Las m´aquinas son movidas por motores. Estos a partir de una fuente de energ´ia Cap´itulo 2 Los motores de combusti´on interna La especie humana debe ser el mejor benefactor de la naturaleza en lugar de ser su principal depredador. Es imperiosa la necesidad de contar con fuentes de energ´ia pero tambi´en cuidar la naturaleza contra el efecto de las descargas derivadas de su explotaci´on. El uso de la naturaleza deber´a ser sostenible lo que signi?ca que no debe producir impactos negativos en especial sobre los sistemas que sostienen la vida Desde que el hombre lo es, ha buscado incesantemente su bienestar, transformar la naturaleza y ponerla a su servicio. En ´esta ruta ha usado los recursos naturales y con primordial ansia a la Energ´ia. Se cree difundidamente que la primer fuente de energ´ia que manej´o para su comodidad fu´e el fuego, usado s´olo para calentarse y cocer sus comidas. Despu´es invent´o las m´aquinas. Las m´aquinas consumen m´as energ´ia y producen mas cantidad de mercancias y bi- enes de consumo que aseguran comodidad y bienestar a los humanos. Con los avances de la t´ecnica desarrollaron m´as y mejores m´aquinas, aumentando las comodidades y exigiendo cada vez m´as a la naturaleza produciendo las descargas, llegando a ver su- perada su capacidad de reciclarlas. ´ (como el viento, el agua, los combustibles etc.) producen trabajo para empujar los di- versos mecanismos. Un tipo de motores son los de combusti´on interna, cuya fuente de energ´ia es el calor desprendido en la combusti´on de un combustible y cuya importancia en la sociedad moderna es indiscutible. El invento de la m´aquina de vapor de Watts fundament´o la aparici´on de los motores de combusti´on interna,MCI, e inici´o la Revoluci´on Industrial y provey´o m´as energ´ia per capita. Los motores de combusti´on utilizan el calor proveniente de la combusti´on de un combustible qu´imico denominado carburante para producir trabajo de rotaci´on. 7
8 ´ CAP´ITULO 2. LOS MOTORES DE COMBUSTION INTERNA ˜ ˜ El sitio donde el calor es liberado desde el combustible y absorvido por agente de transformaci´on se llama c´amara de combusti´on. Dependiendo d´onde est´a situada, fuera o dentro del motor, los motores ser´an denominados de combusti´on externa MCE o de combusti´on interna MCI.
La combusti´on en la c´amara de combusti´on puede realizarse: en un proceso a volu- men constante o explosi´on en los motores de encendido por chispa (MCI ECH) o en un proceso a presi´on constante en los motores de encendido por compresi´on (MCI EC). Todos los MCI tienen los siguientes sistemas:[6]
Sistema de conversi´on de potencia donde ´el calor liberado en la combusti´on pasa al aire admitido al motor para que se expanda e impulse un mecanismo cilindro pist´on acoplado a un ciguenal, haciendo trabajo. El ciguenal es un eje acoplado al exterior ya sea para mover un automovil, una planta de generaci´on de energ´ia electrica etc.desarrolla ciclos o procesos termodinamicos repetidos. El ciclo ter- modin´amico de los motores de encendido por chispa es el ciclo de Otto que consta de cuatro procesos,para admitir el aire, para recibir el calor a volumen constante (explosi´on), para hacer trabajo,y para expulsar los gases al ?nal.(?gura 2.2). En los MCI EC el aire desarrolla el llamado ciclo de Diesel donde el combustible arde a presi´on constante.
Sistema de combustible que se encarga de surtir adecuadamente al motor con car- burante.Un gas combustible f´acilmente explota y por ello son los combustibles originales para los motores MCI ECH. Los combustibles apropiados son los gases y l´iquidos livianos que se evaporan facilmente como la gasolina y algunos alcholes. En los motores tradicionales el combustible es la gasolina la que ingresa mezclada con el aire. En los motores modernos ingresa aire solo y en el momento exacto entra la gasolina inyectada, de forma semejante como se hace en los motores EC, para que la chispa la haga explotar.[7]
En los MCI EC los combustibles son aceites que arden a presi´on constante dentro del cilindro del motor.
