Libro Termodinamica Cap 14 Motores Hadzich

Ciclo Motores 14 - Pg. 1

Termodinmica para ingenieros PUCP

INTRODUCCIN

Recin llegamos al captulo que a todos los ingenieros mecnicos nos gusta, los MOTORES !!...que los encontraremos por millones en todo el mundo (en EEUU circulan actualmente 145 millones de autos) y que los utilizamos diariamente; estudiaremos los motores a gasolina y a petrleo principalmente (ciclos Otto y Diesel), pero tambin estos motores pueden funcionar con gas, aire caliente o las mezclas de varios combustibles.

Aprenderemos a disear los motores y a seleccionarlos segn nuestras necesidades. Finalmente conoceremos un poquito sobre algunas tecnologas que tenemos en nuestros automviles que siempre es bueno conocerlos, tales como el carburador, el embrague, la caja de cambios, la direccin, etc.

Cap. 14

Ciclo Motores

Mini Cooper 1,6 lt, 118 a 163 HP

Motor Caterpillar 30o6TA

Ciclo Motores 14 - Pg. 3Motores de Combustin Interna 14 - Pg. 2

Termodinmica para ingenieros PUCPCiClo Motores

14.1 CICLO MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

Este ciclo usa aire como portador de energa, por lo tanto solamente trabajare-mos con frmulas de gases ideales.

ESQUEMA DE UN MOTOR A COMBUSTION INTERNA



Dnde se utilizan estos ciclos ? CORTE DE UN MOTOR A GASOLINA DE 4 TIEMPOS

CICLO OTTO DE CUATRO TIEMPOS:

Primer automvil, Karl Benz - Alemania 1886 - Velocidad 13 km/h.

Motor de Volskwagen en Lab. Energa PUCP

Motor Ford T, 1914.En 1924 Ford haba fabricado 10 millones de autos

Mini Minor - 1958, Traccin delantera, motor transversalRecord 24 personas en el interior

Motor Diesel 120 kW - Lab Energa PUCP

Motor Ultraligero, 1990Ferrari , Italia - Frmula 1Gan 8 veces el Campeonato del mundo entre 1961 y 1983

Motocicleta Honda CB750, 1967

Todos los motores a gasolina usan bujas para dar chispa en el momento de la combustin.La General Mootrs en Detroit, EEUU. construye unos 2 millones de coches al ao.Para el 2025 se planea que hayan carreteras que alberguen 1,000 millones de vehculos.



COMBUSTIBLES

La gasolina de 95 octanos (95 SP) quiere decir que no tiene plomo en su com-posicin, por lo que se le llama la gasolina ecolgica. El plomo puede producir cncer pues el organismo no lo absorbe.

El nmero de octanos (OC-TANAJE) indica la capaci-dad ANTIDETONANTE !!! del combustible en las gasolinas. En el petrleo es el nmero de cetanos (CET-ANAJE)

Arreglo de cilindros de Combustin Interna

Motor de 6 cilindros en lnea (Ford Motors Co.)

Motor Transversal V-6 de 2.8 litros, traccin delantera - Chevrolet



3er Tiempo: EXPANSION

m (constante) Salta la chispa: COMBUSTIN

4to Tiempo: EXPULSIN

Relacin de Compresin: r k En los motores a gasolina el r k vara entre 6:1 a 12:1. Gasolina (Octanaje) Octanaje: Capacidad antidetonante. Suponer mayor presin a mayor octanaje.

CICLO OTTO IDEAL de 4 tiempos

1. CICLO OTTO (MOTORES A GASOLINA)

Aplicaciones:- Transporte vehicular.- Motocompresores.- Motobombas.- Pequeos grupos electrgenos.

a) Motor de 4 tiempos:

1er Tiempo: ADMISIN.

2do Tiempo: COMPRESIN

Eleva la temperatura de la mezcla.PMS : Punto Muerto SuperiorPMI : Punto Muerto Inferior.

Tambin se les llama motores de mezcla, pues la gasolina y el aire ya entran mezclados al motor (en el carburador)

La mezcla de gasolina y aire entran al motor debido a que el pstn crea una succin al bajar. En esta etapa la masa es variable y la presin dis-muinuye un poco menos que la presin atmosfrica.El cigueal da media vuelta de giro.

