UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR

FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA

ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA

TERMODINAMICA II

“MOTORES DIESEL GENERACION DE ENERGIA ELECTRICA”

INTRODUCCION

JUSTIFICACION

OBJETIVOS

HISTORIA DE LA EVOLUCIÓN DE LOS MOTORES DIESEL

Desde su presencia en la Tierra, el hombre se ha movido por la superficie del planeta, primero como un nómada y después, ya establecido, para comunicarse con otros asentamientos humanos. Los caminos y las rutas comerciales empezaron a surcar el mundo; las caravanas con productos a la espalda de porteadores y a lomo de animal dejaron su huella durante muchos años. Después, con la invención de la rueda y el carro, aquellos caminos se ensancharon; grandes volúmenes de mercancías comenzaron a fluir a la velocidad permitida por la tracción animal y esta historia se prolongara también por muchos años... hasta la invención de la máquina de vapor y su aplicación a la locomotora. Como ya sabemos, la máquina de vapor consistía básicamente en una caldera con agua a la que se le aplicaba el calor producido por un fogón en la parte exterior. El vapor generado por la ebullición del agua se conducía a unos grandes émbolos y su fuerza expansiva movía las ruedas de la locomotora que arrastraba así grandes convoyes. La máquina de vapor era pues, un motor de combustión externa que rápidamente evolucionó y logró ser aplicado en los primeros intentos por sustituir al caballo en la tracción de carros (figura 1.1). Sin embargo, no fue sino hasta el desarrollo del motor de combustión interna, que se logró integrar el concepto moderno de automóvil; un vehículo que se mueve por sí mismo, impulsado por la fuerza generada al quemar su combustible dentro del motor.

(Figura 1.1)

Los motores hidráulicos son los más antiguos conocidos (Herón de Alejandría, S. I a. J.C.), utilizaban como fuerza motriz la energía de una masa de agua que cae desde cierta altura, llamada salto. Esta energía se transforma en trabajo útil disponible en el eje de la máquina, que antaño era la rueda hidráulica, actualmente la turbina.El motor nace por la necesidad de trabajos que, bien por duración, intensidad, manejabilidad o mantenimiento, no puede ser realizado por animales.

Corresponde al francés Joseph Etienne Lenoir (1822-1900) la fabricación del primer motor de combustión interna (figura 1.2), en 1859, sin embargo no era muy eficiente pero incluía una bujía de encendido de la mezcla. Este motor era de un solo pistón y un solo tiempo. Para regresar el pistón, había que hacer otra combustión del otro lado del mismo por lo que necesitaba dos sistemas de ignición.

(Figura 1.2)

El motor de combustión interna ha conservado hasta la fecha sus características fundamentales, si bien ha sufrido en los últimos años modificaciones y refinamientos que lo han convertido en una máquina altamente sofisticada que incorpora los más avanzados sistemas de control electrónico, la mayoría de los cuales tiene por objeto el máximo aprovechamiento del combustible y la reducción consecuente de las emisiones contaminantes.

LA EVOLUCIÓN DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA:

- Alrededor del 600 d. De J.C. aparecen los molinos de viento, que convierten la energía del viento en movimiento de máquinas.

- En 1712. El inventor inglés Thomas Newcomen (1663-1729) construye una máquina de vapor con pistones y cilindros que resulta muy eficiente, En 1770. El militar francés Nicolás-Joseph Cugnot (1725-1804) consigue amoldar su motor a vapor a su carreta.

- En 1782. El ingeniero escocés James Watt (1736-1819) construye una máquina a vapor mucho más eficiente que la máquina de Newcomen.

- En 1854. Un sacerdote de la iglesia católica, hizo funcionar un motor a explosión, haciendo explotar una mezcla detonante en una especie de bola de cobre. En pocas palabras fue el creador del motor a explosión.

- En 1859. El ingeniero franco-belga Etienne Lenoir (1822-1900) construye un motor de combustión interna.

- En 1877. El alemán Nikolaus Otto (1832-1892) construye un motor de 4 tiempos.

- En 1883. Germán W. Daimler construye un motor de combustión interna muy veloz.

- El ingeniero inglés Charles Parsons (1854-1931) diseña el primer generador electrónico de turbina a vapor.

