Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna16 COMBUSTIN Y APLICACIN DE LOS CICLOS TERMODINMICOS INTRODUCCIN. Seentiendeporcombustinalareaccinqumicaqueseefectaalunirseunmaterial combustible con oxgeno o aire, generalmente acompaado de una llama. Los grados de la combustin varan ampliamente, iniciando con la combustin lenta hasta la muy rpida o detonacin. Lacombustinencuentraaplicacinenlosmotoresdecombustininterna,plantasde generacin de vapor, hornos, calentadores, etc. Al analizar un proceso de combustin, es indispensable hacer ciertas preguntas; como por ejemplo:Qucantidaddeenergaseliberadurantelacombustin?,Cuntamasadeairese requiere para quemar cierta masa de combustible?, Cul es la composicin de los productos de la combustin?, etc. Alosgasesdeescapedelosmotoresyhogaresselesdenominanproductosdela combustin,lacomposicindeestosproductosdependedevariosfactores,como:eltipode combustibleutilizado,larelacinaire-combustibleydelascondicionesenqueseefectala combustin. Los combustibles en su mayora, estn constituidos bsicamente por carbono, hidrgeno y pequeas cantidades de azufre como elementos combustibles. Entre ellos, se mencionan al carbn, combustleo, gasolina, diesel, gas natural, gas LP, etc. Losproductosdelacombustingeneralmentecontienenanhdridocarbnico,xidode carbono, oxgeno, nitrgeno, carbono libre, cenizas ligeras, vapor de agua, anhdrido sulfuroso e hidrocarburos no quemados, siendo la mayora de estos invisibles. 2.1 QUMICA DE LA COMBUSTIN. Una reaccin qumica se basa en el principio de conservacin de la materia, en trminos de la conservacin de tomos. A manera de ejemplo, considere la combustin del metano (CH4) con oxgeno (O2), lacombustin completaimplica que elcarbono al reaccionar con eloxgeno, se convierteendixidodecarbono(CO2);elhidrgenoenagua(H2O);yelazufre,siexisteen dixido de azufre (SO2). As la combustin del metano con oxgeno, puede expresarse mediante la siguiente reaccin.

Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna17 Sin embargo para determinar el nmero de moles en cada componente, que satisfaga los requisitosimpuestosporelprincipiodeconservacindelamateria,esnecesariorealizar balances de carbono, hidrgeno y oxgeno. Esto es: Balance de carbono(C reactivos = C productos)

Balance de hidrgeno(H reactivos = H productos)

Balance de oxgeno(O reactivos= O productos)

En consecuencia la ecuacin de combustin completa del metano con oxgeno, queda

Lo cual quiere decir, que 1 mol de metano reacciona con 2 moles de oxgeno, para formar 1 mol de dixido de carbono y 2 moles de agua. Porotrapartelamismaecuacinestableceenfuncindelpesomolecular,que16Kg.de metanoreaccionancon64Kg.deoxgenoparaformar44Kg.dedixidodecarbonoy36Kg.de agua.Elaguaformadapuedeencontrarseenlosproductoscomovapor,lquidoocomoslido, segn las condiciones de presin y temperatura de los productos.Enlamayoradelosprocesosdecombustineloxgenosesuministraatravsdelaire ambiente.Como se sabe, el aire esta constituido por una mezcla de gases ideales que se encuentran a una misma presin y temperatura; y ocupan el mismo volumen;de tal manera que cualquiera de sus elementos puede ser expresado como un % gravimtrico (peso) o volumtrico (volumen) de la mezcla. Porotraparteparapropsitosprcticossueledecirsequeelaireestaconstituido bsicamente por un 23.2 % de oxgeno y 76.8 % de nitrgeno en peso (anlisis gravimtrico) y 21% de oxgeno y 79% de nitrgeno en volumen (anlisis volumtrico). Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna18 Ademselpesomoleculardelaireenformaaproximadaes29mol-1.As,haciendo referenciaalanlisisvolumtrico,podemosdecirqueporcadamoldeoxgenoenelaire,hay 79/21=3.76 moles de nitrgeno presente. As, la ecuacin (2.1) queda:

Estareaccinpuedeonosucedercomoconsecuenciadelasegundaleydela termodinmica. Sin embargo por ahora, supondremos que esta reaccin ocurre. 2.2 CANTIDAD ESTEQUIOMTRICA DE AIRE. Alacantidadmnimadeairerequeridaparaoxidarcompletamentetodosloselementos combustibles, se le denomina cantidad de aire terico, cantidad qumicamente correcta de aire o cantidad estequiomtrica de aire. 2.3 RELACIN AIRE-COMBUSTIBLE. Se define como el cociente de la masa de aire a la masa de combustible.

2.4 COMBUSTIN CON DEFECTO DE AIRE. Cuandoelairenoalcanzaatenerlacantidadqumicamentecorrecta,paraoxidaralos elementoscombustibles,partedelcarbonoseuneconeloxgenoparaformarmonxidode carbono (CO) en los productos de la combustin.Elxidodecarbonopresenteenlosproductospuedeproducirelevadasprdidasde energa,porqueseestaoxidandoabajastemperaturasyconinsuficienteoxgeno.Como consecuencia se tiene la aparicin de densos humos gaseosos. 2.5 COMBUSTIN CON EXCESO DE AIRE. Si se suministra exceso de aire respecto a la cantidad de aire terico, aparece oxgeno libre (O2) en los productos de la combustin. Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna19 Elexcesodeoxgenosolodisminuyelatemperaturadelosproductosdelacombustin, punto importante en la aplicacin de turbinas de gas para proteccin de los labes de la misma. EJEMPLO 2.5.1 Como ilustracin, considere la combustin de hidrocarburos como es el caso de la gasolina tpica (C8H18), y encuentre: a)La ecuacin de combustin completa. b)La relacin aire-combustible terica. c)La combustin con un 20% de exceso de aire.d)La combustin con un 20% en defecto de aire. e)El anlisis volumtrico en base seca de los productos de la combustin terica,con 20% en exceso y 20% en defecto.a). Balance de carbono (C reactivos = C productos)

Balance de hidrgeno (H reactivos = H productos)

Balance de oxgeno (O reactivos = O productos) 12.5

En consecuencia:

b).

Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna20 c).La ecuacin con 20 % en exceso de aire se modifica, as:

d).La ecuacin con 20 % en defecto queda:

Balance de carbono: Balance de oxgenosResolviendo... En consecuencia:

e).Elanlisisvolumtricoenbasesecaimplicaqueelaguaenlosproductosseencuentra condensadayportantoellquidoocupaunvolumeninsignificanteenlosproductosdela combustin. Combustin terica:

Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna21 Combustin con 20 % de exceso:

Combustin con 20 % en defecto:

2.6 PROPIEDADES DE LOS GASES DE COMBUSTIN. Anteriormentesecomentquelosproductosdelacombustingeneralmentecontienen diversassustancias,ensumayorainvisibles.Estassustanciastienenciertaspropiedadeslas cuales se mencionan a continuacin. AnhdridoCarbnico(CO2).Denominadotambindixidodecarbono,seformacuandola combustinescompleta,esdecir,conlacantidaddeaireterico, tiene baja densidad, es un humo de color gris claro, (casi blanco). xidodecarbono(CO).Recibeelnombredemonxidodecarbono.steseformacuandoel oxgenodelairepresenteesinsuficiente.ElCO esungasvenenoso, presente en los motores que tienen una relacin aire-combustible pobre, produce elevadas prdidas enlacombustin,tieneunadensidad muy elevada, es un humo de color gris oscuro, (casi negro). Anhdrido Sulfuroso (SO2). Es ungasmuycorrosivoen presencia del agua, y es el responsable delacorrosinquesedesarrollaenelinteriordelosconductosde escape. Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna22 Nitrgeno (N2).Es un gas inerte, los moles de ste que aparecen en losproductos de escape, deben figurar tambin en la mezcla de aire-combustible. Sirve para indicar la cantidad de aire que entra al motor, pues por cada mol de oxgeno presente en el aire, lo acompaan 3.76 moles de nitrgeno. Agua (H2O).Esta sustancia se encuentra en los productos de la combustin, enformade vapor, lquidooslido,dependiendodelapresinytemperaturadelosproductosde escape. 2.7EFECTO DE LA RELACIN AIRE-COMBUSTIBLE. En los procesos de combustin intervienen dos parmetros de importancia, lay la .Larelacinaire-combustibleenunmotordecombustininterna,puedeser expresada como la relacin que existe entre el volumen que ocupa la mezcla en el cilindro, antes y despus de la compresin. Cuanta ms alta sea la relacin, mayor ser la potencia desarrollada por el combustible en el motor y mayor ser la presin de trabajo a la que se someta el combustible. Lacombustinestequiomtrica,requieredelacantidadmnimadeairequedebe suministrarsealmotordecombustininternaparaquesequemeunacantidaddecombustible dada,sinembargoestonoproporcionaunfuncionamientosatisfactorioenelmotor.Porotra partelacombustinincompleta(defecto),debidoabajastemperaturas,proporcionaprdidas significativas de calor que supone la formacin de monxido de carbono. Debidoatalesefectosenlarelacinaire-combustible(Ra/c),esconvenientesuministrar aire en exceso a los cilindros. El cociente entre la cantidad de aire real suministrado y la cantidad decombustibleinyectadoencadacarreradelpistnsedenominacantidaddeaire-combustible real. 2.8DIAGRAMAS DE COMBUSTIN Al hacer el anlisis del ciclo terico del motor de combustin interna ECH o EC, se adoptan algunassuposicionesquesimplificanelestudiodelosprocesostermodinmicos,comolo referente a la naturaleza del fluido.Recordandolosprocesosdecompresinyescapenotamosquelasustanciadetrabajoes solo aire.Sin embargola sustancia detrabajo real en el motor ECH, es una mezcla de aire y un Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna23 combustiblecomplejo,lacualesquemadaenelmotor,obtenindoseacambiodiferentes productos de su combustin, segn sea esta mezcla ( pobre, correcta o rica ). Dicha mezcla real sepresentacomounamezclanoquemadaduranteelprocesodecompresinycomomezcla quemada en el proceso de escape. Calcular las propiedades deambos fluidos, como son su energa interna, su entropa y su entalpa a una temperatura, presiny volumen dados, es un trabajo tediosoylento. Por lo que actualmenteseutilizantablasycartasquecontienelosresultadosdedichosclculos,para delinear los procesos del motor. 2.9DIAGRAMAS DE MEZCLAS NO QUEMADAS:Paralaelaboracindeestosdiagramasesnecesario,tenerclarosciertostrminosquese empleandurante el desarrollo del trabajo.Estos son: -Alimentacin: Es el fluido que entra al motor. Puede ser solamente aire para el motor EC y aire ms combustible, para el motor ECH. -Productos(o mezcla quemada): Esel fluido que sale del motor, enforma de productos de la combustin, en el proceso de escape.-Residuo: Es la fraccin en peso (f) de los productos que quedan atrapados en el volumen de comprensinaltrminodelacarreradeescape.Dichafraccinsesumaalaalimentacin fresca en la carrera de admisin y consecuentemente la diluye.

