Motores Combustion Interna

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.PROF. CARLOS G. VILLAMAR LINARESAbril 2003.

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.Se considera un ciclo de gas ya que la sustancia de trabajo siempre estar en estado gaseoso, siempre ocurre un proceso de combustin.Es un ciclo de aire cerrado se desarrolla en mquinas alternativas.REALProf. Carlos G. Villamar L. ULA

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UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.SIMPLIFICACIONES- La sustancia de trabajo es aire y se comporta como un gas ideal.Todo proceso de combustin se reemplaza por de transferencia de calor desde una fuente externa.- El escape o expulsin de calor se reemplaza por transferencia de calor hacia el medio circundante hasta llegar al estado inicial del ciclo.- Se considera los calores especficos constantes- Todos los procesos son reversibles.Absorcin de calorProf. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.El ciclo de Carnot esta compuesto por los siguientes ciclos reversibles.1 2 Expansin isotermica con absorcin de calor.11222 3 Expansin adiabtica333 4 Compresin isotrmica con rechazo de calor.QHQHProf. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.El ciclo de Carnot esta compuesto por los siguientes ciclos reversibles.1 2 Expansin isotermica con absorcin de calor.11222 3 Expansin adiabtica333 4 Compresin isotrmica con rechazo de calor.444 1 Compresin adiabticaQHQHQLQLProf. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.El ciclo de Carnot esta compuesto por los siguientes ciclos reversibles.1 2 Expansin isotermica con absorcin de calor.11222 3 Expansin adiabtica333 4 Compresin isotrmica con rechazo de calor.444 1 Compresin adiabticaQHQHQLQLPor ser una mquina trmica la eficiencia viene dada por:Prof. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.11223344QHQHQLQLPor ser una mquina trmica la eficiencia viene dada por:Pero para cualquier mquina de trmica reversible se cumple que:Por tanto:Prof. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.11223344QHQHQLQLDefinimos:Relacin de Compresin rc = rvEs la relacin de los volmenes en el proceso de compresin.La eficiencia de Carnot es la mayor eficiencia que se puede obtener en cualquier mquina trmica que trabaje entre las mismas TH y TLA pesar de que Prof. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.11223344QHQHQLQLRelacin de presin isentrpica.Es la relacin entre la presin a la entrada y a la salida en el proceso de compresinPara un proceso adiabtico reversible el cual es isentrpico se cumple que:Para gases ideales se cumple:Prof. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.11223344QHQHQLQLProceso 1 - 4La eficiencia de Carnot aumenta si rp aumentaLa eficiencia de Carnot aumenta si rc aumentaProf. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.Estos motores trabajan utilizando el mecanismo cilindro pistn.Parmetros importantes:- rea del pistn Ap depende del dimetro del pistn DpProf. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.Estos motores trabajan utilizando el mecanismo cilindro pistn.Parmetros importantes:- rea del pistn Ap depende del dimetro del pistn Dp- Carrera L es la distancia mxima recorrida por el pistn, representa el recorrido entre el PMS y el PMI- Punto muerto superior (PMS): es la altura mxima a la que sube el pistn, el volumen encerrado es mnimo, llamado volumen muerto o volumen mnimoPMS- Punto muerto inferior (PMI): es la altura mnima a a la que baja el pistn, el volumen encerrado es mximo, llamado volumen mximo.PMIProf. