usualmente por encima de 12:1 con el fin de asegurar la temperatura necesaria para un arranque satisfactorio del motor.

Relaciones más elevadas son también necesarias a altas velocidades para subir la temperatura de la cámara de combustión lo suficiente como para encender el combustible a altas rpm. Esto se debe a que se dispone de menos tiempo para que tenga lugar la combustión A causa de esta limitación para la presión máxima, los motores sobrealimentados diésel tienen relaciones de compresión más bajas que los demás motores. La presencia del aire adicional introducido en la cámara de combustión sirve para incrementar la presión de la cámara de combustión. Mientras el diseño del motor y la ciencia metalúrgica permitan avances en la presión máxima, progresos adicionales en la economía y eficiencia pueden ser desarrollados a través de relaciones de compresión aún más elevados.Antes de terminar la carrera motriz se abre la válvula de escape con objeto de dar mayor facilidad de salida a los gases quemados, y evitar en lo posible la contrapresión en la carrera ascendente del pistón.

Generalmente:

Las Válvulas de admisión se abren entre 10 y 25 grados de giro del eje cigüeñal antes del P.M.S.

Se cierran de 20 a 45 grados de giro después del P.M.I

La inyección del combustible comienza alrededor de 7 a 26 grados antes del P.M.S

Las Válvulas de escape se comienzan a abrir de 30 a 60 grados antes del P.M.I para poder expulsar los gases de escape al tiempo correcto.

Se cierran de 10 a 20 grados después del P.M.S.

Relación de compresión

La relación de compresión en un motor de combustión interna es el número que permite medir la proporción en que se ha comprimido la mezcla de aire-combustible (Motor Otto) o el aire (Motor Diésel) dentro de la cámara de combustión de un cilindro. Para calcular su valor teórico se utiliza la fórmula siguiente:

Donde

§ d = diámetro del cilindro.

§ s = carrera del pistón desde el punto muerto superior hasta el punto muerto inferior

§ Vc = volumen de la cámara de combustión.

§ RC = es la relación de compresión y es a dimensional.

La relación de compresión define el rendimiento térmico del motor de combustión interna, es decir el grado de aprovechamiento de la energía del combustible. En los motores de ciclo Otto el rendimiento aumenta al aumentar la compresión, ventaja cuya aplicación se ve limitada por el encendido espontáneo de la mezcla o Detonación (motor alternativo). En los motores de ciclo diésel debido a la relación de compresión, normalmente en un rango doble del motor Otto, el rendimiento térmico es mayor por este motivo.

La relación de compresión en los motores diésel suele ser de 16:1 a 18:1.

En los motores de gasolina suele ser de 7:1 a 12:1, esta relación está limitada para no causar autoencendido.

Los motores diésel alcanzan temperaturas de unos 540ºC durante la compresión, por lo que se produciría autoencendido si se mezclase el aire con el combustible como en los motores de gasolina. En estos motores solamente entra aire al cilindro en la carrera de compresión, el combustible es inyectado en la cámara en el momento en que el cilindro está llegando al punto muerto superior.

Dado que la temperatura de ignición del combustible diésel es de 450ºC y la cámara en el momento de la inyección tiene unos 540ºC, se produce la combustión espontánea de la mezcla sin necesidad de chispa como en los motores de gasolina.

Propiedades del combustible diésel y biodiesel

Propiedades del diésel: Un Gasoil está compuesto principalmente por compuestos parafínicos naftalenítos y aromáticos. El número de carbonos es bastante fijo y se encuentra entre el carbono 10 y el carbono 22.

Propiedades del Biodiesel: Los Componentes básicos de los aceites y grasas son los triglicéridos, los cuales provienen tanto de ácidos grasos saturados como insaturados, Dependiendo de estas y otras características del origen de los triglicéridos se obtendrá un biodiesel con unas cualidades y otras.

Diagrama termodinámico del motor Diésel.

Se llama ciclo termodinámico, o transformación termodinámica cíclica, cada

transformación termodinámica que, a través de una serie de estadios intermedios distintos, vuelve a la misma condición inicial.

PARÁMETROS TERMODINÁMICOS FUNDAMENTALES

Se denomina energía la capacidad de realizar un trabajo. Un cuerpo o un sistema de cuerpos tienen energía si puede realizar un trabajo en el exterior.

El calor es una forma de energía; se trata de energía térmica que se transfiere de un cuerpo a otro a través de una superficie de intercambio (puede existir un intercambio de calor entre dos cuerpos si existe una diferencia de temperatura entre ellos).El calor puede generarse por una combustión; la energía química del combustible se transforma en calor cedido al sistema donde se efectúa la combustión misma.El trabajo efectuado por un cuerpo o sistema es igual a la disminución de energía del sistema.El trabajo es el producto de la fuerza aplicada en un punto por el desplazamiento del punto en la dirección de la fuerza misma.( A U T O M O C I Ó N MOTORES TÉRMICOS Y SUS SISTEMAS AUXILIARES).