Donde:

-Mezcla(omezclanoquemada):Eselfluidoquesecomprimeduranteelprocesode compresin y esta formado por la mezcla de la alimentacin y los residuos. Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna24 As,podemos decir que para el funcionamiento del motor real, la sustancia de trabajo o alimentacin est constituida por:

- 2.10 ELABORACIN DEL DIAGRAMA DE MEZCLA NO QUEMADA. Este diagrama permite evaluar en forma rpida,las propiedades de la mezcla,durante el procesodecompresin(antesdelacombustin,noreaccinqumica).Dichaspropiedades dependen directamente de las cantidades relativas de combustible, aire y residuos de la mezcla . Es importante notar que debido a que las condiciones de funcionamiento del motor no son constantes, ni tampoco la cantidad de residuos, ser necesario elaborartericamente un nmero infinito de diagramas. Apesardeello,yamaneradeejemplo,sepresentarntresdiagramascorrespondientesa lostiposdemezclasempleadasordinariamenteenlosmotoresECH.Undiagramaesparala mezclacorrectadeaireyoctano(C8H18),yotroparamezclaspobresyunterceroparamezclas ricas. No hay que olvidar que si se requiere un estudio para otras condiciones de funcionamiento del motor,es posible consultar a literatura tcnica especializada. EJEMPLO 2.10.1 Paraentendermejorlaelaboracinyempleodedichosdiagramas,consideremos:la combustin del octano (C8H18) con la cantidad terica correcta de aire. (100% de aire),as:

Esta reaccin qumica establece que 1 mol de (

)se combina con 12.5 moles de O2 y 47 moles de N2 para producir 8 moles de CO2,9 moles de H2O y 47 moles de N2 como productos de su combustin . Adems la alimentacin puede obtenerse en peso (kg)de cada componente,multiplicando cada cantidad de moles por el peso molecular;por lo que se obtiene:

Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna25 De la ecuacin (2.10.2) se puede obtener la relacin aire-combustible,dividiendo los kg de aire, entre los kg de combustible,as:

Esta relacin indica quese requieren como reactivos:

O bien:

Comoseobservaenlaecuacin(2.10.5)lamezclatericamentecorrecta,estaconstituida por 1.0665 kg de diferentes gases, sin embargo la ecuacin (2.10.1) muestra que:

Por lo consiguiente,1.0665 kg de alimentacin fresca,representan:

Puesto que en el motor real,queda atrapada una fraccin en peso (f), como residuos de la combustinanterior,entonceselvolumendecompresinenlaalimentacinentrante,seve disminuida en (1-f). Porlotantolosmolestotalesporkgdeairedelamezclanuevaenelcilindrodelmotor sern:

Estos mismos clculos pueden repetirse para mezclas pobres y ricas con 110% y 85% de aire terico respectivamente,ylos datos obtenidos para las trescondiciones,aparecenagrupados en la tabla 2.10.1: Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna26 Tabla 2.10.1 Diagrama de mezclas de alimentacin Mezcla% de airetericoPeso de la mezcla en kgRc/a Ra/c Moles de mezcla no quemada (n) Pobre1101.06050.060516.50.0352 + 0.002f Correcta1001.06650.066515.050.0353 0.002f Rica851.07820.078212.80.0354 + 0.004f Diferentescantidades de combustible C8H18 con 1 kg de aire. Al construir un diagrama para la mezcla no quemada durante el proceso de compresin, se presentan las siguientes complicaciones: a)El combustible que entra al motor no es una mezcla homognea de gases. b)Las cantidades del gas residual varan con las condiciones de funcionamiento del motor. Como consecuencia no es posible obtener una respuesta exacta y general mediante un solo diagrama. Sin embargo para simplificar el trabajo, se puede suponer lo siguiente: a)El fluido combustible es una mezcla homognea de gases. b)Que el residuo del escape es constante para un valor de f = 0.10 Con estas suposiciones y los datos de la tabla 2.10.1 es posible determinar los componentes delanuevamezclatericamentecorrectayconstruireldiagramadecompresin;teniendoen cuenta que no ocurre ningn cambio qumico en este proceso. As los componentes de la mezcla nueva qumicamente correcta y constituida por 1.0665 kg de diferentes gases son:

Unavezdeterminadosloscomponentesdelamezclanueva,sepuedencalcularlas propiedadesdedichamezcla,adiferentespresiones,volmenesytemperaturasduranteel proceso de compresin. Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna27 Laecuacindelgasideal

nospermiteevaluarlasrelacionesexistentesentrela presin, volumen y la temperatura en cualquier punto del proceso, y el valor de (n), se encuentra sustituyendo el valor deen la ecuacin correspondiente de la tabla 2.10.1 A la energa interna de la mezcla no quemada, se le llama energa interna sensible (US ES).Puesto que no ocurre cambio de fase ni reaccin qumica durante el proceso, todo cambio en la energa interna,ser consecuencia de un cambio en temperatura y presin. Como el efecto de la presin es comnmente pequeo, se pueden calcular los valores de la energainternaconaceptableprecisin,enbasealatemperatura,asignandounpuntode referencia de 288.5 K (15.5C,520 R) Paraelclculodelaentropa,serequierendospropiedades,lascualespuedenserdadas porelpuntodereferenciaanterior,esdecirP=1.033kgf/cm,abs;T=15.5C,(P=14.7lbf/in,abs, T=60F) en este punto se le asigna el valor de cero a la entropa de cada componente gaseoso. Por lo que, la entropa de la mezcla de gases durante el proceso de compresin, ser igual a la suma de las entropas individuales. EJEMPLO 2.10.2 Calcular las propiedades a 777 K (1400 R) para la mezcla nueva correcta de aire y con una fraccin de productosf = 0.10;entonces tenemos que: (a) Para determinar los moles de cada componente de la mezcla, se tiene que para1716 Kg de aire, la alimentacin qumicamente correcta est dada por la ecuacin

Entoncesparaunaalimentacinde:

lacantidaden moles correspondientes ser:

Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna28

Lacantidadtotaldemolesdealimentacinparalosdosprimeroscomponentesdela mezcla puede ser escrita, como

Paracalcularlacantidaddemolescorrespondientealos0.10605Kgderesiduosenla alimentacin, y que resultan de la siguiente ecuacin;

Se procede de la siguiente manera: 1) Seescribe la ecuacin correspondientey se balancea nuevamente para obtener el nmero de moles de los productos de combustin.

Balance de carbones(C Reactivos = C Productos)

Balance de Hidrgenos(H Reactivos = H Productos)

Balance de Oxgenos(O Reactivos = O Productos)

Y la ecuacin ya balanceada en moles queda:

Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna29 2) Se calcula el nmero de moles de combustible.

Donde los moles de residuos en la alimentacin son:

Sumando las ecuaciones (b) y (c)en(a),se tiene;la alimentacin de la mezclanueva enmoles de cada componente.

Enlatabla2.10.2anexa,lacualtieneunpuntodereferenciade520Rseobtienenlos siguientes valores para (uSoeS) Tabla 2.10.2 Energa especfica uS ,eSa520 RKcal / mol-K Para todos los gasesu283.05=0 Para vapor de octanou777 =31357 Para aireu777 =2569 Para nitrgenou777 =2542 Para bixido de carbonou777 =4329 Para vapor de aguau777 =3214 Almultiplicarestosvaloresporennmerodemolesdecadacomponentedelamezcla nueva, tabla 2.10.3 se obtiene la energa interna sensible de cada componente, y la suma de todas ellas,dacomoresultadolaenergainternasensibledelamezclaenKcal/Kgdealimentacin, as: Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna30 Tabla 2.10.3 Energa interna especfica ComponenteMolesxuUSoES Para vapor de octano0.000525(31357)16.40 Para aire0.03116(2569)80.00 Para nitrgeno0.00274(2542)6.90 Para bixido de carbono0.000466(4329)2.00 Para vapor de agua0.000524(3214)1.60 US = 106.90Kcal / Kg Lapropiedadentropasensible(s)delamezclatericamentecorrecta,puedeencontrarse mediante la relacin termodinmica

Integrando esta expresin entre los estados 1 y 2 para n moles.

