MAQUINAS HIDRAULICAS Y TERMICAS Motores de Combustión Interna Alternativos Ciclos Termodinámicos


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1 CICLOS TERMODINÁMICOS EN LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS INTRODUCCIÓN CICLO IDEAL DE AIRE CICLO TEORICO AIRE COMBUSTIBLE CICLO REAL EN MEC Y EN MEP MEDIDA DE PARÁMETROS INDICADOS Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 1

2 INTRODUCCIÓN (I) EVOLUCIÓN DEL FLUIDO EN EL MOTOR ALTERNATIVO P + V VPMS VD VPMI RENOVACIÓN DE LA CARGA Admisión Escape CICLO TERMODINÁMICO BÁSICO Compresión Combustión Expansión Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 2

3 INTRODUCCIÓN (II) CICLO TEÓRICO Ciclo termodinámico básico en el que se hacen ciertas hipótesis simplificadoras las cuales permiten la realización de cálculos más fácilmente y sirven de modelos de referencia o comparación. Pérdidas de calor Proceso de combustión Propiedades del fluido Proceso de renovación de la carga 1. CICLO IDEAL DE AIRE Base teórica muy simple, el rendimiento se puede calcular a partir de fórmulas 2. CICLO TEÓRICO AIRE COMBUSTIBLE Se consideran las propiedades del fluido más próximas a la realidad, el rendimiento hay que calcularlo con métodos numéricos. 3. CICLO REAL Se analiza a partir del diagrama indicador (medidas de presión en el cilindro). Índice de calidad de un ciclo Indica la aproximación entre un ciclo real y uno teórico, se define como: K WR W teorico R teorico Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 3

4 CICLO IDEAL DE AIRE (I) HIPÓTESIS 1. Calor especifico del fluido constante. 2. Sucesión de procesos similar a las del motor real. 3. La misma relación de compresión volumétrica que en el motor. 4. La misma aportación de energía por unidad de masa que en el proceso real. 5. La misma presión y temperatura al inicio de la compresión que en el proceso real. CICLO AIRE A VOLUMEN CONSTANTE La aportación de calor al fluido se hace instantáneamente en el punto muerto superior al final de la carrera de compresión. Conclusiones principales: 1 r El rendimiento aumenta con la relación de compresión. 2. El rendimiento sólo depende de la relación de compresión. 3. El rendimiento aumenta con la cual disminuye con el dosado. Este ciclo suele ser representativo de los motores de encendido provocado. Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 4

5 CICLO IDEAL DE AIRE (II) CICLO DE AIRE A PRESIÓN LIMITADA La aportación de calor se realiza a volumen constante hasta que se alcanza una determinada presión (Pmax) a partir de aquí el resto de calor se libera mientras baja el pistón de manera que la presión se mantiene constante e igual a la presión máxima. La presión máxima suele ser la presión máxima que se da en el motor real r 1 1 Definiciones 1. Grado de combustión a volumen constante P 3 P2 =1 P=cte. 2. Grado de combustión a presión constante V 3A V3 =1 V=cte. Este tipo de ciclo es característico de los motores diesel rápidos. Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 5

6 CICLO IDEAL DE AIRE (III) CICLO DE AIRE A PRESIÓN CONSTANTE Es una particularización del anterior en el que ALFA es 1 y todo el combustible se quema a presión constante. 1 r Este tipo de ciclo es característico de los motores diesel lentos. EXPRESIONES RELACIONADAS CON LOS CICLOS Q CT 1 Calor aportado a volumen constante r 1 v 1 Q 1 Calor aportado a presión constante r 1 C T Trabajo obtenido en el ciclo r 1 1 Temperatura máxima del ciclo Presión máxima del ciclo C T v 1 W 1 v 1 T T 3A 1 P3 P 1 1 r 1 r 1 Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 6