T = F x eLa potencia es el trabajo realizado en la unidad de tiempo.

P = T / tPRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICAEl primer principio de la termodinámica es particularmente simple y útil en el caso deun ciclo termodinámico:

L = Q1 – Q2Q1 Es el calor suministrado al sistema por al ambiente externo.Q2 Es la cantidad de calor cedido por el sistema al exterior durante el ciclo.L Es el trabajo realizado por el sistema en el ambiente externo.

Por lo tanto la diferencia entre la cantidad de calor recibida y la cedida por el sistema, que corresponde a la disminución de energía del sistema, se transforma integralmente en trabajo.

El ciclo termodinámico de un motor se caracteriza por el hecho de que el calor Q1introducido a elevada temperatura es mayor que el calor Q2 sustraído a una temperatura más baja, por lo que el trabajo es positivo.

Viceversa sucede en el caso de una máquina operadora (ej. compresor), donde el trabajo es negativo porque se efectúa en el sistema, por lo tanto el calor sustraído Q2 a temperatura elevada es mayor que el calor suministrado Q1 a temperatura más baja.

Analizando el primer principio de la termodinámica resulta que, para que en el cilindrode un motor el fluido activo se expansione y, empujando el pistón, produzca trabajo, es necesario que al fluido se le suministre una cierta cantidad de calor mediante una combustión. . (AUTOMOCIÓN MOTORES TÉRMICOS Y SUS SISTEMAS AUXILIARES).

Se suministra calor a presión constanteEl ciclo Diésel teórico está formado por:

-Compresión adiabática (sin intercambio de calor) de A a B.-Suministro de calor isobárico (a presión constante) de B a C.-Expansión adiabática de C a D.-Sustracción de calor isocora (volumen constante) de D a A.

DIAGRAMA REAL DEL CICLO TERMODINAMICO DIESEL

La sucesión de las fases en el ciclo Diésel real es la siguiente:-Compresión del aire presente en el cilindro de A a B’ con transmisión de calor por parte de las paredes (pistón del P.M.I. al P.M.S.).-Inyección de combustible cerca del P.M.S. con inicio en I, con consiguiente combustión y suministro de calor de B’ a C’.-Expansión del fluido de C’ a D’, con cesión de calor a las paredes (pistón del P.M.S. alP.M.I.).

-Apertura del escape en D’, anticipada con respecto al P.M.I.-Expulsión de los gases quemados de D’ a E y admisión de aire nuevo de E a A.

Fig.14. Diagrama termodinámico real y teórico

CICLO TERMODINAMICO TEORICO DEL MOTOR DIESEL

El ciclo teórico (o ideal) está compuesto por una serie de transformaciones reversibles, efectuadas por un fluido ideal (gas perfecto) que tiene propiedades físicas y masa constantes. Las principales hipótesis adoptadas son:-La introducción del calor es instantánea.-La sustracción de calor es instantánea.-No hay intercambios de calor con el exterior (las transformaciones son adiabáticas).-No hay fricción ni otras causas de pérdida (las transformaciones son reversibles).

Con estas hipótesis el trabajo útil resulta muy superior al que se obtiene realmente. El ciclo ideal representa por lo tanto el límite máximo que un motor puede teóricamente alcanzar en cuanto a prestaciones.La representación gráfica de un ciclo se efectúa indicando en las abscisas (horizontal) los volúmenes descritos por el pistón (v) y en las ordenadas (vertical) los respectivos valores de las presiones (p). El área del ciclo representa el trabajo útil realizado por el fluido.

De hecho trazando un rectángulo ABCD, cuya área es igual a la del ciclo, la altura del rectángulo representa la presión media (p.m.) del ciclo considerado. Multiplicando el valor de la presión media por el área del pistón se obtiene la fuerza que, multiplicada por el desplazamiento del pistón, nos da el trabajo realizado.

En los motores endotérmicos el fluido, después de realizar el trabajo, se descarga en el exterior y se sustituye con más fluido, para empezar de nuevo el ciclo. (A U T O M O C I

Ó N MOTORES TÉRMICOS Y SUS SISTEMAS AUXILIARES).

Fig.15.Diagrama termodinámico teórico.

Las diferencias de forma entre el ciclo teórico y el real corresponden a las descritas enel ciclo Otto (pérdidas de calor a través de las paredes, avance apertura de la válvulade escape, pérdidas por el trabajo de bombeo durante las carreras de escape y admisión) exceptuando la combustión. ( (FIAT, 2008)A U T O M O C I Ó N MOTORES TÉRMICOS Y SUS SISTEMAS AUXILIARES).

BibliografíaFIAT, G. (2008). AUTOMOCION MOTORES TERMICOS Y SUS SISTEMAS AUXILIARES.Manual practico del automovil. (2008).

Yunes A. Cengel, Michael A. Boles. (2012). Termodinámica. México: Mc Graw Hill.

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https://www.youtube.com/watch?v=ancwKelxUNs&spfreload=1