Sistema de encendido Para que el carburante libere su energ´ia hay que encenderlo y ´esto puede hacerse de dos maneras: por chispa (motores MCI ECH) desde una buj´ia que en el momento preciso la hace saltar entre sus electrodos o por compresi´on (motores MCI EC) por la intensa temperatura de la compresi´on del aire encerrado hasta un nivel su?ciente para encender el combustible.
Sistema de gases (aire y humo) El aire, que recibe el calor y hace trabajo, entra comunmente mezclado con el combustible en los MCI ECH y s´olo en los MCI EC
Sistema de lubricaci´on asegura que todas las partes met´alicas en movimiento relativo cuentes con su?ciente aceite lubricante
9
Sistema de enfriamiento para evacuar en forma de calor la energ´ia que no se convir- ti´o en trabajo.
Sistema de arranque Pone en marcha al motor cuando est´a parado.
Sistema de mec´anico est´atico (estructural) sostiene las partes m´oviles del motor.
Sistema de mec´anico m´ovil (valvular) abre y cierra las v´alvulas que admiten aire ysacan el humo
Sistema de el´ectrico surte de corriente el´ectrica los sitios en que se necesite para el funcionamiento del motor
Sistema de regulaci´on y control asegura que funcione con?ablemente
Sistema de control ambiental mitiga las necesarias descargas a la atmosfera.
Un esquema de los sistemas de trasformaci´on de potencia de MCIE CH y su ciclo[8] aparecen en la ?gura 2.1 y 2.2. Figura 2.1: Motor ECH
El aire recibe el calor en los MCI y hace ciclos. Se conocen dos tipos de ciclos usados principalmente en los MCI. el ciclo de Otto para los de encendido por chispa, MCI ECH y el ciclo de Diesel para los de encendido por compresi´on, MCI EC. Un ciclo completo puede realizarse haciendo cuatro recorridos desde arriba hasta abajo del pist´on o en dos. Los motores ser´an as´i de cuatro o de dos tiempos se tendr´an por lo tanto MCI-ECH 4T y MCI-ECH 2T; MCI-EC 4T y MCI-EC 2T.
Los combustibles usados en los MCI se denominan comunmente carburantes que son principalmente derivados del petr´oleo (petrocarburantes o petrocombustibles)conocidos como:gasolina, aceite diesel, acpm etc.
10 ´ CAP´ITULO 2. LOS MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Figura 2.2: Motor EC 4T
Los combustibles para MCIECH y MCIEC tienen caracteristicas diferentes. Para los primeros debe explotar y para los segundos arder lo que te´oricamente signi?ca que el fen´omeno de la combusti´on es en los primeros a volumen constante y a presi´on con- stante en los segundos. Figura 2.3: Ciclos de Otto y Diesel
En t´erminos pr´acticos el carburante para los MCIECH son gases o l´iquidos f´acil- mente evaporables que arden muy rapidamente (explotan) y para los MCIEC aceites combustibles de combusti´on mas retardada pero igualmente f´acil.
En Los MCIECH el combustible que arde a volumen constante tiene mol´eculas normalmente de bajo peso molecular que se mezclan facilmente en´intimo contacto con el oxigeno del aire, para reaccionar violentamente iniciados por una chispa el´ectrica. Combustibles de ´este tipo (carburantes ECH) son las gasolinas , alcoholes, gases com- bustible.
En Los MCIEC el combustible arde a presi´on constante cuando aire previamente
2.1. IMPORTANCIA DE LOS MOTORES 11 entrado al motor, se ha comprimido su?cientemente en la c´amara de combusti´on hasta alcanzar una temperatura que supera a la que se enciende el combustible. Cuando el combustible es inyectado entonces se enciende y arde. Combustibles de ´este tipo (car- burantes EC) son aceites como el ACPM, fuel oil, y aceites vegetales. Diesel. 2.1. Importancia de los motores En el uso de los motores de combusti´on interna ha descanzado, y se prevee que as´i continuar´a por alg´un tiempo, la econom´ia mundial. Han suministrado la exerg´ia para la fabricaci´on y transporte de mercanc´ias, humanos y animales, movido m´aquinas y provisto de energ´ia el´ectrica.[9] y el combustible usado para impulsarlos mayoritari- amente proviene del petroleo.