(

) Como en el estado o punto de referenciaT1 = 288.5 KyP1 = 1 atm,podemos fijar el valor de S1 = 0;adems como T1 =T2,entonces,

(

) Porloquelapresinparcialdecadacomponentedelamezcla,lacualseencuentraaP1 = 1 atm,Se calcula con la ecuacin:

Donde Pi = presin parcial de cada componente P= presin total de la mezcla Xi= fraccin en unidades de presin de cada componente. Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna31 Por lo que la suma de todas las presiones parciales de los componentes de la mezcla dan la presin total de la mezcla, indicada por la siguiente expresin: ==niP P1 1 DeaqusededucequelapresinparcialPidecadacomponenteesequivalenteala fraccin de moles de losmismos.La tabla 2.10.4muestra el clculo de la entropa de la mezcla de alimentacin. Tabla 2.10.4 Entropa especfica Componenten (moles) Fraccin molar equivalente a la presin parcial Pi lnP S (componentes) S = -n Ro ln P C8H180.0005240.015-4.200.0044 O20.006560.185-1.690.022 N20.02460.695-0.3640.0178 Residuos0.003730.105-2.250.0166 Total0.0354141.00s = 0.0608 cal / Kg As, la entropa de 1.0665 Kg. de mezcla es: Sm = 0.0608 Kcal Por ltimo la entalpa sensible de la mezcla, puede determinarse mediante las relaciones: JPvu hs s+ = (Kcal/Kg o Kcal/Kmol) JPVU Hs s+ = (Kcal) Si la mezcla obedece al gas perfecto,entonces T nR U Ho s s+ = (Kcal) Enresumensepuededecirque,laspropiedadesde1.0665Kgdemezclanuevade alimentacin qumicamente correcta (100% aire terico) a una temperatura de 777 K son: Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna32 US = 106.90Kcal SS = 0.0608Kcal Lasinterrelacionesentretemperatura,energainternasensibleyentalpasensibleparalas otras mezclas, se determinan para cada temperatura dada, siguiendo el mismo procedimiento. La figura 2.10.1 ilustra los resultados de estos clculos para los tres tipos de mezclas. Para encontrar las relaciones entre la temperatura, la presin y la entropa, se procede como enelejemplo,apoyndoseconlaecuacindeestadoPV=nRoT,yseconstruyeundiagrama como el de la figura 2.10.2Losvaloresdenseobtienendelatabla2.10.4yconf=0.10,RO=846Kgm /mol-K,se obtienen los siguientes valores para los tres tipos de mezclas: PV = 0.00299 T(pobre) PV = 0.00300 T(qumicamente correcta) PV = 0.00302 T(rica) Donde P y V estn en Kg / cmym3 respectivamente. Figura 2.10.1Diagrama de energa para mezclas de aire combustible y residuos de f=0.10 Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna33 Esposibleelaborarunsolodiagramacomoelrepresentadoenlafigura2.10.3,tomando como base las figuras anteriores (2.10.1 2.10.2) Figura 2.10.2Diagrama de compresin para una mezcla de alimentacin estequiomtrica y residuos de f = 0.10;0.9 Kg de aire, 0.05985 Kg de C8H18 y 0.10665 Kg de residuos. Figura2.10.3Diagramacombinado delacompresinylaenergaparaunamezcladealimentacin estequiomtricayconresiduosdef=0.10;0.9Kgdeaire,0.05985KgdeC8H18y 0.10665 Kg de residuos. Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna34 2.11.DIAGRAMAS PARA MEZCLAS QUEMADAS. Estossepreparanenunaformasimilaralaempleadaenlosdiagramasdecompresin (mezclas no quemadas), pero con la advertencia de que los clculos son ms elaborados. Para el caso de la mezcla quemada, con la cantidad terica correcta de aire, los componentes sedeterminanmedianteelequilibrioqumicoydisociacin;siendodichoscomponentes diferentes a los de la mezcla no quemada. Amaneradeilustracinsepresentalafigura2.11.1lacualmuestraundiagramadelos procesos de combustin para mezclas ricas, con una relacin combustible aire de 0.0782 Kg de combustible por Kg. de aire. Ladiferenciaconsisteenqueloscomponentesdelamezclanoquemadasonconstantes durante el proceso de compresin, mientras los de la mezcla quemada varan con la temperatura y la presin. Estoconduceaquelaenergainternadelamezclaquemada,incluyatantolaformade energasensiblecomoladeenergaqumicalatente.As,laenergainternatotalUparadicha mezcla, se obtiene al sumar ambas energas. Figura 2.11.1Diagrama de los productos de la combustin para mezclas ricas, y relacin aire-combustible = 0.0782 Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna35 La entropa total S,para la mezcla en equilibrio se obtiene en forma similar a la descrita en la energa interna. Esimportantehacernotarqueparaestosclculos,esnecesarioconsiderarelestadode referencia de 288.5 K (520 R) tanto para la energa interna sensible, como para la entropa. Porltimoestemismoprocedimiento,puedeaplicarsealasmezclaspobresyricasy dichos resultados pueden ser expresados en forma de diagramas. 2.12 TEMPERATURA DE COMBUSTIN. Sino serealizatrabajo,ynoexisteningncambioapreciableenlaenergacinticadela mezcla;laenergaliberadaporunareaccinqumicaenunreactorargimenpermanentese presenta en dos formas: a)Como prdida de calor hacia los alrededores.b) Y como aumento en la temperatura de los gases, producto de sta. Adems,cuandomenorsealaprdidadecalor,mayorresultaelaumentoenla temperatura.Es decir, si el proceso fuera adiabtico en el reactor, se tendra el mximo aumento de temperatura en los productos de combustin. En varias aplicaciones de ingeniera; como la propulsin de cohetes y los ciclos de turbina de gas, es conveniente predecir la mxima temperatura que pueden alcanzar dichos productos de la combustin.Aestatemperaturaseleconoceconelnombredetemperaturadellamaadiabticaode combustin adiabtica de la mezcla reactiva. Latemperaturadecombustinesperada,nosealcanzaenlaprcticadebidoavarios factores; como por ejemplo: a)Raras veces la combustin es completa. b)Las prdidas de calor pueden reducirse, pero no eliminarse. c)Algunos productos de la combustin se disocian en otras especies qumicas a causa de las altas temperaturas. Normalmentelasreaccionesdedisociacinsonendotrmicasyconsumenpartedela energa liberada por la reaccin que nos ocupa. Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna36 Enelprocesoadiabticoavolumenconstante,podemoslograrelvalormximodela temperatura,introduciendoalacmaradecombustinlacantidaddeaire(uoxigeno) qumicamente correcto. As, mediante un balance de energa.

Enlafigura2.12.1seilustraundiagramadelprocesoadiabticodecombustinen coordenadas T-U. Demaneraanloga,considerelacombustin adiabticaapresinconstantedeunamezclade reactivos a una temperatura T1. La temperatura de los productosdelacombustinseelevahastauna temperatura T2, como consecuencia de laausencia de latransferenciadecalor.Aestatemperaturasele denominatemperaturadecombustinadiabticaa presin constante. Mediante un balance de energa, se obtiene:

EJEMPLO 2.12.1 Comoilustracinconsiderelacombustindelmetano(CH4)apresinconstante,conun 200% de aire terico. Si la temperatura al iniciarse el proceso es de 298 K, calcule la temperatura terica de llama. 1)Se obtiene la ecuacin de combustin, con el 200% de aire terico.

Figura2.12.1Procesodecombustin adiabticoavolumen constante Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna37 2)Enlatabla2.12.1seobtieneelcalordecombustinparaelprocesoapresinconstantedel metano, a 25C (298 K) por gmol de combustible.

