Ciclos Termodinjamicos y Operativos

7/23/2019 Ciclos Termodinjamicos y Operativos

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CICLOS TERMODINMICOS Y OPERATIVOS


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V1-V2

V2

P.M.S.

P.M.I.

carrera V1

Carrera: Distancia entre el P.M.S. y P.M.I., es igual, salvo raras excepciones, al doble delradio de la manivela del eje de cigeales. Se expresa generalmente en mm.

Volumen total del cilindro !"#: $s el espacio comprendido entre la culata y el pist%n cuando

&ste se 'alla en el P.M.I. !iene expresado, por lo general, en cm(.

Volumen de la cmara de compresin!)#: $s el volumen comprendido entre la culata y el

pist%n cuando &ste se 'alla en el P.M.S. Suele expresarse en cm(.

Cilindrada !"*!

)#: $s el generado por el pist%n en su movimiento alternativo desde el P.M.S.

'asta el P.M.I. Se expresa, por lo com+n, en cm(.

Relacin de compresin: Se entiende por tal la relaci%n ue 'ay entre el volumen total del

cilindro !"y el volumen de la c-mara de combusti%n !

). Se representa por y vale:

Punto muerto superior P.M.S.#:

Posici%n del pist%n m-s pr%xima a

la culata.

Punto muerto inferior P.M.I.#:

Posici%n del pist%n m-s alejada de

la culata.

Calibre: Di-metro interior del

cilindro. $xpresado generalmente

en milmetros mm.#.

)

"

!

!/



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3

Segundo tiempo: Compresin

En este tiempo el pistn efecta su segunda carrera y se

desplaza desde el punto muerto inferior PM al punto

muerto superior PMS! "urante este recorrido la

mu#e$uilla del cig%e#al efecta otro giro de &'()!

*otal girado por el cig%e#al +,()!

"urante esta fase las -l-ulas permanecen cerradas! El

pistn comprime la mezcla. la cual $ueda alo/ada en el

-olumen de la cmara de combustin. tambi0n llamada

de compresin. situada por encima del PMS!

Primer tiempo: 1dmisin

"urante este tiempo el pistn se desplaza desde el punto

muerto superior 2PMS3 al punto muerto inferior 2PM3 y

efecta su primera carrera o desplazamiento lineal! "urante

este desplazamiento el cig%e#al realiza un giro de &'()!

Cuando comienza esta fase se supone $ue

instantneamente se abre la -l-ula de admisin y mientras

se realiza este recorrido. la -l-ula de admisin permanece

abierta y. debido a la depresin o -ac4o interno $ue crea el

pistn en su desplazamiento. se aspira una mezcla de aire

y combustible. $ue pasa a tra-0s del espacio libre $ue de/a

la -l-ula de aspiracin para llenar. en teor4a. la totalidaddel cilindro!



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4

*ercer tiempo: *raba/o. E5pansin

Cuando el pistn llega al final de la compresin. entre los

electrodos de una bu/4a. salta una c6ispa el0ctrica en el interior de

la cmara de combustin $ue produce la ignicin de la mezcla. con

lo cual se origina la inflamacin y combustin de la misma! "uranteeste proceso se libera la energ4a calor4fica del combustible. lo $ue

produce una ele-ada temperatura en el interior del cilindro. con lo

$ue la energ4a cin0tica de las mol0culas aumenta

considerablemente y. al c6ocar 0stas contra la cabeza del pistn.

generan la fuerza de empu/e $ue 6ace $ue el pistn se desplace

6acia el P!M!! y se supone $ue instantneamente se abre la -l-ula

de escape!

*otal girado por el cig%e#al 78()!

Cuarto tiempo: Escape

En este tiempo el pistn realiza su cuarta carrera o

desplazamiento desde el PM al PMS. y el cig%e#al gira otros &'()!

"urante este recorrido del pistn. la -l-ula de escape permanece

abierta! 1 tra-0s de ella. los gases $uemados procedentes de la

combustin salen a la atmsfera. al principio en 9estampida9 por

estar a ele-ada presin en el interior del cilindro. y el resto

empu/ado por el pistn en su desplazamiento 6acia el PMS!

Cuando el pistn llega al PMS se supone $ue instantneamente se

cierra la -l-ula de escape y simultneamente se abre la -l-ula

de admisin!