La masa es constante y se produce la compresin de la mezcla, aumentndose la presin y la temperatura.De este tiempo depende la eficiencia del motor.

La presin aumenta hasta que el pistn llega al punto mximo supe-rior (llamado PMS - punto muerto superior)Relacin de Presiones r k = P2/P1

r k = (Vm + Vc )/Vm

Se alcanza mayores rendimientos cuando la relacin de presiones es mayor, por lo que tambin es necesario usar combusti-bles que aguanten ms la compresin, por eso se aumenta el octanaje en las gasolinas.(ver pg.13)

Esta etapa solamente sirve para ex-pulsar los gases de combustin que estn en el motor.La masa vara.Tambin se le llama etapa de escape o descarga.



El diagrama P-v real del ciclo se saca del Os-ciloscopio donde podemos apreciar el ciclo verdadero dentro del motor. Para estudiar ms fcilmente nosotros lo acondicionamos a un ciclo terico ideal, pero manteniendo el mismo tra-bajo tcnico (rea dentro del ciclo P-v real).Para evitar cualquier error al hacer este cambio, es que consideramos un Factor de Diagrama fD que corrije cualquier defecto.Wi = fD x Wterico

14.3 Relacin de Compresin rkDIAGRAMA P -v CICLO OTTO REAL

Puede notarse que el valor del rendimiento trmico del ciclo solamente depende de la relacin de compresin rk; por lo tanto tambin depender del tipo de gasolina (nmero de octanos) que se utilice. Un mejor motor (me-jor rendimiento) debe usar gasolina de mayor octanaje, puesto que su capacidad antidetonante puede hacer que pueda comprimirse ms sin problemas de autoencendido.

En la fase de Com-presin es cuando se trata de llegar a aumentar la presin solamente con el pistn.

A mayor rk el rendimien-to del motor aumenta.

En esta figura la relacin de compresin r k sera V1 entre V2.

Para Disenar un motor debemos definir cual es la relacion de presiones que se debe escoger; esto es muy importante pues de esa decision se construiran miles de motores. Tenemos que decidir tambien cual sera el uso del motor, para segun ello elegir el mejor rk, a menudo se sacrifica el rendimiento en favor de un menor consumo de combustible, tal es el caso de disenar taxis o vehiculos pequenos.



CARBURADORCiclo Otto

Ciclo Otto de 2 tiemposFASES DEL CICLO DE 2 TIEMPOS PARA UN MOTOR CON VLVULA DE ESCAPE

(Motor de Motocicleta)

Diferencias : Solamente tiene una vl-vula que hace las veces de vlvula de admisin y escape.

Se usa en los motores lentos y en los muy pequeos.

En la figura podemos apreciar que el mo-tor hace todos los tiempos que un motor de 4 tiempos, pero el cigueal solamente hace esto en UNA SOLA VUELTA !!!.

Se tiene problemas mecnicos en la fase de admisin, pes - como es muy rpido el ciclo - no se puede separar exactamente la cantidad de combustible que pueda salirse por la vlvula.

El carburador sirve para gasificar el combustible y lo hace a traves de una pequena tobera- Funciona como los rociadores de agua, o los flits, o los pulverizadores de pintura.Solo se usan en los ciclos otto porque los motores diesel inyectan directamente el combustible dentro del motor.No vayas a buscar un carburador en un



14.4 Ciclo Diesel

1. MOTOR DIESEL: (PETROLEO)

Aplicaciones:- Transporte vehicular.- Propulsin fluvial- Propulsin naval.- Centrales Trmicas.

Motor a cuatro tiempos:

- 1er Tiempo: ADMISINSlo entra aire (no existe carburador)

- 2do Tiempo: COMPRESINEleva la temperatura a una mayor que la de la combustin del combustible. No existe buja.

- 3er Tiempo: INYECCIN DE COMBUSTIBLECombustin.

- 4to Tiempo: EXPULSIN O ESCAPE.Eliminan gases del cilindro.

CETANO: capacidad antidetonante.