Desde mediados del siglo XIX, el petr´oleo es la fuente de energ´ia m´as importante del mundo. Pr´acticamente todas las actividades econ´omicas, en todo el mundo, se sus- tentan en el petr´oleo como fuente energ´etica, representando alrededor del 40% de las necesidades energ´eticas mundiales[10].
Colombia depende totalmente del uso de motores de combusti´on para el transporte de bienes y personas principalmente por carreteras ya que las v´ias f´erreas son practi- camente inexistentes.
Cap´itulo 3
Los motores MCI EC
La dependencia de la industria, y de la sociedad en general, de los motores de combusti´on interna que usan combustible diesel es muy grande. Seg´un el ministerio de minas y energ´ia, en Colombia el consumo de diesel en el 2002 alcanz´o los 21779 ×103 barriles (gr´a?ca 3.1).[11] Figura 3.1: Comportamiento del uso del diesel en Colombia Estad´isticas 2003 Ministerio de Minas y Energ´ia 2003
C´omo se distribuye el consumo del combustible diesel en colombia se puede ver en la ?gura 3.2 [4] 3.1. De?niciones y dimenciones caracter´isticas El motor de combusti´on interna m´as simple es el monocil´indrico constituido por solo un mecanismo cilindro y pist´on, biela y manivela y eje. Uno m´as complejo,multicil´indri- co, se visualiza como varios de ´estos elementos simples.[6]
13
14 CAP´ITULO 3. LOS MOTORES MCI EC 3.1.1. Figura 3.2: Uso del combustible diesel en Colombia [4]
Punto muerto El pist´on dentro del cilindro se mueve dentro de dos posiciones extremas el superi- or(PMS) e inferior(PMI) . Una que corresponde al m´inimo volumen interior y otra al m´aximo. La primera posici´on se denomina punto muerto superior PMS y la segunda punto muerto inferior, PMI. 3.1.2. Di´ametro del motor El di´ametro interior del cilindro, D, es igual al di´ametro del pist´on para asegurar as´i su estanqueidad mutua entre las paredes y la cara del pist´on. En la pr´actica esto se consigue mediante unos anillos de ajuste La dimension caracter´istica de un motor, el di´ametro D, se re?ere al di´ametro del cilindro. Tambi´en se le llama calibre. 3.1.3. Carrera El pist´on se mueve entre el PMS y PMI la longitud de ´este recorrido se llama car- rera S. tanto el di´ametro como la carrera se miden en pulgadas o en mil´imetros. Una designaci´on por ejemplo: 2 x 4 signi?can 2 de di´ametro y4 de carrera en pulgadas. (Primero el di´ametro y despu´es la carrera)
Carreras cortas signi?ca menor desgaste del motor al mismo tiempo reduce la ve- locidad lineal del pist´on .La tendencia actual es reducir la carrera del pist´on. Si la carrera es corta el di´ametro es mayor lo que da mas espacio en la culata para las v´alvulas. 3.1.4. Volumen desplazado Cuando el pist´on se mueve desde PMS hacia PMI barre un volumen que se llama volumen desplazado Vd.
3.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS MCI EC 15 Vd = p 4 D2 × S (3.1) 3.1.5. Cilindrada Si el motor es de varios cilindros (motor multicil´indrico) el volumen desplazado total es el producto del numero de cilindros N por el volumen desplazado por cada uno Vd Este volumen total es llamado cilindrada VT. VT = N × Vd = N × p 4 D2 × S (3.2) 3.1.6. Volumen de la c´amara de combusti´on El volumen V0 en el diagrama P – V corresponde a un volumen muerto. Es el es- pacio disponible para el inicio de la combusti´on y se llama c´amara de combusti´on. 3.1.7. Relaci´on de compresi´on El valor que da al dividir el volumen m´aximo V1 entre el volumen m´inimo V0 ( de la ?gura 3.4) es caracter´istico de los motores llamado relaci´on de compresi´on r. r = V1 V0 = V1 V2 (3.3) 3.2. Principio de funcionamiento de los MCI EC ˜ El motor propiamente es donde se produce la transformaci´on de la energ´ia t´ermica, ´ varios sistemas que aseguran el correcto funcionamiento y la trasferencia del trabajo al consumidor exterior. Los que m´as interesan en el desarrollo del trabajo presentado en ´este libro son:
Sistema de conversi´on de potencia donde el calor liberado en la combusti´on pasa al aire admitido al motor a presi´on constante. El aire se expande e impulse a un mecanismo cilindro – pist´on acoplado a un ciguenal, haciendo trabajo. Los ciclos o procesos termodinamicos repetidos que realizan los motores de encendido por compresi´on es el ciclo de Diesel que consta de cuatro procesos,para admitir el aire, para recibir el calor a presi´on constante , hacer trabajoy expulsi´on los gases al ?nal.(?gura 3.3).