(

) Como:

Entonces de la tabla 2.12.2:

Y despejando;

3)Puesto que la entalpa de los productos es igual 978,680 J, en las condiciones de temperatura terica de llama (T2); podemos recurrir de nuevo a la tabla 2.12.2,y suponer una T2 = 1500 K; As :

El valor correcto de la temperatura de combustin se puede ajustar mediante aproximaciones sucesivas hasta:

Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna38 TABLA 2.12.1 CALORES DE COMBUSTIN* CombustibleFrmulaCalor latente de vaporizacin a 25 C en J/gmol Poder calorfico superior a 25 en J/gmol Poder calorfico superior a 25 en J/gmol ---- Alcohol etlicoC2H5OH426431413164140820512812311283696 Alcohol metlicoCH3OH37154 766124762405678169679399 ButanoC4H10244092876557286787926564712660190 Carbono ( Grafito)C 393517593517393517393517 DecanoC10H22508656830967681485063467776357935 EtanoC2H61558967155276814269151428155 HeptanoC7H164853583484118545014454508884 Hidrgeno H2285844 282125241830240590 MetanoCH4889676 884717801642801642 Monxido de carbono CO282995 281755282642281755 OctanoC8H18413665512211549869051161495124827 PentanoC5H123534950352503232708473275806 2-2-4 TrimetilC8H1835074549656151004135109092 *Obert, E.F. ,Internal Combustin Engines, International Textbook Co.,1968 TABLA 2.12.2 VALORES DE ENTALPA DE ALGUNOS GASES IDEALES EN J/gmol* T, KO2N2CO2H2OCOCH4RUT 00000000.00 100298528683211329128473329832.00 2005832581159916628581166611664.00 298.1686888675937099108679100322480.68 30087428729943799738734100992496.00 4001171911648133811336411656138963328.00 5001477914591176891683514612182384160.00 6001794017572222952041517626231704992.01 7002119820620271432410320708286805824.01 8002453923731322012791323865347216656.01 9002794726909374303184927089412577488.01 10003140930149427973590630379482368320.01 11003492233448482914009733729556139152.01 12003847336802538844440937124633389984.01 130042061401975956148839405667137710816.01 140045678436356531453386440417968711648.01 150049325471067112558037475548823712480.01 160052997506067699562789510929700013312.01 1700566895413582911676345465010595114144.02 1800604115769088865725615823411506214976.02 1900641596126194856775696183912432315808.02 20006792764854100881826476545613371016640.02 21007171668453106935877936909514320917472.02 22007553472088113014930017274115281418304.02 23007936975727119114982647640116250619136.02 240083229793731252361035778007317217819968.02 250087115830371313781089418375318213420800.02 260091017867091375411143508744619204921632.02 270094944903891437161197979114220202622464.02 280098892940771499081252829485221205723296.03 2900102861977701561131308049856622213524128.03 300010685110147516232513635610228423226324960.03 *Obert, E.F. ,Internal Combustin Engines, International Textbook Co.,1968

Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna39 2.13 VELOCIDAD DE PROPAGACIN DE LA LLAMA. En una mezcla homognea, el frente dellama se desplaza en la cmara de combustin con una velocidad, que depende de la velocidad de combustin y de la velocidad de traslacin. Lavelocidaddecombustinserefierealavancedelareaccinqumica,aloxidarseel combustible con el oxgeno del aire, y es comparable a la propagacin del fuego en un campo de hierba sin viento. Lavelocidaddetraslacinserefiere,encambio,almovimientofsicodelfrentedela llamaconrelacinalasparedesdelacmara;causadoporladiferenciadepresinentrelos gases quemados y los gases que an estn por quemarse. Esto indica, que al atravesar la cmara de combustin, la llama avanza inicialmente a una velocidad relativamente baja. En efecto, al comienzo la masa de carga quemada es pequea y la propagacin se debe sobre todo a la reaccin qumica. Por otra parte, los electrodos de la buja estn casi al ras de la pared de la superficie de la cmara y por lo tanto la chispa salta en un estrato de gas adherido a la pared donde la turbulencia es reducida, por lo que la reaccin es relativamente lenta. Apenas la llama alcanza una zona de mayor turbulencia y afecta a una mayor cantidad de masademezcla,staavanzaconmayorrapidezyconunavelocidadmsbienconstante; comparablealapropagacindelfuego,enuncampodehierbaconviento.Aestehechose denomina velocidad de propagacin de la llama. Al final del recorrido de la llama, el volumen de los gases por quemarse en el interior de lacmaradecombustinespequeo,disminuyendoelefectodetraslacinylavelocidadde reaccinqumica,comoconsecuenciadeladisminucindelaturbulencia;debidoaestola velocidad de propagacin de la llama disminuye. 2.14 CICLO IDEAL OTTO. Estecicloestndardeaireesobedecidoenformaaproximadaporlosmotoresde combustininternadeignicinporchispa(ECH),comoelmotordegasolinaconvencional empleado en los vehculos automotores. Estos motores operan bajo los principios de cuatro y dos tiempos, los cuales se describen a continuacin. - - Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna40 -Motor de cuatro tiempos.Este motor concebido por Beau de Rochas en el ao de 1862 consta de cuatro procesos, como se ilustra en la figura 2.14.1. En este tipo de motor el cigeal gira 720 o dos revoluciones para completar los cuatro procesos. Admisin. Durantelacarreradeadmisin(a),elpistndesciendedesdesupuntomuertosuperior,hastasupuntomuerto inferior, mientras la vlvula de admisin permanece abierta. En este proceso se introduce la mezcla aire-combustible al cilindro del motor, en una proporcin determinada. Compresin. En este proceso (b), elpistn sedesplaza desdesu puntomuerto inferior hastasu puntomuerto superior,mientras permanecen cerradas las vlvulas de admisin y de escape. Comprimiendo as, la mezcla aire-combustible. Expansin. Al trmino del proceso de compresin se inicia la combustin de la mezcla aire-combustible (c), mediante la accin de la buja. Como consecuencia de esta combustin el pistn es lanzado desde su punto muerto superior hasta suFigura. 2.14.1Procesos del motor (ECH) de cuatro tiempos. Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna41 punto muerto inferior, mientras las vlvulas de admisin y de escape permanecen cerradas, logrndose el proceso de expansin. Escape. Alllegarelpistnasupuntomuertoinferior,lavlvuladeescapeseabre,yelpistnasciendedesdesupunto muertoinferiorhastasupuntomuertosuperior,iniciandolacarreradeescape(d),enlaquelosproductosdela combustin son descargados del cilindro hacia la atmsfera. -Motordedostiempos.EstemotorconcebidoporDugaldClerken1878,realizalamismasecuenciade procesos en solo unavuelta del cigeal, es decir, 360. La figura 2.14.2 muestra losprocesosdeexpansin,escape,admisinycompresindelmotordedos tiempos. Este motor utiliza lumbreras en lugar de vlvulas. Compresin. Finalmente el pistn llega a su punto muerto superior, efectundose as la compresin de la mezcla aire-combustible. Expansin. En este proceso, el pistn iniciasu descenso desdeelpunto muerto superior, alfinalizar laexplosin delamezcla aire-combustible. Escape. Antesdequeelpistnalcancesupuntomuertoinferior,laslumbrerasopuertasdeescape,enelcilindro,son descubiertas por ste, inicindose el proceso de escape. Figura 2.14.2Procesos del motor (ECH) de dos tiempos Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna42 Admisin. Continuando elpistnsu carreradescendente, seabren laslumbreras o puertas deadmisin, introducindoseen el cilindrounflujodeaire-combustiblefresco.Duranteelintervalodetiempoenqueambaslumbreraspermanecen abiertas, se efecta el proceso de barrido, en el cual los residuos de la combustin son expulsados a la atmsfera. Esimportantenotarquetantoelmotordecuatrotiempos,comoeldedostiempos,no constituyenunciclotermodinmico;pueslasustanciadetrabajocambiadecomposicin qumicayserenuevaconstantemente,ancuandooperanmecnicamenteenformacclica.Por lo tanto es conveniente establecer que el conjunto de procesos forman un ciclo abierto. 2.15ANLISIS TERMODINMICO DEL CICLO OTTO ESTNDAR DE AIRE. Este anlisis implica las siguientes suposiciones: +Lasustanciadetrabajonocambiadecomposicinqumicaypermanecetodoeltiempoenel dispositivo mbolo-cilindro. +La adicin de calor a volumen constante se realiza en forma equivalente a la combustin. de la mezcla aire-combustible +Los procesos de compresin y expansin son isentrpicos (adiabticos-reversibles). +Los calores especficos de la sustancia de trabajo, son constantes. 2.16 DIAGRAMAS T-S Y P-V DEL CICLO OTTO ESTNDAR DEL AIRE. Lafigura2.16.1ilustralosdiagramasT-SyP-Vcorrespondientesalciclodecuatro tiempos. La masa de aire permanece durante todo el ciclo y no abandona el dispositivo mbolo-cilindro. Figura 2.16.1Diagramas T-S y P-V de un ciclo Otto estndar de aire. Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna43 Estosdiagramas,difierendelosquesepresentanenlosmotoresdecombustininterna reales, y se explicarn posteriormente. En los diagramas T-S y P-V tericos del ciclo Otto, se presentan los procesos siguientes: *La compresin se efecta isentrpicamente de 1 a 2. *Se agrega calor a volumen constante de 2 a 3. *La expansin se produce isentrpicamente de 3 a 4. *El calor es cedido a volumen constante de 4 a 1. 2.17 CLCULO DE LA EFICIENCIA TRMICA DEL CICLO OTTO ESTNDAR DEL AIRE. Estasedefinecomoelcocientequeresultadedividireltrabajoproducido(efecto deseado), entre el calor agregado (costo de dicho efecto).

