CICLOS REALES DE LOS MCI

MAZ-222 Máquinas Térmicas Cáp. V CICLOS REALES DE LOS MCI 5.1. INTRODUCCION.- Los motores de combustión interna trabajan en distintas zonas y cond...
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Cáp. V CICLOS REALES DE LOS MCI 5.1.

INTRODUCCION.-

Los motores de combustión interna trabajan en distintas zonas y condiciones de funcionamiento, a demás en distintos regímenes de funcionamiento de acuerdo al tipo de motor desde 800 hasta 6000 rpm para motores a gasolina y de 800 hasta 5000 rpm para motores diesel. Teniendo en cuenta los principios de los ciclos ideales de los MCI, determinar parámetros termodinámicos de los diferentes procesos es rápido y sencillo, que ignoran la influencia de muchas variables importantes que los ciclos ideales no consideran. Los ciclos reales de los MCI, se implementaran definiciones termodinámicos más precisas, que formaran parte del análisis, discusión de cada uno de los procesos, de manera real de funcionamiento de un MCI, de manera coherente en las aproximaciones de los parámetros termodinámicos. 

En los motores encendidos por chispa el proceso de formación de la mezcla de aire – combustible, comienza anticipadamente en el proceso de admisión, lo cual en el proceso de admisión se produce una caída de presión, lo que significa que la presión atmosférica no es constante en este proceso, debido a la hidrodinámica.



La sustancia de trabajo en el SCP de un MCI, pues en realidad es una mezcla de sustancias gaseosas comportándose como gases reales que la constitución molecular va sufriendo cíclicamente cambios en su constitución: Combustible + Aire → Gases de Combustión



Al ser el aire como una sustancia de trabajo predominante en la combustión y al analizar las propiedades térmicas del aire, se puede ver que todas estas tienen un comportamiento global suficientemente próximo a las del aire en su comportamiento como gas real, lo que significa que las propiedades térmicas Cp, Cv, K y R variaran en función a la temperatura a lo largo de los procesos.



Los procesos de compresión y expansión, realizan continuamente intercambios de calor a través de las paredes del SCP, por consecuencia dejaran de ser procesos isentrópicos, pasaran a ser reajustados a procesos politrópicos. Página 1

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Son consideraciones básicas en el presente capitulo a estudiar. 5.2.

PROCESO DE ADMISION.-

Para desarrollar un ciclo de trabajo los motores a gasolina, los procesos de admisión y escape están vinculados entre sí, debido a la expulsión de los gases quemados producto de la combustión, al ingresar la mezcla de carga fresca que se admite en el cilindro, a consecuencia de aquello estos proceso van relacionados, porque de ello dependerá la calidad con que limpia en el SCP al ser admitido la carga de fresca admitida en el cilindro, de esta manera el proceso de admisión debe ser analizado tomando en cuenta estas consideraciones que caracterizan el proceso de escape, examinado todo el complejo de fenómenos que se refieren al proceso de intercambio de gases en conjunto, es necesario analizar los siguientes parámetros a considerar en el proceso de admisión. 

En los diagramas de las fases de distribución de los gases, en los diagramas indicados los instantes de adelantos a la apertura de la válvula de admisión, el retraso al cierre de la válvula de escape, están en función al ángulo de rotación del cigüeñal y de la carrera del pistón, lo cual hace que influya en la alimentación del motor.



La disminución de la presión en el sistema de admisión y en el cilindro depende del régimen de velocidad del motor, de las resistencias hidráulicas en todos los elementos del sistema, del área de secciones de paso por donde se desplaza la carga fresca y de su densidad, después de abrir la válvula de admisión, se produce la caída de presión, donde la presión de alimentación en el cilindro resulta menor que la presión atmosférica pk  patm o sea que pk  p1' .



La existencia de cierta cantidad de gases residuales (mr) que se quedan en la cámara de combustión (Vc) producto de la combustión al no ser expulsados completamente los gases quemados, causa el efecto de calentamiento sobre la carga de admisión que se ejercen en las paredes del SCP en consecuencia disminuye la densidad de la masa de carga fresca admitida en el cilindro.



El efecto de la inercia en el desplazamiento de la carga fresca a través del sistema de admisión hasta llegar al SCP, a consecuencia de estos factores se harán difícil el llenado completo de la mezcla de aire combustible cilindro durante el proceso de admisión.