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.Estos motores trabajan utilizando el mecanismo cilindro pistn.Parmetros importantes:- rea del pistn Ap depende del dimetro del pistn Dp- Punto muerto superior (PMS): es la altura mxima a la que sube el pistn, el volumen encerrado es mnimo, llamado volumen muerto o volumen mnimoPMS- Punto muerto inferior (PMI): es la altura mnima a a la que baja el pistn, el volumen encerrado es mximo, llamado volumen mximo.PMILEntre el PMS y el PMI el pistn se desplazara un volumen VdVd = Volumen desplazado.Para un cilindro Vd = Ap * L = CilindradaSi un motor tiene n cilindros. Cilindrada del motor = n Ap L- Carrera L es la distancia mxima recorrida por el pistn, representa el recorrido entre el PMS y el PMIProf. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.PRESION MEDIA EFECTIVA. PmeEn un diagrama P V de un ciclo el rea encerrada repreenta el trabajo del ciclo.- La presin media efectiva Pme es una presin constante promedio que producir la misma cantidad de trabajo que el ciclo real operando entre el mismo vmax y VminPme- A mayor Pme para un mismo motor operando a una misma velocidad implica mayor produccin de trabajo y mayor eficiencia.Por unidad de masaLa Pme no debe disminuir mucho ya que debe ser suficiente para vencer el roce y producir trabajo.Para un ciclo de Carnot si aumenta QLPme disminuyeProf. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.Relacin de Compresin rcEs la relacin entre el volumen mximo y el volumen mnimoCiclos estudiados:Ciclo de motores de encendido por chispa. Simplificacin Ciclo Otto.Ciclos de motores de encendido por compresin. Simplificacin Ciclo Diesel.Combinacin de los dos ciclos. Ciclo Dual o SemidieselProf. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.Admisin(a-1) Vlvula de admisin abierta ingresa la mezcla aire combustible, el pistn se mueve hasta llegar al PMI en donde tenemos el Vmax, el proceso es a P=CteCompresin(1-2) Con las vlvulas cerradas el pistn sube hasta el PMS, comprimiendo la mezcla hasta el volumen muertoCombustin:(2-3) Aproximadamente un poco antes del PMS, salta la chispa de la buja y la mezcla se enciende en un proceso a V=Cte.Expansin(3-4): El pistn se mueve hasta el PMI, la mezcla se expende hasta el volumen mximoExpulsin(4-1): La vlvula de escape se abre y se expulsan los gases en un proceso a V= Cte aproximadamente. Barrido(1-a): Con la vlvula de escape abierta el pistn asciende hasta el PMS, expulsando el resto de los productos de combustin, en un proceso a P=CteProf. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.Representacin de los procesos en un diagrama P - vLos procesos a-1 y 1-a se pueden eliminar ya que producen aproximadamente el mismo trabajo.Por tanto se estudia un ciclo termodinmico CerradoEste es un motor de 4 tiempos.Un ciclo es igual a dos vueltas del cigeal El ciclo terico que mas se aproxima a un motor de encendido por chispa es el ciclo Otto.Prof. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.El ciclo Otto esta formado por los siguientes procesos.1 2 Compresin Adiabtica2 3 Absorcin de Calor a V = Cte3 4 Expansin adiabtica4 - 1 Rechazo de Calor a V = Cte.Expansin adiabtica4 1 Rechazo de Calor a V = CteAbsorcin de Calor a V = Cte.Compresin adiabtica12341234S = Cte2Q34Q12Q34Q1V = CteProf. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.Calor Absorbido: 2Q3 Calor Cedido: 4Q1Aplicando 1 Ley para Sistemas CerradosProceso 2 - 3Proceso 4 1 Prof. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.Calor Absorbido: 2Q3 Calor Cedido: 4Q1Aplicando 1 Ley para Sistemas CerradosProceso 2 - 3Proceso 4 1 Dividiendo y multiplicando por T1 el numerador y por T2 el denominadorProf. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.Dividiendo y multiplicando por T1 el numerador y por T2 el denominadorAnalizando los procesos isentrpicos.Proceso 1 2 Proceso 3 - 4Prof. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.Dividiendo y multiplicando por T1 el numerador y por T2 el denominadorDe los procesos 3 4 y 1 - 2Prof. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.De los procesos 3 4 y 1 - 2La eficiencia del ciclo Otto aumenta si:Aumenta la relacin de Compresin.Si k aumenta- La eficiencia aumenta notablemente hasta rc