16 CAP´ITULO 3. LOS MOTORES MCI EC Figura 3.3: Esquema sistema de conversi´on de potencia del motor de encendido por compresi´on o Diesel
Sistema de combustible que se encarga de surtir adecuadamente al motor con carbu- rante. En los MCI EC los combustibles son aceites que pueden arder a presi´on constante llamados ”aceites combustibles para motor”. Figura 3.4: Sistema de combustible MCI EC
Sistema de encendido Para que el carburante libere su energ´ia se enciende por com- presi´on (motores MCI EC) por la intensa temperatura de la compresi´on del aire encerrado que llega a un nivel su?ciente para encender el combustible. Posteri- ormente el calor se va liberando a presi´on constante.
La temperatura alcanzada al comprimir el aire en la c´amara de combusti´on en- ciende el combustible que ingresa suministrado por el sistema de combustible a traves
3.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS MCI EC 17 de un inyector. Un esquema del sistema de conversi´on de potencia est´a en ?gura 3.3 y del sistema de combustible con sus componentes, en la ?gura 3.4
El ciclo termodin´amico es el denominado de Diesel o de suministro del calor a pre- si´on constante como se muestra en el gr´a?co 3.5.
El ciclo de cuatro tiempos e describe as´i:
1. Tiempo o carrera de Admisi´on empieza con la v´alvula de admisi´on abierta, la de escape cerrada y el piston ubicado en el punto muerto superior, PMS, que es la posici´on l´imite de volumen m´inimo dentro del motor, y el pisto´on desplazandose hacia el punto muerto superior. la v´alvula de admisi´on abierta permite que al cilindro ingrese aire desde el exterior a presi´on constante. La carrera termina al llegar al punto muerto inferior o posici´on l´imite de volumen m´aximo.
2. Tiempo o carrera de compresi´on. Al t´erminar la carrera anterior la v´alvula de admisi´on se cierra, la de escape contin´ua igual y el piston moviendose en sentido contrario, desde el punto muerto inferior PMI hacia el PMS. En estas condiciones el aire encerrado se va comprimiento y su temperatura aumenta en un proceso que en termodin´amica se le denomina adiab´atico. La carrera termina al llegar al PMS cuando alcanza la m´axima temperatura el aire encerrado.
3. Tiempo o carrera de combusti´on – expansi´on o carrera de potencia. Al ?nal de la carrera anterior el combustible es inyectado por medio del inyector y, debido a la alta temperatura que encuentra, arde a presi´on constante, mientras el pist´on se va desplazando desde el PMS hacia el PMI. Antes de llegar al extremo el combustible deja de entrar y por lo tanto la combusti´on cesa. El pist´on sigue su desplazamiento en un proceso adiab´atico hasta terminar la carrera.
4. Tiempo o carrera de escape. Con la v´alvula de escape abierta y el pist´on movien- dose de nuevo hacia el PMS los gases van saliendo hacia el exterior. Al llegar al PMS termina la carrera y se completa un ciclo.
El ciclo te´orico se muestra en la ?gura 3.5 en el diagrama de presi´on contra volumen.
La medida del rendimiento energ´etico del ciclo es cuanto trabajo se obtiene por la cantidad de calor que se le suministre: ?t = Lproducido Qsuministrado (3.4) ˜ En el gr´a?co 3.4 se puede ver las cantidades de la anterior ecuacion 3.1. Lproducido es el trabajo producido en un ciclo y Qsuministrado es el calor anadido.