El calor de entrada, se agrega a volumen constante del estado 2 al 3 durante la combustin. Debidoaquelamasadeaireesconstanteysiendoeldispositivombolo-cilindrounsistema cerrado; la primera ley de la termodinmica establece que, W2-3=0;as:

El calor que sale, es cedido a volumen constante del estado 4 al 1. Una vez ms, la primera ley establece que:

Al sustituir estos valores en la ecuacin (2.17.1) se obtiene:

|

|

Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna44 2.18 CLCULO DE LA RELACIN DE COMPRESIN Sedefinecomoelcocientequeresultadedividirelvolumenocupadoporelaireenel punto muerto inferior, entre el volumen ocupado por el mismo, en el punto muerto superior. As para el ciclo Otto se tiene:

2.19PROCESOS ISENTRPICOS DE COMPRESIN Y EXPANSIN DEL CICLO OTTO ESTNDAR DE AIRE. Enestosprocesoslatemperaturaencadapuntodelciclo,sehayarelacionadaentrelos estados1y2,3y4porprocesosisentrpicos.As,paraunprocesoadiabticosinfriccin,en donde el medio de trabajo es un gas ideal (aire), con calores especficos constantes, se tiene:

Sustituyendo la ecuacin de los gases ideales , en la ecuacin (2.19.1), se obtiene:

(

)

(

)

De modo que, para el proceso de 1 a 2 se obtiene:

Y para el proceso de 3 a 4, se tiene:

Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna45 De modo que:

Eliminando T3 y T4 en la ecuacin (2.17.2) se obtiene:

La ecuacin (2.19.2) indica que la eficiencia trmicaaumentagradualmente alaumentar la relacin de compresin ( r ), como se ilustra en la fig. 2.19.1. Porestehecho,hoyendasepretende construirmotoresdecombustininternacon altasrelacionesdecompresin.Sinembargo, estas altas relaciones de compresin requieren el empleo de combustibles altamente refinados que soporten la autoignicin, adems de que generan problemasenelarranque.Enunmotorrealla compresinestlimitadaporlatemperaturadel estado2.Sitaltemperaturafuerademasiado elevada, la mezcla de aire-gasolina se encendera espontneamente y en el momento impropio. Al mismo tiempo en la fig. 2.19.1, se indica tambin que la eficiencia trmica del ciclo Otto estndar de aire depende de la relacin de calores especficos (k=Cp/Cv) y es independiente de la carga del motor. Tambin en esta figura se muestra que la eficiencia del COEA es mayor que la de un motor real. Fig.2.19.1.EficienciaTrmicademotoresrealesy estndaresenfuncindelarelacinde compresin. Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna46 2.20.PRESIN MEDIA EFECTIVA. Lapresinmediaefectiva(Pm)constituyeunamediatilparalacomparacinentre mquinasquefuncionanconbaseenciclosdiferentes;cuantomayoreslapresinmedia efectiva, menor ser el tamao de la mquina para la realizacin de cierta cantidad de trabajo. La presinmediaefectivasedefinecomoelcocientedeltrabajonetoefectuadoentreelvolumen desplazado. 2 1V VWVWPnnnm= =Estapresinesconstantedurantetodoelcicloypuededeterminarseexperimentalmente mediante un diagrama indicador de presin. En la fig. 2.20.1 se muestra un diagrama P-T, el cual indicacomovaralapresinrespectoaltiempoenunmotordecombustininterna.Este diagrama puede modificarse haciendo uso de las dimensiones del motor(L,A) obtenindose un diagrama P-V. Este a su vez permite determinar el rea resultante (Cantidad de trabajo), as como el volumen desplazado por cada cilindro, y con ello se obtiene la presin efectiva (Pm). Mediante la relacin: Dm m m V P V V P LA P W = = = ) (2 1 EJEMPLO 2.20.1 Un motor funciona con base a un ciclo Otto estndar de aire. Las condiciones al inicio de lacompresinson27Cy100KPa.Elcaloragregadoes1840Kj/Kg.Larelacindecompresin vale 8. Determine: Fig. 2.20.1 Diagrama Presin-Tiempo de un motor de combustin interna Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna47 a)La temperatura y la presin en cada punto del ciclo b)La eficiencia trmica c)La presin media efectiva a)Proceso 1-2, isentrpico. T1=300 k P1=100 KPa rVV= = 821 12112||.|

\|=kVVTT ( )( ) K T 2 . 689 8 3004 . 02= = ( ) kPa PVVPPk9 . 1837 8 1004 . 022112= = ||.|

\|=Proceso 2-3, isomtrico q = u3-u2 = Cv (T3 -T2) 1840 = (0.7176) (T3-689.2) T3 = 3253.5 k kPaTTP P 1 . 86762 . 6895 . 32539 . 1837232 3= |.|

\|=||.|

\|=Proceso 3-4, isentrpico r VV 143= Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna48 14334||.|

\|=kVVTT ( ) K T 2 . 1416815 . 32534 . 04= |.|

\|=kVVPP||.|

\|=4334 KPa P 1 . 472811 . 86764 . 14= |.|

\|=b) ( )565 . 0811114 . 01= = = krtq% 5 . 56 =tqc) 2 1V VWVWPnDnw= =( )( )kgmPT Rv311 11861 . 0100300 287 . 0= = =kgmrvv3121076 . 08861 . 0= = =kPav veQtnPm 9 . 13791076 . 0 861 . 06 . 10392 1=== 2.21CICLO DIESEL ESTNDAR DE AIRE Esteciclo,concebidoporRudolphDieselen1892,essimilaraldelmotordeignicinpor chispa (ECH), excepto que requiere unarelacin de compresin mayor,y la sustancia de trabajo es solo aire durante el proceso de admisin. Debidoaestaaltarelacindecompresin,elairesuministradodurantelaadmisin; alcanza una alta presin y temperatura durante la compresin, a tal punto que el combustible al serinyectadoenelcilindro,espontneamentesufrecombustin;sinnecesidaddelachispa suministrada por la buja. Controlandolainyeccindecombustible,seconsiguequelacombustinserealicea presin constante. Este ciclo puede efectuarse en motores de 4 y 2 tiempos: Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna49 -Ciclo de 4 tiempos.-En este ciclo, el aire se suministra al cilindro durante el proceso de admisin, mientras elpistndesciendedesdesupuntomuertosuperior,hastasupuntomuertoinferior, paracomprimirseposteriormentemientras elpistnsedesplaza haciaarriba. Cuando elpistnseencuentraprximoaalcanzarsupuntomuertosuperior,seinyecta combustiblealcilindroenformadepequeaspartculasdeaceitefinamente atomizado,logrndoseasunacombustinesencialmenteisobrica.Losproductos resultantes se expanden mientras el pistn desciende asupunto muerto inferior, para terminar el ciclo con el proceso de escape, en el que el pistn se mueve hasta su punto muerto superior. 2.22 ANLISIS TERMODINMICO DEL CICLO DIESEL ESTNDAR DE AIRE. Este ciclo esta constituido por los siguientes procesos: +1-2Partiendoelmbolodesdeelpuntomuertoinferior,seproducecompresinisentrpica (solo aire). +2-3 Se proporciona calor a presin constante. +3-4 Se lleva acabo isentrpicamente la expansin. +4-1 Se produce cesin de calor a volumen constante. 2.23 DIAGRAMAS P-VyT-S DEL CICLO DIESEL ESTNDAR DE AIRELa figura 2.23.1 ilustra los diagramas P-V y T-S correspondientes al ciclo de cuatro tiempos. En este ciclo estndar se agrega calor externo, y no el que resulta de inyectar el combustible. Figura 2.23.1. Diagramas P-V y T-S del ciclo Diesel estndar de aire. Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna50 2.24 CLCULO DE LA EFICIENCIA TRMICA DEL CICLO DIESEL ESTNDAR DE AIRE. Paraesto,hayquedeterminarlasexpresionescorrespondientesalcalorsuministradoyal calor cedido, y sustituirlas en la ecuacin 2.17.2 Puesto que el calor se proporciona a presin constante, y en el caso de un sistema cerrado, la primera leyde la termodinmica indica que: ( )2 3 2 3 3 2T T mC H H Qp = = La disipacin de calor se produce a volumen constante, y la primera ley para el caso de un sistema cerrado establece que: ( ) 04 1 4 1 1 4< = =T T mC U U Qv Al sustituir estas relaciones en la ecuacin 2.17.1 se tiene: ||.|

\| =2 31 411T TT Tktq(2.24.1) Puesto que el ciclo es asimtrico, la expresin que corresponde a la eficiencia no se puede reducir posteriormente, como sucede en el ciclo Otto. Observemos que: 3421VVVV=LaeficienciadelcicloDieselesligeramentemenorqueladelcicloOttoparala mismaadicindecalor.Estosedebeaquecuandoelcalorestasiendoagregado,enel ciclo Diesel s esta llevando a cabo al mismo tiempo una parte del proceso de expansin, en tanto que la expansin en el ciclo Otto se produce despus de haberse suministrado todo el calor.Sin embargo, existe un factor importante en favor de los motores Diesel. La relacin de compresin puede ser mayor en este ciclo que en el Otto, porque solo se tiene que comprimir aire,y no una mezcla de airecombustible. De manera queen la prctica, una mquina de ciclo Diesel es ms eficiente que una de ciclo Otto, pues es mayor la relacin de compresin posible. Despusdelacombustin,lamximatemperaturapermisibleesaproximadamentela misma para ambos motores, de manera que la ventaja de las altas temperaturas mximas que se producen en el ciclo Otto y Diesel respectivamente, no se tienen en una mquina real. Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna51 EJEMPLO 2.24.1 Un motor funciona con base en un ciclo Diesel estndar de aire. Las condiciones al inicio delacompresinson27Cy100KPa.Elcalorsuministradoes1840KJ/Kg.Larelacinde compresin es 16. Determine: a)La temperatura y la presin mximas. b)La eficiencia trmica. c)La presin media efectiva. a)Proceso 1-2 Isentrpico. 1621= =VVr12112||.|