El funcionamiento es similar al ciclo Otto, solamente cam-bia en la fase de la inyeccin del combustible. Ahora ser un proceso isobrico en lugar de un proceso isocrico.

dq = du + p dv = dh - v dp

Como la presin es constante usaremos la segunda igualdad y dq = dh = m (h - h )

En el diagrama p -v real del ciclo podemos apreciar varias curvas; estas dependen de si el motor es rapido o lento. Pero el diagrama p-v ideal o teorico sigue siendo de la misma forma !!

algunos motores tienen una pequena bujia para el arranque del motor, pero que una vez que el ciclo se inicia deja de trabajar.

En la figura inferior se muestra el probador de inyectores del laboratorio de energia de la PUCP



1. CICLO DUAL: (Mixto: Gasolina y gas)

Si las presiones superiores, por razones de orden constructivo o de tcnica de combustin (detonacin) resultan muy altas, entonces se hace que el encendido tenga lugar ms tarde, por lo que la combustin no slo transcurre iscora, sino tambin, isbaramente, debido a la rapidez creciente del pistn.

14.7 Ciclo Dual o MixtoCICLO DIESEL DE DOS TIEMPOS: (BARCOS)

TURBO COMPRESORSe utiliza para aumentar la eficiencia en los motores, especialmente los de petroleo. Sirven para introducir mayor cantidad de aire en el motor y por lo tanto podemos introducir mas combustible, entonces el calor suministrado aumentara, por lo tanto tambien el trabajo tecnico.

Este caso es similar al ciclo Otto, pero tambien se tiene el factor de la relacion de admision como parametro.

Ya existen en el Peru los autos que utilizan gasolina y gas alternativamente, depende del conductor pues solamente tiene que accionar un switch para decidir en que momento usa cualquier tipo de combustible. Cuando llegue el gas de Camisea a Lima esta puede ser uansolucin al problema del transporte.

En realidad este ciclo se asemeja mas a los ciclos reales.Si juntaramos el punto 2 con el 3 tendriamos un ciclo Diesel y, si junta-mos el punto 3 con el 4 tendremos un ciclo Otto.



14.10 Ciclo Wankel14.11 Ciclo Stirling

Este motor fue creado por el inventor alemn Flix Wankel, en 1954. Recin actualmente se tienen unos 500,000 automviles en todo el mundo. Es mejor que los motores a pistn, por ejemplo un motor de pistn V-8 de 195 HP tiene 1029 piezas, pesa 600 lb y ocupa 15 ft3; mientras que un motor Wankel de la misma potencia tiene 633 piezas, pesa 237 libras y ocupa 5 ft3. Adems, no tiene vlvulas !.Opera como el ciclo Otto de 4 tiempos. El nombre matemtico de la forma de la camara es epitrozoide.No tuvo mucho xito debido a los problemas en el diseo del sello del pice que se usaba para sellar los compartimientos, ahora con los nuevos materiales cermicos se soluciona este problema. El Mazda RX-7 es el nico auto comercial que usa este motor giratorio.

Los Motores Stirling pueden ser la solucion del futuro. En estos motores no se mezcla el combustible con el aire, estan completamente separados, es decir son motores de aire caliente propiamente dichos,Entonces, tiene la ventaja que el calor puede ser suministrado por cualquier cosa que se queme, puede ser cualquier combustible, lena, carbon, etc y se puede usar hasta basura, energia solar y cualquier

La combustion es externa por lo que podemos quemar todo lo que queramos !!.

Estn investigando en corazones artificiales usando este tipo de motor, solamente con el calor del cuerpo...y la otra temperatura sera el ambiente...



14.5 Nomenclatura de Motores

DEFINICIONES EN EL ANLISIS DE LOS M.C.I

Diagrama Indicado:Se denomina as, al diagrama P-v del ciclo real en un MCI. Este diagrama se obtiene a travs de aparatos denominados indicadores de diagramas.

Trabajo Indicado:(Wi)Es el trabajo realmente efectuado por los gases dentro del cilindro, sobre el pistn. Se determina mediante la integracin mecnica con un integrador del rea del diagrama indicado.

Los dinamometros tratan de frenar el eje y como eso te levanta puedes conocer la fuerza (peso) y por distancia (tu brazo) tendremos el torque. Las revoluciones por minuto RPN se miden con los tacometros o con los estroboscopios (como las luces de las discotecas) sin tener que haber contacto con el eje.