- En 1892. El alemán Rudolf Diésel inventa un motor (llamado motor diésel posteriormente) que funciona con un combustible que se prende a gran presión. En la práctica el motor resulta ser mucho más eficiente que los motores de combustión interna existentes en aquel momento.

- En 1903. Los hermanos Orville (1871-1948) y Wilbur (1867- 1912) realizan el primer vuelo con motor con su Kitty Hawk que usa un motor de combustión interna.

- En 1937. El ingeniero británico Frank Whittle (1907) construye el primer motor a reacción que funciona.

- En 1939. Hans von Ohain, ingeniero alemán, construye y pilota el Heinkel He 178, primer avión con motor a reacción.

- En 1970. Se utiliza el motor a reacción con turboventilador, el más frecuente hoy en día en los aviones, sustituyendo a los antiguos motores 4 tiempos con hélices.

Los inventores de los primeros motores a explosión o precursores fueron: Lebon en 1799, quien sacó una patente pero no llegó a realizar ninguno. Luego fue Lenoir junto con Marinoi que lo llevó a la práctica en 1860, estas ideas las aprovechó Beans De Rochas que publicó un tratado en 1862 de motor de combustión interna y proponía un ciclo de cuatro tiempos; estas ideas fueron aplicadas por el alemán Otto como se le llamó mundialmente Daimler y Benz ya en el año 1885, construyeron motores para vehículos livianos, Rudolf diésel construyó un motor más económico en el año 1893.

Los motores de combustión interna son los que usan comúnmente los automóviles. Se llaman también motores de explosión. Estos nombres les fueron asignados debido a que el combustible se quema en el interior del motor y no es un dispositivo externo a él, como en el caso de los motores diésel.Un motor de combustión interna es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química producida por un combustible que arde dentro de una cámara de combustión, la parte principal de un motor. El motor diésel, llamado así en honor del ingeniero alemán nacido en Francia Rudolf Diésel, funciona con un principio diferente y suele consumir gasóleo. Se emplea en instalaciones generadoras de energía eléctrica, en sistemas de propulsión naval, en camiones, autobuses y automóviles. Tanto los motores Otto como los diésel se fabrican en modelos de dos y cuatro tiempos.Sea cual fuere el tipo de motor, sus componentes deberán satisfacer las siguientes condiciones:

a) Resistir los esfuerzos puestos en juego durante la evolución de los gases.b) Asegurar la rigidez necesaria para un guiado correcto de los órganos móviles:

pistón, cigüeñal, etc.c) Transmitir a las estructuras próximas el mínimo de vibraciones.d) Asegurar la eliminación de las calorías absorbidas por las paredes de combustión.

e) Ser de construcción lo más económica posible.f) Permitir los montajes, desmontajes y conservaciones fáciles.

CICLO DIESEL

(Figura 2.1)

El ciclo Diésel es el ciclo ideal para las máquinas reciprocantes ECOM. El motor ECOM, por primera vez propuesto por Rudolph Diésel en la década de 1890, es muy similar al motor ECH; la diferencia principal está en el método de inicio de la combustión. En los motores de encendido por chispa (conocidos también como motores de gasolina), la mezcla de aire y combustible se comprime hasta una temperatura inferior a la temperatura de autoencendido del combustible y el proceso de combustión se inicia al encender una bujía. En los motores ECOM (también conocidos como motores diésel) el aire se comprime hasta una temperatura que es superior a la temperatura de autoencendido del combustible, y la combustión inicia al contacto, cuando el combustible se inyecta dentro de este aire caliente. Por lo tanto, en los motores diésel la bujía y el carburador son sustituidos por un inyector de combustible.

La generación de potencia es una de las áreas más importantes de la Termodinámica en específico la generación de potencia mediante los motores DIESEL. En la actualidad están siendo utilizados ampliamente en la industria automotriz, generación eléctrica, naval etc. Presentan grandes ventajas como gran seguridad de operación, Bajo consumo hp-hora lo que significa un aumento en la autonomía de los buques con estos motores, Reducción en el peligro de incendio comparado con los motores a gasolina, Rapidez en su operación, Facilidad para el almacenamiento del combustible y altas potencias.

El ciclo de diésel es un motor de  encendido por compresión (en lugar de encendido por chispa). El combustible atomizado se inyecta en el cilindro en P2 (alta presión) cuando la compresión se completa, hay un encendido sin una chispa. En la diagrama se muestra un ciclo idealizado de motor diésel (figura 2.2).