La energ´ia es usual medirla en Kjoul, tanto el trabajo Lproducido como el calor Qsuministrado son energ´ias por lo tanto ?t no tiene unidades y entre m´as alto sea su valor el ciclo ser´a mejor y el motor m´as ec´onomico consumir´a menos combustible para
18 CAP´ITULO 3. LOS MOTORES MCI EC Figura 3.5: Ciclo termodin´amico te´orico de los motores de encendido por compresi´on
hacer una misma cantidad de trabajo, tal como arrastrar una carga –resistencia– a lo largo de un tramo determinado.
La divisi´on del volumen m´aximo V1 entre el volumen m´inimo V2 se llama relaci´on de compresi´on r. La relaci´on entre el volumen ?nal de la combusti´on V3 y el del comienzo de la misma V2 es la relaci´on de compresi´on en la combusti´on a presi´on constante ?.
El rendimiento t´ermico del ciclo ?t y las anteriores relaciones : ?t = 1 – 1 ?k – 1 krk-1 ? – 1 (3.5) la temperatura al ?nal de la carrera de compresi´on T2 es la que encontrar´a el combustible al entrar para encenderse. T2 = T1 V1 V2 k-1 = T1 × rk-1 (3.6) P2 = P1 V1 V2 k = P1 × rk (3.7) En las ecuaci´ones anteriores (ciclos te´oricos) k es la relaci´on entre los calores es- pec´i?co a presi´on constante cp y volumen constante cv y para el aire tiene un valor de 1.4. (En los ciclos reales se usan valores de k comprendidos entre 1.2 y 1.4) La tem- peratura T1 es la temperatura del aire al ?nal de la carrera de admisi´on o temperatura
3.3. COMPORTAMIENTO REAL 19 exterior.
Analizando las expresiones anteriores se puede concluir que el rendimiento aumen- tar´a en la medida que la relaci´on r aumente lo que signi?ca que T2 es mayor y P2 es m´as alta. Dicho de otra forma, al aumentar la temperatura de inicio de la combusti´on, lo que es lo mismo que aumentar la presi´on de combusti´on, los motores del ciclo de Diesel ser´an m´as econ´omicos.
Los combustibles que se usan en este tipo de motores deben encenderse con T2. La temperatura de encendido del combustible Tenc deber´a ser menor que T2, porque de otra manera no arder´a. combustibles con alta temperatura de la combusti´on exigen una relaci´on de compresi´on r alta lo que redunda en una presi´on y temperaaturas altas y un aumento del rendimiento del ciclo y consecuencialmente del motor Diesel[6]. 3.3. Comportamiento real El diagrama del comportamiento P-V del aire dentro del cilindro se mide con un aparato especial que dibuja curvas de presi´on Pen dependencia del volumen in- stant´aneoV . Se llama el diagrama indicador. ´ Figura 3.6: Comparaci´on ciclo real y el te´orico en MCI EC
El area dentro del ciclo (aparece m´as oscuro en la ?gura 3.5) corresponde al trabajo desarrollado internamente realmente por el aire en el ciclo Li (trabajo interno real).[12] Lt = Li + Lperdidas (3.8) Las p´erdidas son debidas a las irreversibilidades del proceso termod´inamico del gas.
20 CAP´ITULO 3. LOS MOTORES MCI EC ˜ ˜ Para que Li aparezca en el eje del motor recorre un camino en que hay p´erdidas por fricci´on entre las partes mec´anicas que tienen movimiento relactivo tales como: del pist´on y las paredes del cilindro, del eje o bulon que conecta el piston y la biela, la biela y el ciguenal, el ciguenal que rota sobre los cojinetes etc. Por lo tanto es menor la energ´ia en forma de trabajo que aprece en el eje Le (3.9) Li = Le + Lperdidas
Las p´erdidas se cuanti?can mediante los indices llamados ”rendimientos”?. As´i: ?ri =
?mec = Li Lt Le Li =
= Poti Pott Pote Poti (3.10)
(3.11) (3.12) (3.13) ? Pote = ?ri × ?mec × Pott Pote = ?mec × Poti
Para motor de un solo cilindro: Pott = Lt × cps = Lt × Poti = Li × cps = Li × Pote = Le × cps = Le × rps t rps t rps t (3.14)
(3.15)
(3.16) ˜ n se re?ere a si el motor es de cuatro tiempos (t = 2) o de dos tiempos (t = 1), rps son las revoluciones del ciguenal por segundo y rps las revolouciones del mismo por segundo.