7 CICLO IDEAL DE AIRE (IV) COMPARACIÓN DE LOS DIFERENTES CICLOS a)mismo calor aportado y misma relación de compresión. El ciclo con mejor rendimiento es el de volumen constante después el de presión limitada y el de peor rendimiento el de presión constante. Sin embargo el de presión constante es el que tiene una menor presión máxima. Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 7

8 CICLO IDEAL DE AIRE (V) b) Misma presión máxima y mismo calor aportado Para un mismo calor aportado y con limitación de presión máxima el ciclo con mejor rendimiento es el de presión constante y es el que puede tener mayor relación de compresión. c) Misma presión máxima y misma temperatura máxima El ciclo con mejor rendimiento es el de presión constante, también es el de mayor trabajo ya que tiene más área. Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 8

9 CICLO IDEAL DE AIRE (VI) CONSIDERACIONES FINALES SOBRE EL CICLO IDEAL DE AIRE Los motores de encendido provocado tienen menor relación de compresión que los motores de encendido por compresión y dentro de estos últimos los lentos tienen menor relación de compresión que los rápidos. La comparación de ciclos sólo tiene sentido para situaciones similares. En motores de encendido provocado el calor aportado por unidad de masa es mayor (mayor dosado). El grado de explosión a volumen constante está muy relacionado con la primera fase de la combustión en MEC. En MEC la relación de compresión mínima viene fijada por razones de arranque en frío y en MEP la relación de compresión máxima viene fijada por razones de detonación (picado de biela). Las presiones máximas son mayores en los MEC rápidos que en los lentos y son menores aún en los MEP. Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 9

10 CICLO TEÓRICO AIRE COMBUSTIBLE En este tipo de ciclo el calor específico aumenta con la temperatura con lo cual empeora el rendimiento. Si Cv crece aportando el mismo calor obtenemos una menor temperatura final con lo cual el rendimiento disminuye. Q = Cv (Tf - Ti) Cv cte < Cv aire < Cv aire-combustible Cv=cte Cv=f(T) Cv=f(T,F) P 1 =1 bar T 1 =320 K Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 10

11 CICLO REAL EN MEP(I) Perdidas de tiempo Ciclo real con adelanto en apertura de valvula de escape Ciclo ideal sin transmisión de calor Ciclo ideal con transmisión de calor Perdidas de calor Perdidas de calor Ciclo real con adelanto en apertura de valvula de escape Perdidas de escape Causas de las diferencias: Fugas En motores nuevos y puestos a punto son muy bajas. Combustión incompleta Retención de HC en huecos, depósitos y lubricante. Apagado de llama. Pared Tª Combustión Tª Mínima de combustión Tª Pared Distancia de apagado (inquemados) Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 11

12 Pérdidas de tiempo MAQUINAS HIDRAULICAS Y TERMICAS CICLO REAL EN MEP(II) En el proceso de combustión existe un frente de llama que tiene que recorrer toda la cámara de combustión para que la combustión se complete. El tiempo que tarda en recorrerse toda la cámara depende fundamentalmente de: Naturaleza del combustible y dosado. Forma y tamaño de la cámara de combustión. Número y posición de las bujías. Condiciones operativas del motor. La potencia y el rendimiento máximo se obtienen cuando la combustión está centrada respecto del punto muerto superior. Combustión progresiva Debido a que las condiciones de presión y temperatura a lo largo del periodo de combustión varían, el rendimiento del proceso también varía, dando lugar a una pérdida. Pérdidas de calor Es necesario refrigerar la cámara de combustión y esto provoca las pérdidas de calor. La mayor transmisión de calor se produce durante el proceso de expansión y escape, siendo muy poco lo que se produce durante la compresión. Durante el proceso de admisión el calor se transmite de las paredes al fluido (ganancia de calor). Pérdidas de escape La válvula de escape se abre antes del PMI intencionadamente para mejorar el proceso de renovación de la carga. Lo que se pierde en el proceso de expansión se recupera en el proceso de renovación de la carga, por lo que en cierto modo no se pueden considerar como pérdidas. Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 12