(Figura 2.2)

Diagrama p-v.- Ciclo ideal diésel (Motor diésel de aire estándar)

El ciclo diésel es el ciclo ideal para motores de encendido por compresión. La bujía es sustituida por un inyector de combustible en  los motores diésel. En este motor se asume que la adición de calor se produce durante un proceso a presión constante que se inicia con el pistón en el punto muerto superior.

El ciclo de aire estándar diésel consiste de la siguiente secuencia de procesos internos reversibles:

1-2 Compresión isentrópica

2-3 Adición de calor a volumen constante (qentrada)

3-4 Expansión isentrópica

4-1 Rechazo de calor a volumen constante (qsalida)

En los motores de gasolina, una mezcla de aire y combustible se comprime durante la carrera de compresión, mientras que las relaciones de compresión están limitadas por el comienzo del autoencendido o el golpeteo del motor. En los diésel, solamente el aire se comprime durante la carrera de compresión, eliminando la posibilidad de autoencendido. Por lo tanto, los motores diésel pueden ser diseñados para operar a relaciones de compresión mucho más altas, generalmente entre 12 y 24. No tener el problema del autoencendido conlleva otro beneficio: muchos de los exigentes requerimientos impuestos a la gasolina pueden ser eliminados, de manera que los combustibles menos refinados (y por lo tanto menos costosos) pueden utilizarse en los motores diésel.

(Figura 2.3)

El proceso de inyección de combustible en los motores diésel empieza cuando el émbolo se aproxima al PMS y continúa durante la primera parte de la carrera de potencia. Por lo tanto, en estos motores el proceso de combustión sucede durante un periodo más largo. Debido a esta mayor duración, el proceso de combustión en el ciclo diésel ideal se obtiene como un proceso de adición de calor a presión constante. De hecho, éste es el único proceso donde los ciclos de Otto y diésel difieren. Los tres procesos restantes son los mismos para ambos ciclos ideales. Es decir, el proceso 1-2 es una compresión isentrópica, el 2-3 adición de calor a presión constante, el 3-4 una expansión isentrópica y el 4-1 un rechazo de calor a volumen constante. La similitud entre los dos ciclos es también evidente en los diagramas P-v y T-s del ciclo diésel, mostrados en las figuras anteriores. Si se observa que el ciclo diésel se ejecuta en un dispositivo de émbolo y cilindro, que forma un sistema cerrado, la cantidad de calor añadida al fluido de trabajo a presión constante y rechazada por éste a volumen constante puede expresarse como:

q entrada - w b, salida =u 3 - u 2 →q entrada =P 2 (v 3 -v 2) + (u 3 - u 2)q entrada = h 3 - h 2 = c p (T 3 _ T 2)

-q salida = u 1 - u 4 → q salida = u 4 - u 1 = c v (T 4 - T 1)

Puesto que los procesos de expansión y de compresión son isentrópicos se tiene:T 1T 2

=¿

Se tiene que:

r v=v1v2

Entonces, la eficiencia térmica de un ciclo diésel ideal bajo las suposiciones de aire estándar frío se vuelve:

ƞtér, diésel =w neto

q entrada =1-q salida

q entrada =1 - T 4−T 1

k (T 3−T 2 ) =1- T 1( T 4

T 1−1)

kT 2(T 3T 2

−1)

Ahora se define una nueva cantidad, la relación de corte de admisión rc, como la relación de los volúmenes del cilindro antes y después del proceso de combustión:

rc = V 3V 2

Al usar esta definición y las relaciones de gas ideal isentrópicas para los procesos 1-2 y 3-4, la relación de la eficiencia térmica se reduce a

ƞtér, diésel = 1- 1

rvk−1

rck−1

k (r c−1)

Donde r es la relación de compresión definida por la ecuación de rc. Si se observa cuidadosamente la ecuación anterior, se notará que bajo las suposiciones de aire estándar frío la eficiencia de un ciclo diésel difiere de la de un ciclo de Otto por la cantidad que está entre paréntesis, la cual siempre es mayor que 1. Por lo tanto

MOTORES DIESEL

(Figura 3.1)

Llamado así en honor del ingeniero alemán nacido en Francia Rudolf Diésel, funciona con un principio diferente y suele consumir gasóleo. Se emplea en instalaciones generadoras de energía eléctrica, en sistemas de propulsión naval, en camiones, autobuses y automóviles.Tanto los motores Otto como los diésel se fabrican en modelos de dos y cuatro tiempos.En teoría, el ciclo diésel difiere del ciclo Otto en que la combustión tiene lugar en este último a volumen constante en lugar de producirse a una presión constante. La mayoría de los motores diésel tienen también cuatro tiempos, si bien las fases son diferentes de las de los motores de gasolina.