Los sub´indices ri, mec, de los rendimientos ?, son: relativo interno y mec´anico. Los sub´indices de los trabajos L y de las Potencias Pot son : t, i y e y se re?eren a ”te´orica”, ”interna” y en el ”eje”.
Para un motor de N cilindros la ecuaci`ones anteriores se multiplican por N.
Hay otros factores que inciden en la potencia que aparece en el eje tales c´omo el tiempo ?nito disponible para que ingrese el aire que debe entrar en el ciclo te´orico (?v rendimiento volum´etrico), que el combustible no libera todo su potencial cal´orico (?co e?ciencia de la combusti´on)etc. Todos se cuanti?can con respectivos ? que se tienen en cuenta con la productoria de todos ellos.[13] Pote = ??i × Poti (3.17) 3.3.1. Volumen desplazado Vd – Cilindrada VT La diferencia entre los volumenes V3-V2 es el volumen de aire que ingresa en cada ciclo y es llamado volumen desplazado Vd y multiplicado por el numero de cilindros
3.4. MCI EC Y COMBUSTIBLES 21 constituye la cilindrada VT. Consecuentemente el volumen de aire desplazado por se- gundo ser´a: ? rps t (3.18) Vd = Vd × cps = Vd ×
Para un motor de N cilindros: ? NVd = NVd × cps = NVd × rps t (3.19) Siendo: ? NVd = VT ?
VT = VT × cps = VT × rps t (3.20) Para los ?ujos de masa de aire se multiplican las anteriores por la densidad del aire en las condiciones de entrada ?o o ?1 (estados 0 o 1, en el ciclo) 3.4. MCI EC y Combustibles ˜ El tipo de combustible in?uencia potencia que aparece en el eje Pote. temperatura media de la combusti´on ¯ el desempeno de los motores y por lo tanto a la El poder calor´i?co del combustible incide en la Tcomb. La combusti´on del combustible se inicia en el momento que ingresa a la c´amara de combusti´on estando el volumen m´inimo (V0 = V2) y teoricamente ocurre a presi´on constante (P2 = P = P3). El aire que hace el ciclo se considera un gas ideal por lo tanto: ? P = PV = MRT MRT = cte V ? T = CoT (3.21)
(3.22) (3.23) Co es una constante. ¯ Tcomb = 1 V3 – V2 V3
V2 TdV = T2 + T3 2 (3.24) Como: ? = V3 V2 = CoT3 CoT2 = T2 T3 Por lo tanto: ¯ Tcomb = T2 2 1+ 1 ? (3.25)
22 CAP´ITULO 3. LOS MOTORES MCI EC Figura 3.7: Temperatura media de la combusti´on y T2 = ¯ 1 2Tcomb 1 + ? Cuando una cantidad de combustible Mcomb, con un poder calor´i?co PC, arde en un proceso a presi´on constante en una cantidad de aire MA, el calor liberado aumenta la entalpia total y la espec´i?ca se eleva desde h2 hasta h3 (3.26) McoPC = (Mco + MA)cp (T3 – T2)
T2 es la temperatura del inicio de la combusti´on y T3 la del ?nal. T3 – T2 = McoPC (Mco + MA)cp = PC Cp (AC + 1) (3.27) AC es la relaci´on aire combustible. Tambi´en la elevaci´on de la temperatura en el proceso de combusti´on: T3 – T2 = T2 1 ? – 1 = ¯ 1 2Tcomb 1 + ? (3.28) = PC 1 Cp AC + 1 (3.29) Aprovechando las expresiones para despejar T2 y T3 para introducirlas en las expre- siones de e?ciencia t´ermica as´i:
– 1 3.4. MCI EC Y COMBUSTIBLES 23 T3 = T2 ? (3.30) T2 = ¯ 1+ 2Tcomb 1 1 ? ? – 1 = ¯ 2Tcomb 1 ?2 (3.31) T2 = PC Cp 1 (AC + 1) 1 ? – 1 (3.32) La e?ciencia t´ermica del motor quedar´a si se reemplaza T2 de la ecuaci´on 3.28: ?t = ¯ 1 T1 1 – ?2 k 2Tcomb?2 ?k – 1 ? – 1 (3.33) Si se reemplaza por el T2 de la ecuaci´on 3.29 dar´a ?t = CpT1 kPCN (AC + 1) 1 – ? ? ?k – 1 ? – 1 (3.34) Cp Cv en general se reem- En todas las expresiones cuando se re?era a ciclos te´oricos k = plaza por n para ciclo en motores reales siendo 1,2 < n < 1,4 ? La potencia te´orica del motor Pott podr´a determinarse con la expresi´ones:
Pott = ?combmcoPCN × ?t (3.35) ? En la expresion 3.32 ?comb es la e?ciencia de la combusti´on, mco el ?ujo m´asico de combustible, PCN el poder calor´i?co, y ?t el rendimiento t´ermico del ciclo del motor cuyo reemplazo se puede hacer con la ecuaci´on 3.30 o la 3.31