*otal girado por el cig%e#al ;()!



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$l ciclo 0tto te%rico representado

gr-1icamente en un diagrama P*!, se

puede considerar ejecutado seg+n las

trans1ormaciones termodin-micas ue

se presentan a continuaci%n:

2*".* 3dmisi%n sobara#: Se supone ue la

circulaci%n de los gases desde la

atm%s1era al interior del cilindro se

reali4a sin ro4amiento, con lo ue no 'ay

p&rdida de carga y, por tanto, la presi%n

en el interior del cilindro durante toda

esta carrera se mantiene constante eigual a la atmos1&rica.

"*).* 5ompresi%n 1diabtica#: Se supone

ue, como se reali4a muy r-pidamente,

el 1luido operante no intercambia calor

con el medio exterior, por lo ue la

trans1ormaci%n puede ser considerada a

calor constante.

)*(.* 5ombusti%n scora#: Se supone ue

salta la c'ispa y se produce una

combusti%n instant-nea del combustible,

produciendo una cantidad de calor 6". 3l

ser tan r-pida se puede suponer ue el

pist%n no se 'a despla4ado, por lo ue elvolumen durante la trans1ormaci%n se

P

V

4

3

2

10

Q

Q

1

2

P

P

P.M.I. P.M.I.

4

0

P3

"iagrama P


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6

(.7.* 8rabajo 1diabtica#: Se supone ue

debido a la rapide4 de giro del motor los

gases uemados no tienen tiempo para

intercambiar calor con el medio exterior,

por lo ue se puede considerar ue su1renuna trans1ormaci%n a calor constante.

7*".* Primera 1ase del escape scora3: Se

supone una apertura instant-nea de la

v-lvula de escape, lo ue genera una

salida tan s+bita de gases del interior delcilindro y una p&rdida de calor 6)ue

permite considerar una trans1ormaci%n a

volumen constante.

"*2.* Segunda 1ase del escape sobara#: $l

pist%n al despla4arse 'acia el PMS

provoca la expulsi%n de gasesremanentes en el interior del cilindro, y se

supone ue los gases uemados no

o1recen resistencia alguna para salir a la

atm%s1era, por lo ue la presi%n en el

interior del cilindro se mantiene constante

e igual a la atmos1&rica.

P

V

4

3

2

10

Q

Q

1

2

P

P

P.M.I. P.M.I.

4

0

P3

"iagrama P


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5iclo diesel te%rico

El motor "iesel de cuatro tiempos tiene una estructura seme/ante a los motores de e5plosin.

sal-o ciertas caracter4sticas particulares!

Primer tiempo: 1dmisinEn este primer tiempo el pistn efecta su primera carrera o

desplazamiento desde el PMS al PM. aspirando slo aire de la

atmsfera. debidamente purificado a tra-0s del filtro! El aire pasa

por el colector y la -l-ula de admisin. $ue se supone se abre

instantneamente y permanece abierta. con el ob/eto de llenar todo

el -olumen del cilindro! "urante este tiempo. la mu#e$uilla del

cig%e#al gira &'()!1l llegar al PM se supone $ue la -l-ula de admisin se cierra

instantneamente!

Segundo tiempo: Compresin

En este segundo tiempo y con las dos -l-ulas completamente

cerradas. el pistn comprime el aire a gran presin. $uedando sloaire alo/ado en la cmara de combustin! >a mu#e$uilla del

cig%e#al gira otros &'() y completa la primera -uelta del rbol

motor!

>a presin alcanzada en el interior de la cmara de combustin

mantiene la temperatura del aire por encima de los ,(( )C. superior

al punto de inflamacin del combustible. para lo cual la relacin de

compresin tiene $ue ser del orden de ;;!



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*ercer tiempo: *raba/o

1l final de la compresin con el pistn en el PMS se inyecta el

combustible en el interior del cilindro. en una cantidad $ue es regulada

por la bomba de inyeccin! Como la presin en el interior del cilindro

es muy ele-ada. para $ue el combustible pueda entrar la inyeccin

debe realizarse a una presin muy superior. entre &7( y +((atmsferas!