Motor de Combustin interna en el Lab, de Energa, se puede observar el torqumetro que mide directamente el Torque del eje de los motores.

Esta es la FORMULA que da la potencia de TODO EL MOTOR !!



14.6 Curiosidades de esta tecnologa

A mayor diferencia de temperatiuras en un ciclo su rendimiento es mayor (recordemos a Carnot); por eso tratamos de bajarle lo mas posible el calor evacuado, por eso usamos el radiador. Los volskwagen tipo escarabajo no tienen radiadores, solamente refrigeran por aire.



Embrague

Sirve para desconectar el motor - que siempre esta funcionando - del carro mismo.

Caja de Cambios

Sirve para cambiar la velocidad del carro, en realidad intercambia el torque con la velocidad para tener una misma potencia.



Problemas

1.- En un motor ideal a gasolina se obtuvieron los siguientes datos: rk = 9, T1 = 27 C, P1 = 1bar, z = 4 cilindros, 103 RPM, 2 tiempos, L = 12cm, D = 10cm, relacin de aire-combustible: ma / mc = 16, Poder Calorfico, PC = 40000kJ/kg. Se pide:

a) La potencia desarrollada por el motor (kW)b) Consumo especfico de combustible (kg/kW-h)c) Calor del combustible (kW)d) Eficiencia (%)



3. Se tiene un motor de combustin interna de las siguientes caractersticas:Motor de 2 tiempos y de 10 cilindros.L = 50cmD = 40cmPresin Media Indicada (pmi) = 10 bar.n = 500 rpm.Eficiencia Mecnica = 80%Eficiencia Trmica = 40%Poder Calorfico = 40 MJ/kg.Se pide calcular el consumo especfico de combustible en kg/kW-hr.

2. Un motor Diesel tiene una relacin de compresin de 18 y el cierre de la inyeccin de combustible ocurre al 10% de la carrera; si la presin y la temperatura del aire al inicio de la compresin son 1 bar y 27 C, determinar:

a) El calor suministrado al ciclo, en kJ/kg.b) La temperatura del aire al final de la expansin.c) La eficiencia trmica del ciclo, en %.d) Si el volumen de desplazamiento es de 400cm3 y el motor es monocilndrico, determinar

el dimetro y la carrera del pistn en cm, si D/L = 0.8



5. En un motor ideal de explosin se obtuvieron los siguientes datos:Relacin de compresin: 9T1 = 27 CP1 = 1 bar4 cilindrosn = 1000 rpm2 tiemposL = 12 cmD = 18 cmRelacin aire /combustible = 40 MJ /kg.Se pide determinar:

a) La potencia desarrollada por el motor en kW.b) El consumo especfico de combustible, en kg /kW-hr.c) El calor suministrado al ciclo, en kW.d) La eficiencia trmica del ciclo, en %.

4. Se tiene dos ciclos: OTTO y DIESEL. Grafique en un mismo diagrama P-v y en un mismo diagrama T-s, los ciclos mencionados y determine cual de ellos es ms eficiente para las condiciones dadas a continuacin:

a) Igual estado inicial, igual temperatura y presin mxima.b) Igual estado inicial. Igual presin mxima e igual trabajo neto.



7. Se tiene un motor Diesel que desarrolla una potencia de 10MW, se pide determinar el dimetro y la carrera del pistn, en cm. Si se conocen los siguientes datos:n = 500rpmrelacin aire /combustible = 18eficiencia mecnica = 90%condiciones ambientales : 1bar y 20 C.Motor de 4 tiempos.Poder Calorfico = 45.6MJ /kg.Densidad del combustible = 0.85 kg /litroEficiencia Trmica del ciclo = 40%Eficiencia Volumtrica = 80%

6. El consumo especfico de combustible al freno de un motor Diesel es de 0.3348kg /kW-hr, con un combustible cuyo poder calorfico es de 44MJ/kg. y una eficiencia mecnica de 80%.Determinar:

a) La eficiencia trmica indicada, en %.b) La presin media indicada, si la relacin aire combustible es de 18, la eficiencia volumtrica

es de 82% y al inicio de la compresin las condiciones del aire son; 1 bar y 18 C.

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Libro Termodinamica Cap 14 Motores Hadzich