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.Este ciclo es una simplificacin de los motores que tienen encendido por compresin.- Se comprime solamente aire, el combustible se inyecta a presin cuando el pistn esta cerca del PMS, el resto del ciclo es similar al ciclo Otto.- Se eleva la presin hasta que la temperatura aumente por encima de la temperatura de autoignicin.

- En los motores primitivos de este tipo operaban a bajas velocidades, el proceso de combustin en el ciclo se realiza con un proceso que tiende a Presin constante Prof. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.Procesos:1 2 Compresin adiabtica.2 3 Suministro de Calor a P = Cte.3 4 Expansin adiabtica.4 1 Expulsin de Calor a V = Cte.PvTsProf. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.Procesos:1 2 Compresin adiabtica.2 3 Suministro de Calor a P = Cte.3 4 Expansin adiabtica.4 1 Expulsin de Calor a V = Cte.PvTs123412342Q32Q34Q14Q1P = CteS = CteV = CteProf. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.Ts12342Q34Q1P = CteV = CteLa eficiencia del ciclo Diesel viene dada por:Proceso 1 - 4Proceso 2 - 3La eficiencia viene dada por:Prof. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.Ts12342Q34Q1P = CteV = CteLa eficiencia viene dada por:Proceso 1 - 2Proceso 3 - 4Prof. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.Ts12342Q34Q1P = CteV = CteProceso 1 - 2Proceso 3 - 4Proceso 2 3 a P = Cte.A partir de la Ec. De gases idealesDonde rcp = Relacin de suministro de calor a P = Cte = Relacin de Corte o interrupcin.Prof. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.A partir de la ecuacin de la eficiencia.Manipulando matemticamente las anteriores ecuaciones e introduciendo la relacin de corte y de compresin obtenemos:La diferencia en eficiencia entre el ciclo Diesel y el Otto esta representa por la cantidad entre corchetes. El caso lmite es cuando rcp = 1La eficiencia aumenta si:rc Aumenta y/o rcp AumentaPara igual rc otto > DieselProf. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.- Los motores Diesel queman el combustible de manera mas completa ya que operan a menores RPM, por tanto producen menos contaminacin.- Diesel 35 a 40%La mayor eficiencia y menor costo lo hacen la opcin mas indicada para operar dispositivos que requieren cantidades de potencia relativamente grandesVENTAJAS DEL CICLO DIESEL SOBRE EL CICLO OTTOPueden trabajar con mayores rv sin que ocurra detonacin (14 a 18) ya que solo se comprime aire, el combustible se inyecta al final del proceso de compresin.- Utilizan combustible Diesel que es mas econmico- Pueden trabaja durante largos perodos de tiempo.- Son de gran tamao y peso ya que deben soportar mayores presiones (rv Altas)Prof. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.- Representa mejor los motores actuales de encendido por compresin. El proceso de suministro de calor se realiza una parte a volumen constante similar al ciclo Otto y otra parte a presin constante similar al ciclo Diesel, el resto del ciclo es similar a los ciclos Otto y Diesel. Este ciclo tambin se conoce como ciclo Semi-Diesel.Trabaja a menores rv que el ciclo Diesel.Se debe precalentar el combustible para que pase al punto de autoignicin de la mezcla.- Modela mejor la parte superior del diagrama P V real.Prof. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.Procesos1 2 Compresin adaiabtica reversible.2 3 Absorcin de Calor a V = Cte3 4 Absorcin de Calor a P = Cte4 5 Expansin adiabatica reversible5 6 Rechazo de Calor a P = Cte1234512345S = CteP = CteV = Cte1Q51Q52Q32Q33Q43Q4Prof. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.sLa eficiencia del ciclo viene dada por:Definimos:Relacin de Compresin (rv)Relacin de Presiones (rp)Relacin de interrupcin o corte (rcp)Relacin de calores especficos (k)Prof. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.sProceso 2 3 Proceso 5 - 1Se cambia el orden de las temperatura para que de positivoProceso 3 - 4Se introduce Cp0 ya que hay involucrado trabajo de fronteraProf. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.Introduciendo la ecuacin de gases ideales.Analizando los proceso isentrpicos con la ecuacin Tvk-1 = Cte y realizando ciertas manipulaciones matemticas obtenemos:La eficiencia aumenta si:rv Aumenta y/o rpv Aumenta y/o rcp DisminuyePara la misma rv y entrada de calor otto > dual > DieselEs posible que la eficiencia del ciclo Diesel sea mayor si se aumenta rvLos ciclos Otto, Diesel y Dual estn compuestos por procesos internamente reversibles pero totalmente reversibles por lo tanto la eficiencia de Carnot ser siempre mayor.Prof. Carlos G. Villamar L. ULA


UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.1.- El calor especfico de los gases reales aumenta a medida que aumenta la temperatura.2.- El proceso de combustin reemplaza el proceso de transmisin de calor a alta temperatura.3.- La combustin puede ser incompleta.4.- Cada ciclo mecnico involucra procesos de entrada y salida que hacen que el descenso de la presin a travs de las vlvulas se traduzca en un aumento de trabajo para llenar el cilindro con aire y para expulsar los productos de combustin.5.- El calor transmitido entre los gases en el cilindro y sus paredes es considerable.6.- Hay irreversibilidades asociadas con los gradientes de presin y temperatura, as como en los proceso de compresin y expansinProf. Carlos G. Villamar L. ULA


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