El combustible. $ue debido a la alta presin de inyeccin sale

finalmente pul-erizado. se inflama en contacto con el aire caliente.

produci0ndose la combustin del mismo! Se ele-a entonces la

temperatura interna. la presin mientras dura la inyeccin o aportacin

de calor se supone constante y. a continuacin. se realiza la e5pansin

y desplazamiento del pistn 6acia el PM!

"urante este tiempo. o carrera de traba/o. el pistn efecta su tercer

recorrido y la mu#e$uilla del cig%e#al gira otros &'()!

Cuarto tiempo: Escape

"urante este cuarto tiempo se supone $ue la -l-ula de escape se

abre instantneamente y permanece abierta! El pistn. durante surecorrido ascendente. e5pulsa a la atmsfera los gases remanentes

$ue no 6an salido. efectuando el barrido de gases $uemados

lanzndolos al e5terior!

>a mu#e$uilla del cig%e#al efecta otro giro de &'(). completando las

dos -ueltas del rbol motor $ue corresponde al ciclo completo de

traba/o!



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9

Representando en un sistema de e/es coordenados Pa

temperatura alcanzada al finalizar la compresin supera los

,(( )C. $ue es la temperatura necesaria para producir la

autoinflamacin del combustible sin necesidad de c6ispa

el0ctrica

;


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10

+


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Venta/as e incon-enientes de los motores "iesel con respecto a los de ciclo =tto:

Venta/as:


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3

P

2

0 1

4

Pat

V VV

PMIPMS2 1

Ciclo real es el $ue refle/a las condiciones efecti-as de funcionamiento de un motor y.

cuando se representa en un diagrama Pas diferencias $ue surgen entre el ciclo indicado y el

ciclo terico. tanto en los motores de ciclo =tto. como en

los de ciclo "iesel. estan causadas por:

P0rdidas de calor. las cuales son bastante importantes

en el ciclo real. ya $ue al estar el cilindro refrigerado.

para asegurar el buen funcionamiento del pistn. una

cierta parte de calor del fluido se transmite a las paredes.

y las l4neas de compresin y e5pansin no son

adiabticas sino politrpicas. con e5ponente n. diferente

de !

*iempo de apertura y cierre de la -l-ula de admisin y

de escape. aun$ue en el ciclo terico se supuso $ue la

apertura y cierre de -l-ulas ocurr4a instantneamente. al

ser f4sicamente imposible. esta accin tiene lugar en un

tiempo relati-amente largo. por lo $ue. para me/orar el

llenado y -aciado del cilindro. las -l-ulas de admisin y

de escape se abren con anticipacin lo $ue pro-oca una

p0rdida de traba/o til!

Combustin no instantnea. ya $ue aun$ue en el ciclo

terico se supone $ue la combustin se realiza segn

una transformacin isocora instantnea. en el ciclo real la

combustin dura un cierto tiempo! Por ello. si el

encendido o la inyeccin tu-iese lugar /ustamente en el

P!M!S!. la combustin ocurrir4a mientras el pistn se ale/a

de dic6o punto. con la correspondiente p0rdida detraba/o!



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P

Pat

V VV

PMIPMS

BOMBEO

2 1

Para e-itarlo se recurre a anticipar el encendido de

forma $ue la combustin tenga lugar. en su mayor

parte. cuando el pistn se encuentra en la

pro5imidad del P!M!S. lo $ue en el ciclo se representa

por un redondeamiento de la isocora de introduccin

del calor. y por tanto. una p0rdida de traba/o til!E-identemente esta p0rdida resulta bastante menor

$ue la $ue se tendr4a sin adelantar el encendido!

P0rdidas por bombeo. las cuales aun$ue en el ciclo

terico se supone $ue tanto la admisin como el

escape se realizan a presin constante.

considerando $ue el fluido acti-o circula por los

conductos de admisin y escape sin rozamiento. enel ciclo aparece una p0rdida de carga debida al

rozamiento. $ue causa una notable p0rdida

energ0tica!

Cabe destacar $ue en los motores "iesel las

p0rdidas por bombeo son inferiores a las $ue se

producen en los de ciclo =tto. pues no 6ay

estrangulamiento al paso del aire durante laadmisin ya $ue estos motores no utilizan

carburador!

Para cuantificar la relacin entre el ciclo terico y el

ciclo indicado. se calcula el cociente entre las

superficies correspondientes. y di-idiendo la

superficie del ciclo indicado por la respecti-a del

ciclo terico. se obtiene el denominado rendimientoindicado!