\|=kVVTT ( )( ) K T 4 . 909 16 3004 . 02= = KVVPP||.|

\|=1112 ( )( ) KPa P 3 . 4850 16 1004 . 12= =Proceso 2-3, Isobrico. ( )2 3 2 3 2 3h h T T C qP = = ( )( ) 4 . 909 0047 . 1 18403 = TK T T 8 . 2740mx 3= =KPa P P P 3 . 48502 3 mx= = =( )( )KgmPRTv33331622 . 03 . 48508 . 2740 287 . 0= = = Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna52 Proceso 3-4, Isentrpico. 1 4v v =( )( )KgmPRTv3111861 . 0100300 287 . 0= = =14334||.|

\|=kvvTT K T 7 . 1405861 . 01622 . 08 . 27404 . 04= |.|

\|=kvvPP||.|

\|=4334

KPa P 6 . 468861 . 01622 . 03 . 48504 . 14= |.|

\|=Proceso 4-1, Isomtrico. ( ) ( ) 04 1 4 1 1 4< = =T T C U U qV ( )( )KgKJq 4 . 793 7 . 1405 300 7176 . 01 4 = = = =KgKJq Wneto6 . 1046 b) % 9 . 56 100 569 . 018406 . 1046= = = xtq c) ( )KPav vWPnetom6 . 12960538 . 0 861 . 06 . 10462 1=== 2.25 ANLISIS DEL CICLO ABIERTO. Si consideramos a un motor como un sistema abierto, lo cul es real, puede lograrse mayor exactitud en la determinacin del trabajo y la eficiencia de la mquina. Considereunmotordecombustininternacomouncicloabierto,comoseilustraenla figura 2.25.1 Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna53 Donde: am= Flujo de aire en Kg/s fm= Flujo de combustible en Kg/s ah =Entalpa del aire en KJ/Kg fh =Entalpa del combustible en KJ/Kg eh =Entalpa de los productos de la combustin en KJ/Kg w =Rapidez del trabajo o potencia en watts. Q =Calor que se transmite al agua de enfriamiento y a otras partes en KJ/s. Adems considerando que la diferencia entre elciclo Ottoy el Diesel,se debe a la forma enqueseefectaelprocesodecombustin(2-3),comoseilustraenlafigura2.25.2,en coordenadas T-S. Es posible calcular la entalpa de salida de los productos de combustin (he), si se conoce la temperatura y la presin de salida de los mismos, mediante el uso de los valores tabulados de las propiedades.En caso contrario, habr que examinar el ciclo para obtener el estado 4. Laentalpa(hf)delcombustible,tienedoscomponentes,laentalpadecombustinyla entalpa correspondiente a una temperatura distinta de la del estado de referencia. Esta ltima es muy pequea comparada con la de combustin. Figura 2.25.1Esquema de un MCI considerado como sistema abierto Figura 2.25.2Diagramas T-S para los ciclos abiertos Otto y Diesel respectivamente. Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna54 Adems los gases abandonan el motor a una temperatura bastante elevada, de modo que el aguaquecontienendichosgases,estenformadevapor,yporlotantoseempleaelpoder calorfico inferior. De manera que ( hf~hpr);donde (hpr ) es la entalpa del punto de referencia . EJEMPLO 2.25.1 Un motor funciona con base en el ciclo Otto y tiene una relacin de compresin de 7.5. La relacin aire-combustible (ra/f) es 30:1, y la mquina quema gas octano, con un poder calorfico inferior de 44232 KJ/Kg.El aire entra al motor a 27 Cy100 Kpa.Determine el trabajo mximo posible por Kg de aire (Use las tablas de aire). Sabemos que el trabajo mximo posible para el motor se produce en las condiciones adiabticas (Q = 0). Ademscomolaentalpadelaireesfuncinnicadelatemperaturah=h(T),paraeldiagramaT-Sse tiene: Estado 1 T1 = 27 C = 300 K De la misma tabla con T1 = 300 K ha = 300.19 KJ/Kg r1 = 144.32 Pr1 = 1.386 Como el proceso 1-2 es isoentrpico. Estado 2||.|

\|=121 2VVV Vr Pero;21VVr =As; 24 . 195 . 732 . 1442= =rVEntrando a la misma tabla con24 . 192 =rV ,encontramos: Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna55 T2 =657 K u2 =479 KJ/Kg de aire Pr2 = 22.75 Puesto que el proceso de combustin (2-3) es a volumen constante y0 = wq2-3 =CvdT= u3 u2

La energa liberada desde el punto de referencia es upr =hpr RT Siendo upr la energa interna en el punto de referencia aT = 25 C As: ( )e combustibl deKgKJupr4421023 114298 3143 844232 = =.. Como en el proceso de combustin (2-3),Q = 0y w= 0, entonces: Estado 3 se tiene: ( ) ( )|.|

\| + =|.|

\|+ =|.|

\|+afaf prafr u u r u u r u 13 3 3 2 y aire de Kge combustibl de Kgraf0333 0301. = = Entonces: ( )( ) ( ). ...aire deKgKJru r uuafpraf3 18880333 144210 0333 0 479123=+=+|.|

\|+=De la misma tabla, con u3 = 1888.3 KJ/Kg de aire encontramos: T3=2215 K Pr3 =3354 r3 = 0.4972 Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna56

El proceso de (3-4) es isentrpico, pero 4 1,as: Estado 4 P4 = P1,y haciendo uso de las relaciones Pr,se tiene: KPaPPP Prr1641386 175 22100121 2= |.|

\|=||.|

\|=.. KPaTTP P 553265722151641232 3= |.|

\|=||.|

\|=24 6255321003354343 4. = |.|

\|=||.|

\|=PPP Pr r

En la misma tabla del aire, con24 624. =rP ; se tiene: K T 8644 =eh aire deKgKJh = = 7 8924.Un anlisis segn la 1 ley para el sistema abierto (todo el motor) indica: ( ) W r h h r haf e praf a+|.|

\| + =|.|

\|+ 1W = 300.19 + (0.0333)(44232) 892.7 (1.0333)=850.7 KJ/Kg de aire. As: ( ) ( )% ...7 57 10044232 0333 07 850= = =entQWq

2.26CICLOS TERICOS Y REALES. Elestudiodelosciclosseabordafrecuentemente,considerandoprimerolosciclos tericos, los cuales cuentan por entero con procesos internamente reversibles. Por tal motivo, al analizar estos ciclos no se toman en cuenta efectos como el rozamiento y otras fuentes de irreversibilidad internas. Por consiguiente, los aparatos y motores que operan bajo este criterio, son imposibles de construir;debidoaquetodomotor,aparatooequiporealtienenirreversibilidad.Asque,un ciclo terico ms bien es un ciclo conceptual fcil de analizar. a A Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna57 Los ciclos reales, por otra parte, son aquellos que contienen irreversibilidad, y el anlisis de los motores que operan con dichos ciclos, toman en consideracin este concepto. Puesto que el ciclo terico, evita la irreversibilidad interna, se analiza para determinar la mxima eficiencia que puede lograrse en un ciclo dado. Sinembargo,dichociclonoesinternamentereversibledeltodo,debidoaqueexiste transferenciadecalorentreelsistemaysusalrededoresatravsdeunadiferenciafinitade temperaturas. As,unavezquelastendenciaseneldiseosonestablecidasmedianteelanlisisdel cicloterico,sepuedenestablecermodificacionesquepermitanmejorarlaeficienciatrmicao coeficiente de comportamiento del ciclo real. 2.27COMPARACIN ENTRE EL CICLO OTTO TERICO Y EL REAL. La figura 2.27.1 ilustra la comparacin entre los procesos del ciclo Otto terico y el real. LaslneaspunteadasilustranlosprocesosyaconocidosdelcicloOttoterico.(ciclo cerrado). +1-2 Compresin(s=c) +2-3 Adicin de calor (v=cte) +3-4 Expansin (s=c) +4-1 Escape (v=cte) Figura 2.27.1 Comparacin entre el ciclo Otto terico y el real Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna58 Las lneas negritas ilustran los procesos del ciclo Otto real +1-2 Compresin no adiabtica, de manera que la presin real es menor que la terica. +2-3Ignicin,lacualseproduceantesdequeelpistnllegueasuPMSyrequieredeunciertointervalode tiempoparaquelacombustinselleveacabo.Noesavolumenconstanteyseproduceunaprdidade energa hacia las paredes del cilindro y la cabeza del mbolo.La presin mxima es menor que la del ciclo terico. +3-4 El proceso de expansin no es adiabtico, y a esto se deben las menores presiones del estado 3 al 4.