13 Punto de encendido MAQUINAS HIDRAULICAS Y TERMICAS CICLO REAL EN MEP(III) EFECTO DE LA VARIABLES OPERATIVAS Tiene una gran influencia sobre la potencia y el rendimiento, para que la combustión se mantenga centrada al aumentar el régimen de giro es necesario aumentar el avance. Régimen de giro 0 A regímenes bajos las pérdidas de calor y por fugas aumentan. Para la misma velocidad de combustión, al aumentar el régimen de giro, la combustión dura más angularmente por lo que hay que avanzar el inicio de la combustión para que esta permanezca centrada. ejemplo: Si la combustión dura 3ms, a 2000 rpm angularmente esto es: t esto 60 supone un avance de 18 para que la combustión esté centrada en el PMS. Si el régimen de giro es 4000 rpm t lo cual supone un avance de 36 para 60 conseguir el mismo centrado de la combustión. Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 13

14 Presión de admisión MAQUINAS HIDRAULICAS Y TERMICAS CICLO REAL EN MEP(IV) Al aumentar la presión de admisión aumenta la presión media indicada y por tanto la potencia. 4/4 3/4 2/4 1/4 La modificación de la presión de admisión se da en los casos de sobrealimentación y de regulación de la carga, esto último sólo en MEP. Presión de escape Influye en el proceso de renovación de la carga de manera que al aumentar la presión de escape se aumentan los residuales y esto hace que la combustión se desarrolle más lentamente. Relación combustible aire (dosado) Mejora la potencia hasta valores del dosado relativo del orden de 1.15 y el rendimiento es mejor para valores del orden de 0.9 Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 14

15 CICLO REAL EN MEC (I) Características del proceso de combustión en MEC En los MEC existe un retraso desde que se inicia la inyección de combustible hasta que se inicia la combustión. El tiempo de retraso va seguido de un aumento brusco de la presión debido a que se quema gran parte del combustible inyectado durante el tiempo de retraso. Posteriormente el resto del combustible se quema en un proceso de combustión más lento durante el proceso de expansión. La duración angular de cada una de estas tres fases varían con el diseño y las condiciones operativas. MEP MEC MEC MEP Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 15

16 Pérdidas de tiempo en MEC MAQUINAS HIDRAULICAS Y TERMICAS CICLO REAL EN MEC (II) Las pérdidas de tiempo en MEC son más variables que en los MEP pues el proceso de combustión se ve muy modificado en función de las variables operativas: régimen y grado de carga fundamentalmente. MEP MEC MEP MEC No hay que olvidar que en estos diagramas los dos ciclos tienen la misma relación de compresión pero realmente en MEC la relación de compresión es aproximadamente el doble que en MEP. Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 16

17 MEDIDA DE PARÁMETROS INDICADOS En la actualidad se utilizan captadores piezoeléctricos para medir la presión, la adquisición de datos está sincronizada con un codificador angular que genera la señal de disparo de la adquisición (1xVuelta) y la señal de reloj (NxVuelta). La señal de disparo indica el inicio de la adquisición y es necesario saber en que posición angular está respecto de alguna referencia generalmente el PMS. La señal de reloj dispara cada una de las adquisiciones individuales de datos, con lo que sabiendo el incremento angular de la señal de reloj se sabe la distancia angular entre cada dato. De esta manera sólo se registra una señal, la de presión pero se sabe a que posición angular corresponde cada dato y consecuentemente se conoce el volumen en el interior del cilindro. Captador presión (piezoeléctrico) N Vuelta Captadores de posición (magnéticos u ópticos) Señal 1 Vuelta Referencia Angular 1 Vuelta Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 17

18 BIBLIOGRAFÍA Taylor, C. F., The Internal Combustion Engine in Theory and Practice. The MIT Press, Cap. 2: Air Cycles (pp.22-39). Cap. 4: Fuel-Air Cycles (pp ). Cap. 5: The Actual Cycle (pp ). Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 18

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