Comparacin entre los ciclos

"iesel terico e indicado!



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Para conseguir $ue el ciclo indicado se acer$ue lo ms posible al terico. se acta sobre la

distribucin adelantando y retrasando el instante de comienzo y de finalizacin de la entrada y

salida de fluido operante del cilindro. con el propsito de conseguir un me/or llenado y

e-acuacin de los gases y adems se realiza un adelanto del encendido o de la inyeccin para

compensar el tiempo necesario para la combustin!

Estas -ariaciones son conocidas como cotas de regla/e en la distribucin. son las siguientes:

1delanto en la apertura de la admisin 21113.consigue $ue al 6acer $ue la -l-ula se abra antes

de $ue el pistn llegue al P!M!S! en su carrera de escape. al iniciarse la aspiracin de la mezcla. la

-l-ula est0 muy abierta. e-itando la estrangulacin a la entrada de los gases!

Retraso en el cierre de la admisin 2RC13.consigue $ue al 6acer $ue la -l-ula se cierre un poco

despu0s de $ue el pistn llegue a su P!M!!. debido a la inercia de los gases al final de la admisin

0stos siguen entrando en el cilindro. aun$ue el pistn comience a desplazarse 6acia el P!M!S!1delanto del encendido 21E3 o de la inyeccin 213. consigue compensar el tiempo necesario

para $ue. al final de la combustin. el mo-imiento del pistn en su fase de traba/o sea m4nimo! Se

puede cifrar en unos +()!

1delanto en la apertura de escape 211E3. consigue $ue la presin interna ba/e antes. y $ue

cuando se inicie el escape la -l-ula. est0 completamente abierta. e-itando el estrangulamiento a la

salida y la p0rdida de energ4a necesaria para realizar el barrido de gases!

Retraso en el cierre del escape 2RCE3.consigue una me/or e-acuacin de los gases

$uemados debido a la succin pro-ocada por la alta -elocidad de los gases de escape. e-itndose

as4 $ue los gases residuales $ue pueden $uedar en el interior del cilindro impidan la entrada de

gases frescos!

Cruce de -l-ulas. es el per4odo en el $ue las -l-ulas de admisin y escape estn

simultneamente abiertas! "urante el mismo. debido a la -elocidad de los gases de escape. crean

una succin $ue facilita la entrada de la nue-a mezcla y barre los gases residuales! Cuando losgases frescos llegan a la -l-ula de escape 0sta ya est cerrada sin $ue se pierdan en la atmsfera!


C C OS O COS O A OS


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El cruce de las -l-ulas beneficia notablemente el rendimiento del motor. ya $ue elimina me/or

los residuos de gases $uemados y 6ace $ue la mezcla contenida en el cilindro para realizar el

nue-o ciclo sea lo ms pura posible. con lo cual el apro-ec6amiento de la cilindrada y energ4a

del combustible es mayor!

Dracias a las cotas de regla/e de la distribucin el diagrama obtenido en el ciclo real tiene unasuperficie muc6o mayor. y el rendimiento indicado llega a ser del '(B!

>as cotas de regla/e son prefi/adas por el constructor. y se fi/an. en principio. por comparacin

con otros tipos de motores con caracter4sticas anlogas. y posteriormente se corrigen durante

los ensayos en el banco. 6asta conseguir los datos ptimos de m5imo rendimiento!

Estas cotas de regla/e en la distribucin. $ue suelen estar comprendidas dentro de los -aloresindicados a continuacin. son. una -ez fi/adas. in-ariables. e5cepto en algunos motores $ue

lle-an sistemas dinmicos de -ariacin!




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P

V VV

1

2

3

4

1.- Encendido adelantado

2.- Encendido retra%ado.

3.- &iclo nor'al.

4.- &iclo 'odi(icado.

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P.M.S. P.M.I.

El adelanto del encendido o de la inyeccin. dado $ue debe

ser -ariable en funcin de la -elocidad de r0gimen del motor

se efecta automticamente!

n inadecuado instante de encendido en los motores causauna serie de deformaciones en el ciclo. $ue 6acen $ue

disminuya su rendimiento. tal como se puede obser-ar en el

siguiente diagrama P

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