Ademsseobservaquelaaperturadelavlvuladeescapeserealizaantesdequeel pistnllegueasupuntomuertoinferior(PMI),yloanteriorreducelapotenciadesarrollada(rea I). ElreaIIrepresentaeltrabajoqueelmotortienequerealizarparalaexpulsindelos gases de escape, del estado 4 al 5, y a la vez admitir una nueva carga de aire de 5 a 1. Enlafigura2.27.1seobservaque,silavlvuladeescapeseabredemasiadoprontose reduce el rea I, es decir la P4 ser aproximadamente igual a la P5 y la lnea 4-5 se acerca ms a la horizontal. Si la vlvula de escape se abriera demasiado tarde, el trabajo necesario para expulsar los gases de combustin ser mayor debido a la mayor presin en el estado 4, lo cual es indicado por el incremento en el rea II. Aldisearunmotor,sebuscaquelasresistenciasalosmovimientosenlossistemas valvulares de admisin y escape sean lo ms pequeas posibles.El diagrama P-V del ciclo Diesel es muy similar a la figura 2.27.1 2.28DIFERENCIAS ENTRE EL CICLO OTTO TERICO Y EL REAL. Las diferencias sustanciales entre estos dos ciclos, radican en la forma del diagrama y en losvaloresdelaspresionesytemperaturasalcanzadosencadapuntodelciclo.Verlafigura 2.28.1. Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna59 Estas diferencias estn enfocadas a los procesos que se efectan en cada ciclo y consisten en: -Diferente recorrido o trayectoria. -Curvas de compresin y expansin diferentes. -Sustitucin de los tramos rectilneos por curvos. -Sustitucin de ngulos por curvas de enlace. Formadeldiagrama.-Eneldiagramapuedenobservarseciertasdiferencias,ylascausasde ellas suelen darse por las siguientes razones: a)Prdidas de calor: Enelciclo terico son nulas; en elciclo real son en cambio,apreciables; puesto queel cilindro y la culata estn refrigeradas y una parte del calor es transmitido por el fluido a las paredes de la mquina. As,laslneasquerepresentanlosprocesosdecompresinyexpansinnosonporlo tantoadiabticos,sinopolitrpicosconexponentenk,adems,comoelfluidosufre prdidas de calor en el proceso de expansin, se tendr n > k y para la compresin n < k.As, en la figura 2.28.1 se observa una prdida de trabajo til correspondiente al rea A. b)Combustinnoinstantnea:Enelciclotericosesuponequelacombustinserealizaavolumen constante,esdecir,instantneamente.Enelcicloreal,encambio,se requieredeunciertoperiododetiempo.Sielencendidotuvieralugar, cuando el pistn se encuentre exactamente en el PMS, la combustin seFigura 2.28.1Diferencias entre el ciclo Otto terico y el real. Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna60 realizara cuando el pistn empiece a descender y se aleje del PMS; y por lo consiguienteelvalordelapresinseramenoralprevisto,conla consecuenteprdidadetrabajotil.Porestemotivoconvieneanticiparel encendido, detal suertequelacombustin seefecte, cuando elpistn se encuentre en las cercanas del PMS.Esto produce un redondeamiento de la lneatericadeaportacindecalor,yporlotantounaprdidadetrabajo tilrepresentadoporlasreasB.Perostaprdidaresultademagnitud mucho menor que la que tendra, sin adelanto del encendido. c)Tiempodeaperturadelavlvuladeescape:Enelciclotericosehasupuesto,quetambinla extraccin de calor se lleva a cabo instantneamente; coincidiendo con la posicin del pistn en el PMI. En el ciclo real la extraccin de calor se produce durante untiemporelativamentelargo;lavlvuladeescape debeabrirseanticipadamenteparadartiempoauna partedelosgasesquemadosparasalirdelcilindro, antes dequeelpistn alcanceelPMI;demodo que lapresin desciendaaproximadamente hastael valor delapresinexterior,alcomienzodelacarrerade escape.Estehechoeselqueproduceladisminucin de trabajo, representado por las reas C. Presionesytemperaturasalcanzadas.-Lascausasdelasdiferenciasenlosvaloresdelas presiones y temperaturas mximas alcanzadas en las esquinas del ciclo son: a) Aumento de los calores especficos con la temperatura.En el ciclo terico estos valores de Cp y Cv, permanecenconstantes,tantoenlacarrera decompresincomoenladeexpansin, estoesdebidoaquedichosprocesosse suponenisentrpicos,ynoexperimentan variacin con la temperatura. Enelcicloreal,sinembargo,CpyCv experimentanvariacinconlatemperatura, y la relacinn = Cp / Cv disminuye durante el proceso de compresin y aumenta en el de expansin. Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna61 Deeste hecho sedesprende quelos valores delapresinylatemperaturamximasean inferioresenelciclorealencomparacin conelindicado.Lafigura2.28.1ilustralo expuestoanteriormente,mostrando,como tantoelreayelrendimientotrmicodel ciclo real, resultan disminuidos. b)Disociacin de la combustin.-Puesto queen el ciclo real, los productos delacombustin constituidos esencialmenteporCO2yH2O,sedisocianenotroscompuestostales como CO, H2y O2, mediante una reaccin en la cual se absorbe calor, la temperaturamximaobtenibleenelprocesosereduceysepierdeuna cierta cantidad de trabajo. c)Condiciones de admisin: Otra diferencia importante entre estos dos ciclos, est en la carrera de admisin.Esto es, en el ciclo real la presin de admisin durante la carrera, es menor a la quesetieneenlacarreradeescape.Esdecir,durantelaadmisinlapresin resultainferioralaatmosfricadebidoalacadadepresinenelventur; mientrasqueenlacarreradeescape,lapresinresultamayorquela atmosfrica.Enelciclotericotantoenlacarreradeadmisincomoenlade escape, la presin es equivalente a la atmosfrica.Por lo tanto, se crea un rea negativa D, que corresponde al trabajo perdido.Este trabajo hecho por el motor parallevaracabolaadmisinyelescape,sedenominatrabajodebombeo,y generalmente se evala como trabajo perdido por rozamiento. 2.29DIFERENCIAS ENTRE EL CICLO DIESEL TERICO Y EL REAL. Como en el caso del ciclo Otto, las diferencias entre el ciclo Dieselterico y real son la formadeldiagrama,aunadoalosvaloresdelaspresionesytemperaturasenlospuntoso esquinas del ciclo. Estas diferencias son iguales a las del ciclo Otto y se enumeran a continuacin: -Prdidas de calor. -Combustin no instantnea. -Tiempo de apertura de la vlvula de escape. -Aumento de los calores especficos con la temperatura. -Disociacin de los productos de la combustin. -Prdidas por bombeo. Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna62 UnadiferenciapeculiardelcicloDiesel,serefierealacombustin,esdecir,enelciclo real sta no se efecta a presin constante; mientras que en el ciclo terico si se efecta en esta condicin. Observandolafigura2.29.1seaprecia,queenlaprcticalacombustinserealizaen condiciones tales que la presin varia durante el proceso. Enrealidadlacombustinseefectaparteavolumenconstanteyparteapresin constante, asemejndose al ciclo Otto real Slo en el caso de motores Diesel muy lentos, la combustin se desarrolla de manera que se aproxima al proceso terico, como se ilustra en la figura 2.29.2. Figura 2.29.1Diferencias entre el ciclo diesel terico y el real Figura 2.29.2Diferencia entre un motor diesel lento y uno rpido Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna63 2.30 DIFERENCIAS ENTRE EL CICLO OTTO Y DIESEL REALES. Algunas diferencias de importancia entre estos ciclos se muestran en la figura 2.30.1: a) La disociacin de los productos de combustin: En los motores EC, no tiene un efecto tan importante como en el motor ECH, porque el exceso de aire y el mezcladodelosproductosdelacombustin,son talesqueproducenlatemperaturamximaenel motor y no se pierde tanta cantidad de trabajo. b)Las prdidas por bombeo: En el ciclo Diesel son inferiores a las del ciclo Otto, debido a que en el ciclo Diesel no hay parcializacin de aire en la admisin por conducto de la vlvula de mariposa, caracterstica primordial en los motores ECH.Por lo tanto el rea D negativa del ciclo Diesel real es menor que la del ciclo Otto real. 2.31SOBREALIMENTACION Lapotenciaefectiva(Pe),enunmotordecuatrotiempossecalculamultiplicandoel volumendelcilindroporelnmerodecilindros,porelnmerodeRPMyporlapresinmedia efectiva y dividiendo el resultado entre 9,000, o sea: Figura 2.30.1 Diferencias entre los ciclos Otto y Diesel reales. Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna64