La elevaci´on de la temperatura durante la combusti´on ?t ser´a: ?t = PCN Cp 1 AC + 1 (3.36) Y la temperatura T3: T3 = T1 × rk-1 + PCN Cp 1 AC + 1 (3.37) ¯ ¯ La admisi´on del aire en el motor normalmente se hace a las condiciones ambi- entales. Dependiendo del poder calor´i?co del combustible las temperaturas T3 y la temperatura media de la combusti´on del combustible Tco ser´an altas. La econom´ia del funcionamiento del motor cuyo´indice es ?t y la potencia del mismo se bene?ciar´an con valores altos de PCN y Tco
Pote 24 CAP´ITULO 3. LOS MOTORES MCI EC 3.5. Prueba de Motores ? ? Un motor MCI EC es una m´aquina que trasforma calor desde un combustible (Qco) en potencia en trabajo de eje (Pote)
Midiendo la potencia Pote que aparece en el eje del motor y el consumo de com- bustible (mco) y conociendo su poder calor´i?co PCN de mediciones en laboratorios de combusti´on se puede calcular el rendimiento global (??j)) del motor.[14] ?global = ??j = ? ? Qco (3.38) ? Qco ? = mco × PC (3.39) ? ˜ La prueba se hace en un dinam´ometro acondicionado para medir: consumo de com- bustible mco, velocidad angular del ciguenal w y torque T. El torque se calcula cono- ciendo la fuerza F y el brazo b (T = b × F). Pote = T × w = T × 2p rpm 60 (3.40) ˜ ? ˜ rpm son las revoluciones por minuto del ciguenal.
El montaje de un dinam´ometro (la ?gura 3.6 muestra un esquema del dinam´ometro) incluye instrumentos de medici´on de ?ujo m´asico de combustible mco, velocidad angular w o revoluciones por minuto del ciguenal rpm, fuerza y longitud del brazo o torque T. Un esquema del montaje se muestra en la ?gura 3.7[15]
3.5. PRUEBA DE MOTORES 25 Figura 3.8: Esquema del montaje de un dinam´ometro
26 CAP´ITULO 3. LOS MOTORES MCI EC
Cap´itulo 4 De las propiedades de los Combustibles y Combusti´on en los MCI EC Los motores de combusti´on interna (MCI)usan como combustibles (o carburantes) aceites derivados del petr´oleo, cuyo agotamiento apresura a buscarles sustitutos[9]. Los carburantes de origen vegetal, o biocarburantes, son una alternativa buena, en primer lugar para los motores de combusti´on interna y su utilizaci´on puede extenderse a los otros motores de combusti´on. Un combustible destinado al uso en MCI EC debe reunir unas muy exigentes condi- ciones de calidad. Debe ser limpio, no corrosivo, puro y de propiedades bien de?nidas y determinadas. ´ El combustible es inyectado a la c´amara de combusti´on en los motores de encen- dido a compresi´on (MCI EC)en un chorro l´iquido ?n´isimo a alta presi´on, lo que hace que se le exija unas condiciones especiales en su calidad como combustible que, de no ser as´i, pueden producir afectaciones tanto durante el funcionamiento como en la vida util de motor. Sus propiedades deben ser muy controladas m´as que en el caso de los combustibles ECH. Las cualidades del combustible est´an completamente relacionadas con las siguientes caracteristicas que aparecen durante la operaci´on y arranque del motor[16]: 1. El golpeteo caracteristica asociada con el autoencendido. La elevaci´on de presi´on en el cilindro eleva la temperatura del gas y puede llegar a igualar la temperatura de encendido del combustible que hace que la combusti´on se produzca antes del momento en que debiera producirse para el buen funcionamiento del motor. Un n´umero Cetano alto hace que la temperatura de autoencendido baje por lo tanto es recomendable desde este punto de vista que ´este n´umero sea alto. 2. El arranque del motor que se re?ere a poner en marcha al mismo. Que lo haga f´acil 27
´ 28CAP´ITULO 4. DE LAS PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES Y COMBUSTION EN LOS MCI EC
´ tambien se asocia con el n´umero Cetano que siendo alto es baja la temperatura de autoencendico y la temperatura de volatilizaci´on.