El número de cilindros en un motor suele ser cuatro (o por lo menos un numero par). Con ello se pretende que cada uno de ellos se encuentre en un tiempo diferente durante cada media vuelta. El posicionamiento de los cilindros sobre el cigüeñal puede ser muy variado y así se suelen montar en línea (ver anexos figura3.2), en V (ver anexos figura 3.3), en oposición (ver anexos figura 3.4) entre otros….

PRINCIPAL DIFERENCIA ENTRE MOTOR A GASOLINA Y EL MOTOR DE RUDOLF DIESEL

Los dos motores son de combustión interna y utilizan combustibles muy parecidos. De hecho hay motores de 4 tiempos que queman gasoil de la misma manera que podríamos diseñar un motor diésel que quemara gasolina.Pero el motor diésel carece de un sistema auxiliar de encendido, es decir de bujías, bobinas, delcos, distribuidores, encendidos electrónicos etc., ya que el combustible se inflama de forma natural al ser inyectado en un cilindro lleno de aire a muy alta temperatura como consecuencia de haber sido comprimido. Esta es realmente la diferencia básica que define a un motor diésel respecto a los demás.

(Figura 3.5)

RELACION DE COMPRESION DEL MOTOR DIESEL

La compresión puede ser aumentada arbitrariamente puesto que el aire es incombustible. Sin embargo es suficiente una relación de compresión de 15:20 para alcanzar una presión final de 30 bar lo que provoca un aumento en la temperatura de 500ºC a 600ºC. Como esta temperatura es mucho más alta que el punto de ignición de la mezcla aire-combustible en la mayoría de los motores diésel el arranque se puede hacer en frio.

RELACION DE COMPRESION DEL MOTOR GASOLINA Esta relación no puede pasar de 6 a 10:1 en función del índice de octano de la gasolina. Dado que en la mezcla aire-gasolina la compresión final no puede ser demasiada alta, el rendimiento no será más que alrededor de un 25%. El consumo de carburante es de aproximadamente 400g/KW.h.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL MOTOR DIESEL

La principal ventaja de los motores diésel, comparados con los motores a gasolina, estriba en su menor consumo de combustible.Debido a la constante ganancia de mercado de los motores diésel en turismos desde los años 1990 (en muchos países europeos ya supera la mitad), el precio del combustible ha superado a la gasolina debido al aumento de la demanda. Este hecho ha generado grandes problemas a los tradicionales consumidores de gasóleo, como transportistas, agricultores o pescadores.En automoción, las desventajas iniciales de estos motores (principalmente precio, costos de mantenimiento y prestaciones) se están reduciendo debido a mejoras como la inyección electrónica y el turbocompresor. No obstante, la adopción de la precámara para los motores de automoción, con la que se consiguen prestaciones semejantes a los motores de gasolina, presenta el inconveniente de incrementar el consumo, con lo que la principal ventaja de estos motores prácticamente desaparece.Actualmente se está utilizando el sistema common-rail en los vehículos automotores pequeños. Este sistema brinda una gran ventaja, ya que se consigue un menor consumo de combustible, mejores prestaciones del motor, menor ruido (característico de los motores diésel) y una menor emisión de gases contaminantes.