Aspues, si queremos aumentar la potencia efectiva tenemos que aumentar cualquiera de losfactoresqueestnporencimadelaraya,yasea,elvolumendelcilindro,elnmerode cilindros, el nmero de RPM, o la presin media efectiva. El nmero 9000 no puede aumentarse ni disminuirse porque es un nmero fijo. Ahora bien, no podemos aumentar el volumen del cilindro ni el nmero de estos pues entoncesya no se trataradel mismomotor, sino de otro de mayor cilindrada.Para aumentar la potencia quedan nada ms dos recursos que son los siguientes: -Aumentar el nmero de RPM. -Aumentar la presin media efectiva. AumentarelnmerodeRPMtambinpresentagrandesdificultades,porqueelmotorya estadiseadoparafuncionaraundeterminadonmerodeRPMyalaumentarlavelocidadde giro, apareceran dificultades mecnicas debido al mayor trabajo de los cojinetes, bielas cigeal,etc.;debidoaquesonmselevadaslasfuerzasdeinerciaynofueronprevistasalproyectarel motor.Secomprende,fcilmentequesiaumentamoslapotenciaabasedeaumentarla velocidad,tendremosgrandesproblemas,porquesernecesariodimensionarmsampliamente los cojinetes, la biela, el bastidor, etc.; lo cul resulta antieconmico y se obtiene en definitiva un motor diferente del que tenamos al principio. Adems,comolavelocidadseramayor,sedispondrademenostiempoparainyectary quemarelcombustibleylacombustinseramenoscompleta.Porotraparte,elllenadodel cilindro tambin sera deficiente debido a que los pasos de las vlvulas de admisin y deescape no seran lo suficientemente amplios para funcionar a mayor velocidad. As,paraelevarlapotenciadeunmotorsolamentenosquedaunasolucinque,porotra parte,eslamsfcilderealizar.Estasolucinesaumentarlapresinmediaefectiva,oseala superficie til del diagrama de trabajo. Lapresin media efectiva se aumenta quemando mayor cantidad de combustible en cadaembolada del motor.En esto consiste la sobrealimentacin de un motor. Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna65 2.32 ASPECTOS TECNICOS Y DE FUNCIONAMIENTO EN UN MOTOR SOBREALIMENTADO. Cuandosediseaunmotorsobrealimentado,debentenerseencuentalossiguientes aspectos. 1) Forma de conseguir la sobrealimentacin.Hemos dicho que para sobrealimentar a un motor debe de introducirse en el cilindro una cantidad mayor de combustible.Pero sabemos que para quemar el combustible se precisa encontraren el cilindro suficiente cantidad de aire.Esta cantidad,tericamente,esde15gramosdeaireparacadagramodecombustible,peroelciclo Dieselnecesitaunexcesodeairequevaraentre1.5y2veceslacantidadterica.Porlotanto, prcticamente se precisa una cantidad de aproximadamente 25 gramos de aire por cada gramo de combustible Diesel. Estarelacinentreelaireyelcombustiblehademantenerseenelmotor sobrealimentando, es decir, que si queremos quemar ms combustible, hemos de introducir ms aire en el cilindro. Elmotorporsisolopuedeaspirardelaatmsferaciertacantidaddeaire,delacul depende la cantidad de combustible que se puede inyectar y la potencia efectiva del motor. As, para sobrealimentar un motor se necesita introducir ms aire en los cilindros mediante un sistema mecnico cualquiera (Compresor), que sea capaz de comprimir el aire e introducirlo en los cilindros a una presin superior a la atmosfrica.Forzando la entrada de aire en elcilindro, stesellenaconunacantidadmayordeaireysepuedequemarcompletamenteelexcesode combustible inyectado, para obtener una sobrealimentacin y con ello una mayor potencia. 2)Accionamientodelosdispositivosdesobrealimentacin.Elaccionamientodelos dispositivos de sobrealimentacin se puede efectuar en dos formas bsicas: a) Aprovechando la potencia del motor b) Aprovechando la energa de los gases de escape. Enelprimercaso,puedehacersededosformasdiferentes.Laprimeraesacoplndolosdirectamenteenelcigeal,medianteunaspoleasycorreastrapezoidalescomoenelcasode motores de vehculos; y la segunda es haciendo girar el dispositivo por un motor elctrico el cul Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna66 se alimenta del generador accionado por el motor; este procedimiento se usa en grandes motores lentos destinados a la propulsin de buques. Enelsistemadeaccionamientoindicadoenelsegundocaso,noseabsorbepotenciadel motor, puesto que se aprovecha la energa producida por la velocidad de los gases de escape para accionar una turbina que a su vez mueve el compresor de aire. Ladiferenciaentrelosdossistemasaybdeaccionamiento,consisteenqueelprimeroquita potencia al motor y el segundo no, pues aprovecha la energa de los gases de escape que de otra forma se perdera. Lostiposfundamentalesdecompresoresdeaire,conlosqueseobtienegeneralmentela sobrealimentacin son dos: compresor volumtrico y compresor centrfugo.Los compresoresvolumtricos pueden ser del tipo de lbulos, de paletas o de pistones. Los centrfugos, como su nombre indica, se componen esencialmente de una turbina centrfuga. Loscompresoresvolumtricosson siempreaccionadosmecnicamenteo bien aprovechando la energa de los gases deescape.Enlafigura2.32.1aybse presentaelesquemadeuncompresor centrfugoaccionadomecnicamentey otro accionado por los gases de escape. Los compresores accionados mecnicamente por el motor se emplean generalmente en los motores para vehculos pesados y en los motores de dos tiempos. Los compresores centrfugos se usan sobretodo en motores de aviacin porque se adaptan muybienasusnecesidadesyacargaspocovariables;encambionohantenidoxitoenel campodemotoresparavehculos,debidoaquelacantidaddeairequesuministrannoes proporcional al nmero de vueltas del motor. Al disminuir las RPM del motor, baja demasiado la Figura 2.32.1a)Compresor centrfugo accionado mecnicamente.b) Compresor centrfugo accionado por gases. Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna67 cantidad de aire, el combustible no se quema bien y no da la potencia requeridaque se necesita en un momento dado. Loscompresoresvolumtricos,generalmentedelbulos,sonadaptadosparamuchas utilizaciones,peroprincipalmenteparavehculos,debidoaquelacantidaddeaireque suministranvaraaproximadamenteconlamismarelacinqueelnmerodevueltasdelmotor, obtenindoseasunaalimentacindelmotorbastanteregularyporconsiguiente,encada momento se obtiene la potencia deseada. Loscompresoresdembolosonpocousados,debidoaquenoseobtieneunabuena sobrealimentacinenproporcinalcosto;ademssuconstruccinylubricacinsonmuy complicadas y ocupa mucho espacio.Por estas razones su campo de aplicacin es nulo. Loscompresorescentrfugosaccionadosporunaturbinadegasesdeescape,presentanla granventajadeutilizarpartedelaenergatrmicadelosgasesdeescape;energaquedeotra forma se perdera en la atmsfera. La economa de un motor equipado con sobrealimentacin por turbo-compresin es muy elevada, ya que funciona sin gasto alguno. Estesistemadesobrealimentacinseusaenmotoresestacionarios,marinosymotoresde traccin ferroviaria. 3)Sobrepresin en el escape. Al instalar un turbo-compresor de sobrealimentacin, en un motorobtenemostalcomoyahemosdichounaprovechamientodelaenergadelosgasesde escape; pero a la vez quitamos una pequea cantidad de potencia al motor.Esto es debido a que el funcionamiento del compresor crea un ligero aumento de presiny temperatura en el escape, aunque en muy pequea escala.Ahora bien, esta prdida de potencia no representa nada frente al aumento que se consigue al instalar el turbo-compresor. 4)Ventajasdelasobrealimentacin.Elconsumodecombustibledeunmotorsobrealimentadoesbastantemenorqueeldeunmotornormalconaspiracinatmosfrica,esto se debe a que en el motor sobrealimentado existe: a)Una combustin ms perfecta, pues el exceso de aire es mayor. b)Una mayor parte de la combustin se realiza a volumen constante. Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna68 Estoseilustraenlafigura3.32.2lacualmuestraunagrficacomparativaentreunmotor normal y uno sobrealimentado. Porotraparte,resultaevidentequeelrendimientodelmotorhadeaumentar,puespara introducirlamximacantidaddeairerequeridaparaquemarelcombustibleenlacmarade combustin,seutilizalaenergaqueseperderaenlaatmsfera,sisetrataradeunmotorcon aspiracin natural. En el motor normal, la vlvula de escape se abre cuando los gases conservan an capacidad para realizar trabajo, pues como vemos en la figura 2.32.3 y 2.32.4, la expansin se interrumpe en el punto f.Mientras que en el motor sobrealimentado la turbina aprovecha esta energa. Figura 2.32.2Consumo de combustible de un motor normal y uno sobrealimentado. Figura 2.32.3Motor normal con expansin interrumpida enelpuntof.Losgasesdecombustin conservanauncapacidadderealizar trabajo Instituto Tecnolgico de MridaUnidad 2 RNCMotores de Combustin Interna69 5)Ventajasdeordenprctico.Hastaahorahemoscitadolasventajastcnicasyde funcionamientoquenosofrecelasobrealimentacin;ahoraveremosotrasventajasdeorden prcticoy que son las que inducen al comprador y al usuario de motores a emplear los motores sobrealimentados. +La sobrealimentacin es la solucin ideal para los casos en que se desea ampliar lapotencia de la instalacin, sin necesidad de cambiar el motor. +Adquirirunmotorsobrealimentadoeslasolucinidealparaloscasosenqueelpesodelmotorysulongitud jueganunpapelimportante.Elmotorsobrealimentadolograunmejoraprovechamientodeespacio;por ejemplo, en el caso de embarcaciones, cuanto ms costoso sea el motor, ms amplias resultarn las bodegas. +Las ventajas de disminucin de espacio son tambin importantes en la instalacin de centrales industriales y en locales poco amplios, ya que un motor sobrealimentado de 5 cilindros desarrolla la misma potencia que uno del mismo tipo sin sobrealimentar de 7 cilindros. Como puede verse en la figura 2.32.5. Elgastoquerepresentalasobrealimentacindeun motorvienecompensadoconcrecesporelincrementode potenciaconseguido,porloqueelprecioporCVEdel motorsobrealimentado es inferior al de aspiracin natural de la misma potencia. Figura 3.32.4Motor sobrealimentado, en el cual la turbina aprovecha la energa de los gases de combustin. Figura 2.32.5Comparacin respecto al espacio ocupado en lainstalacindeunmotornormalyuno sobrealimentado