3. Humo y olor que se producen cuando la combusti´on no se realiza bien. Una com- busti´on completa asegura ausencia de olor y humo si el combustible es adecuado. Por lo tanto a ´este se le exige que tenga facilidad para dejarse quemar, lo quqe es sinonimo de buena calidad. Una buena volatilidad asegura que la mezcla aire combustible sea homogenea aumentando la probabilidad de encuentro entre las moleculas combustible y ox´igeno y reaccionen totalmente.
4. Corrosi´on y desgaste que se asocian con el Azufre, los residuos y la ceniza del combustible. Un combustible con ´estos altos corrosiona y desgasta las partes met´alicas con movimiento relativo.
5. Fluidez que asegura que el combustible ?uye bien en sus condiciones de trabajo. ´
Propiedades del combustible para MCI EC Las propiedades importantes desde el punto de vista de los combustibles que deben determinarse mediante pruebas son [17]: 4.1. N´umero Cetano El n´umero de cetano es un ´indice del tiempo que demora el carburante en encen- derse una vez inyectado a la c´amara de combusti´on. Una buena calidad signi?ca que se produce una ignici´on r´apida seguida de un quemado total y uniforme del combustible y se asocia con un n´umero de cetano alto. Cuanto m´as elevado es el n´umero de cetano, menor es el retraso de la ignici´on y mejor es la calidad de combusti´on. Un bajo n´umero de cetano es indeseable en un carburante porque requieren mayor tiempo para que ocurra la ignici´on y despu´es queman demasiado aprisa, produciendo altos ´indices de elevaci´on de presi´on, la combusti´on es inadecuada y da lugar a ruido excesivo, aumento de las emisiones, bajo rendimiento, golpeteo y aumento de la fatiga del motor. 4.2. Densidad ? Densidad es la cantidad de material por unidad de volumen. Como la masa (M)no depende de la temperatura pero el volumen (V)si, resulta entonces que la densidad depende de la temperatura a la que es medida. ? = M V (4.1) Las pruebas para determinarla se normalizan para efectos de poder compar los resul- tados. Normalmente se toman 0oC o 15oC
4.3. GRAVEDAD ESPEC´IFICA 29 4.3. Gravedad espec´i?ca La gravedad especi?ca es otro ´indice de la densidad en ´este caso es el peso por unidad de volumen de combustible. Se de?ne como La raz´on entre el peso de un deter- minado volumen de un material con el peso de igual volumen de agua estando ambos a la misma temperatura de 80oF (15oC ).
La gravedad especi?ca de acuerdo a la American petroleun Institute (API) se de?ne a partir de la gravedad especi?ca los oAPI de acuerdo con la f´ormula: o API = 141,5 Gr.Esp(60oF/60oF) – 131,5 (4.2) Los combustibles se compran y se venden por unidades de volumen (litros, galones, barriles) y por lo tanto es muy importante conocer su densidad o su gravedad especi?ca o sus oAPI.
Los grados API se utilizan asimismo para determinar el precio de un crudo deter- minado, dado que cuanto mayor sea el valor en API, mayor es la proporci´on de crudo utilizable, principalmente en fracciones ligeras (nafta, nafta ligera, etc).
Seg´un la densidad, los crudos pueden podr´ian ser clasi?cados en: m3 TIPO DE CRUDO Liviano Medio Pesado Extrapesado oAPI >31.1 22.3 – 31.1 10.0 – 22.3
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