Aplicaciones Maquinaria agrícola (tractores, cosechadoras) Propulsión ferroviaria Propulsión marina

Automóviles y camiones Vehículos de propulsión a oruga Grupos generadores de energía eléctrica (centrales eléctricas y de emergencia) Accionamiento industrial (bombas, compresores, etc., especialmente de

emergencia) Propulsión aérea

FUNCIONAMIENTOEn la primera fase se absorbe aire hacia la cámara de combustión. En la segunda fase, la fase de compresión, el aire se comprime a una fracción de su volumen original, lo cual hace que se caliente hasta unos 440 ºC. Al final de la fase de compresión se inyecta el combustible vaporizado dentro de la cámara de combustión, produciéndose el encendido a causa de la alta temperatura del aire. En la tercera fase, la fase de potencia, la combustión empuja el pistón hacia atrás, trasmitiendo la energía al cigüeñal. La cuarta fase es, al igual que en los motores Otto, la fase de expulsión.Algunos motores diésel utilizan un sistema auxiliar de ignición para encender el combustible para arrancar el motor y mientras alcanza la temperatura adecuada.La eficiencia de los motores diésel depende, en general, de los mismos factores que los motores Otto, y es mayor que en los motores de gasolina, llegando a superar el 40%. Este valor se logra con un grado de compresión de 14 a 1, siendo necesaria una mayor robustez, y los motores diésel son, por lo general, más pesados que los motores Otto.Esta desventaja se compensa con una mayor eficiencia y el hecho de utilizar combustibles más baratos.Los motores diésel suelen ser motores lentos con velocidades de cigüeñal de 100 a 750 revoluciones por minuto (rpm o r/min), mientras que los motores Otto trabajan de 2.500 a 5.000 rpm. No obstante, en la actualidad, algunos tipos de motores diésel trabajan a velocidades similares que los motores de gasolina, pero por lo general con mayores cilindradas debido al bajo rendimiento del gasoil respecto a la gasolina.

PLANTAS ELECTRICAS DE EMERGENCIA DIESEL

GENERADORES DIESEL

Un generador diésel típico de 500 kW se muestra en figura al igual que dos tipos más de generadores tanto expuestos como presurizados. Se dan tabulaciones típicas de tipos de generadores en la tabla 2.1 Los modelos individuales presentados por varías compañías pueden ser diferentes. Los de más bajas unidades de velocidad son más pesados y costosos, peto son más convenientes para tas tareas continuas. [3] La figura 2.4 muestra algunos generadores Diesel.

(Figura 5.1)

Motores para generadores de emergencia El arranque exitoso de un motor de un generador requiere que el motor desarrolle suficiente torque para manejar la carga y para que los voltajes del sistema se mantengan encima de los límites críticos. La mayoría de los motores se comportan como una carga de impedancia constante durante el arranque, de cualquier manera el torque de arranque es proporcional al cuadrado del voltaje terminal. Si el voltaje terminal de un motor durante la parada es 80% de su valor nominal, el torque de arranque es 64% de su torque de rotor bloqueado nominal. Por consiguiente, el propósito de un estudio del arranque del motor es encontrar una declive máximo de voltaje que el sistema y el motor puedan resistir. Puesto que el factor de potencia de arranque de motores es bajo (típicamente de 20% a 50%) y las corrientes del rotor bloqueado son altas (típicamente de 500% a 700%), la demanda de la potencia de arranque de motores es principalmente reactiva y puede ser tan alto como diez veces la demanda de potencia reactiva de la carga completa del motor. Dependiendo del tamaño del motor con respecto al equipo generador

Algunos tamaños comerciales de motores de combustión, para generadores en planta de emergencia (Diesel)

ANEXOS

(Figura 3.2)

(Figura 3.3)

(Figura 3.4 Motor 5TDF diésel de pistones opuestos)

LIBRO FAIRESEl resultado final del trabajo llevado a cabo por Rudolf Diesel* fue un motor con ciclo de cuatro tiempos en el cual entra sólo aire al cilindro durante la carrera de admisión, y posteriormente se inyecta un combustible líquido; la inyección comienza teóricamente al final de la carrera de compresión, y continúa a una intensidad tal que la combustión se realiza a presión constante, 2-3, figura 16/6. El resto del ciclo es como en el de Otto, y el ciclo (cerrado) de estándar de aire es 1-2-3-4, figura 16/6. El ciclo de aire ideal abierto parecería el mismo, excepto que 0-1 es la admisión, y 1-0, el escape. La temperatura de compresión T2 es lo suficientemente alta para que el combustible se encienda por sí solo; este tipo de motor se llama motor de ingnición por compresión (IC). La eficiencia térmica del ciclo Diese! cerrado equivalente, e = W/QA = §dQ/QA' donde QA = h3 - h2 YQR = U4 - U¡, es