CICLOS DE LOS motores DE combustión interna OBJETIVOS: Presentar la nomenclatura para ciclos de pistón y cilindro. Analizar los ciclos de motores de combustión interna Presentar ejemplos y problemas de práctica que ilustran los conceptos estudiados.
1 INTRODUCCIÓN En este capítulo se estudian los motores de combustión interna de encendido por chispa y encendido por compresión. A la mayoría este nombre se aplica generalmente a los motores de combustión interna alternativos del tipo comúnmente usado en automóviles, camiones y autobuses. Estos sistemas difieren de las centrales térmicas por que los procesos ocurren dentro de un cilindro-pistón alternativo y no en una serie de componentes diferentes interconectados.
2 TERMINOLOGÍA DE MOTORES
2 TERMINOLOGÍA DE MOTORES La figura 8.1 representa un motor de combustión interna alternativo constituido por un pistón que se mueve dentro de un cilindro provisto de dos válvulas. El calibre del cilindro es el diámetro. La carrera es la distancia que recorre el pistón en una dirección. Se dice que el pistón está en el punto muerto superior (PMS) cuando se ha desplazado hasta una posición en la que el volumen del cilindro es mínimo, y está en el punto muerto inferior (PMI) cuando el pistón se ha desplazado a la posición de máximo volumen del cilindro. El volumen desplazado por el pistón cuando se mueve desde el PMS hasta el PMI se llama cilindrada.
3 CONSIDERACIONES BÁSICAS PARA EL ANÁLISIS DE LOS CICLOS DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Las idealizaciones y simplificaciones empleadas comúnmente en el análisis de los ciclos de potencia, pueden resumirse del siguiente modo: El ciclo no implica ninguna fricción. Por lo tanto el fluido de trabajo no experimenta ninguna caída de presión cuando fluye en tuberías o dispositivos como los intercambiadores de calor. Todos los procesos de expansión y compresión ocurren en la forma de cuasiequilibrio. Las tuberías que conectan a los diferentes componentes de un sistema están muy bien aisladas y la transferencia de calor a través de ellas es insignificante.
4 SUPOSICIONES DE AIRE ESTÁNDAR Los ciclos de MOTORES de combustión interna reales son bastante complejos. Para reducir el análisis a un nivel manejable, se utilizan las siguientes aproximaciones, conocidas comúnmente como suposiciones de aire estándar: 1. El fluido de trabajo es aire y siempre se comporta como gas ideal. 2. Todos los proceso que integran el ciclo son internamente reversibles.
3. El proceso de combustión es sustituido por un proceso de adición de calor desde una fuente externa. 4. El proceso de escape es sustituido por un proceso de rechazo de calor que regresa al fluido de trabajo a su estado inicial.
5 CICLO DE OTTO DE AIRE ESTÁNDAR. El ciclo de Otto es el ciclo ideal para las máquinas reciprocantes de encendido por chispa. Recibe ese nombre en honor a Nikolaus A. Otto, quien en 1876, en Alemania, construyó una exitosa máquina de cuatro tiempos utilizando el ciclo propuesto por Frenchman Beau de Rochas en 1862.
5 CICLO DE OTTO DE AIRE ESTÁNDAR.
5 CICLO DE OTTO DE AIRE ESTÁNDAR.
5 CICLO DE OTTO DE AIRE ESTÁNDAR.
5 CICLO DE OTTO DE AIRE ESTÁNDAR.
5 CICLO DE OTTO DE AIRE ESTÁNDAR. Expresiones del ciclo OTTO W12=m(u2-u1)
Q1= m (u3-u2)
W34=m(u3-u4)
Q2= m (u4-u1)
Wciclo=W34-W12
5 CICLO DE OTTO DE AIRE ESTÁNDAR El ciclo Otto consta de cuatro procesos internamente reversibles y en serie. Proceso 1-2 es una compresión isoentrópica del aire, cuando el pistón evoluciona desde el punto muerto inferior hasta el punto muerto superior. Proceso 2-3, el aire absorbe calor a volumen constante, desde una fuente externa, mientras el pistón está en el punto muerto superior. Este proceso representa la ignición de la mezcla aire combustible y la combustión rápida consiguiente. Proceso 3-4, es una expansión isentrópica (carrera de trabajo) Proceso 4-1, a volumen constante, en el cual el aire cede calor mientras el pistón está en el PMI.
5 CICLO DE OTTO DE AIRE ESTÁNDAR La presión media efectiva (p.m.e.), es un parámetro utilizado para describir el comportamiento de un motor alternativo. La presión media efectiva es la presión que sí actúa sobre el pistón durante la carrera de fuerza, produciría una cantidad de trabajo igual a la realizada verdaderamente durante todo el ciclo.
5 CICLO DE OTTO DE AIRE ESTÁNDAR La relación de compresión “r” se define como la relación entre el volumen en el cilindro con el pistón en su punto muerto inferior (PMI) y el espacio libre, es decir.
La presión media efectiva (p.m.e.), es la presión que sí actúa sobre el pistón durante la carrera de fuerza, produciría una cantidad de trabajo igual a la realizada verdaderamente durante todo el ciclo.
CICLO DE CUATRO TIEMPOS
6 CICLO DE DIESEL DE AIRE ESTÁNDAR. El ciclo Diesel de aire-estándar es un ciclo ideal que supone que la absorción de calor ocurre durante un proceso a presión constante que empieza cuando el pistón está en el punto muerto superior. El ciclo Diesel consta de cuatro procesos internamente reversibles en serie. PROCESO 1-2 compresión isentrópica. PROCESO 2-3 a presión constante, primera parte de la carrera de trabajo. PROCESO 3-4 de expansión isentrópica, es la carrera de trabajo. PROCESO 4-1 volumen constante en el que se cede el calor desde el aire cuando el pistón esta en el punto muerto inferior.
6 CICLO DE DIESEL DE AIRE ESTÁNDAR.
6 CICLO DE DIESEL DE AIRE ESTÁNDAR.
6 CICLO DE DIESEL DE AIRE ESTÁNDAR. Expresiones del ciclo Diesel: W12=m(u2-u1) W23=m*p(v3-v2) Q1=m(h3-h2)
W34=m(u4-u3)
Q2=m(u1-u4)
7 CICLO DUAL DE AIRE-ESTÁNDAR. El ciclo de aire-estándar que mas se aproxima a las variaciones de presión reales es el ciclo Dual de aire-estándar. Proceso 1-2, es una compresión isentrópica. Proceso 2-3, es una absorción de calor a volumen constante Proceso 3-4 es una absorción de calora presión constante. Proceso 4-5, es la expansión isentrópica y el final de carrera de trabajo. Proceso 5-1, se completa el ciclo con una cesión de calor a volumen constante.
7 CICLO DUAL DE AIRE-ESTÁNDAR.
7 CICLO DUAL DE AIRE-ESTÁNDAR. Las expresiones adecuadas para el ciclo Dual son: W12=m(u2-u1) Q23=m(u3-u2) W34=m*p(v4-v3) Q34=m(h4-h3) W45=m(u4-u5) Q51=m(u5-u1) El rendimiento térmico es:
PROBLEMAS DE APLICACIÓN Problema.-Una máquina Diesel ideal tiene una relación de compresión de 20 y usa aire como fluido de trabajo. El estado del aire al principio del proceso de compresión es 95 kPa y 20 ºC. Si la temperatura máxima en el ciclo no excede 2200 ºK , determine: a) La eficiencia térmica, y b) La presión media efectiva. Suponga calores específicos constantes para el aire a temperatura ambiente.