5.2.1. CARACTERÍSTICAS ADMISIÓN.-

DE

LA

PRESIÓN

Página 2

DEL

PROCESO

DE

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La existencia de ciertas resistencias en el proceso de admisión conduce a que la cantidad de carga fresca admitida en el cilindro, disminuye debido al decrecimiento de la densidad de la carga, la influencia de las perdidas hidráulicas sobre el llenado, se tendría que analizar el uso de la teoría hidráulica (Utilizando la ecuación de Bernoulli) aplicada a las características de este sistema p0

FILTRO

INYEC

Va

Ve

MCI

p '1

W

Po  p'1  p  po  p'1 p  po  p'1

En términos generales la presión atmosférica será igual a la presión de alimentación del cilindro. Para poder determinar los cálculos con exactitud la caída de presión en la admisión, existe una tabla de la caída de presión que se puede estimar en función a márgenes establecidos a partir de esta tabla tomando en cuenta las características de los motores. Motor Gasolina Atm MG Motor Diesel Atm MD

p'1 dos válvulas

p'1 cuatro válvulas

(0,8 – 0,87)pk (0,8 – 0,85)pk

(0,86 – 0,93)pk (0,86 – 0,9)pk

La caída de presión en el sistema de admisión será un factor que disminuirá la cantidad de carga fresca admitida, con la consecuente disminución de potencia desarrollada por los MCI. El objetivo tecnológico es de optimizar el proceso de admisión, que esto significa que las paredes deberán ser más lizas y optimización geométrica del múltiple de admisión para disminuir la magnitud de la resistencia hidráulica del sistema, incremento de las secciones críticas de la admisión a través de los sistemas multiválvulares de admisión. Página 3

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5.2.2. TEMPERATURAS CARACTERISTICAS En condiciones reales de funcionamiento es evidente que la temperatura de la carga fresca al final de la admisión no será la misma que de la alimentación, para evaluar esta temperatura final se tendrá que tomar en cuenta lo siguientes pasos:  Calentamiento de la carga antes del ingreso al cilindro (Th).Debido a que las paredes de los ductos de admisión están calientes, estas aportaran calor a la carga fresca incrementando su temperatura en: T  Th  TkK

De acuerdo a las formas de admisión se tienen los siguientes parámetros para estimar la temperatura de la carga fresca hasta antes de su ingreso al cilindro (Th) o

Motores de gasolina atmosféricos To

FILTRO

INYEC Va

Ve

Th

MCI

W

Calentamiento de la carga de admisión antes del ingreso a los cilindros de un MCI gasolina. T  Th  ToK  Donde T  0.........20K

o

Motores diesel atmosféricos

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To

FILTRO Va

Ve

Th

MCI

W

Calentamiento de la carga de admisión antes del ingreso a los cilindros de un MCI Diesel. T  Th  ToK  Donde T  20.........40K

 CALENTAMIENTO FINAL DE LA CARGA DE ADMISIÓN AL INGRESAR AL SCP Debido a los gases residuales calientes que se quedan en la cámara de combustión, paredes interiores calientes del SCP, la carga fresca al ingresar al cilindro sufrirá un incremento adicional importante de temperatura, para poder calcular este calentamiento final de la carga de admisión, se tiene que establecer márgenes aproximativos de ciertos parámetros característicos de la admisión basados en el seguimiento experimental del funcionamiento de los MCI o Coeficiente de los gases residuales (µ) El coeficiente de los gases residuales es igual al cociente entre la masa de los gases residuales y la masa de la carga fresca admitida: 

Mh; Th

mr mh

Va

Se pueden asumir los siguientes valores característicos.

Ve

mr Tr

PMS

µ=0,06......0,1 MG4T µ=0,03......0,06 MD4T o

Presión del gas residual (pr) pr  ( 1,1.....1,25 )Pk

o

A

|

Donde pk=po

Temperatura de los gases residuales (Tr)

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PMI

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Tr  900  1000K

Donde para MG4T

Tr  700  900K

Donde para MD4T

En función a los valores propuestos se podrá definir la temperatura de la masa gaseosa contenida en un cilindro al final de la admisión (T’1) se tendrá: T 1' 

Th   .Tr K  1 

Por lo tanto los diagramas termodinámicos para el proceso de admisión de los diferentes sistemas de admisión serán:

p T

p’1

po

po=pk para MCI ATMOSFERICOS T’1 To po=pK

p

0

V’1=Vh+Vc

Vc

1'

O – ‘1 Calentamiento y caída de presión de la carga fresca de admisión

1'

Vc

0

v s

vh PMS

PMI

P roceso de admisión para el ciclo real en Diagrama de Presión – Temperatura. 5.2.3. ANÁLISIS DE LAS MASAS CARACTERÍSTICAS Pues debido a la inercia de los gases y las altas velocidades de desplazamiento del pistón en la admisión y expulsión, el llenado volumétrico del cilindro con la carga fresca no se logra hacer de forma completa esto significa que el volumen real llenado con carga fresca es menor que el volumen de la cilindrada. Para evaluar el rendimiento volumétrico es:

nv 

Vreal Vh Página 6

1

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A partir de esta relación se logra desarrollar una formula mas explicita con factores característicos de la admisión:

nv 

1 .rk . p' 1.Tk ( rk  1 ) pk( Th   . sTr )

Esta fórmula esta desarrollado de forma general tanto para MCI de 2 – 4 tiempos, para un motor de 4 tiempos se puede expresar de la siguiente forma: nv 

 p' 1 Tk pr  rk  s Th( rk  1 )  pk pk 

Donde: k denota las condiciones características de alimentación tanto de presión y temperatura μ1= Coeficiente de Recarga 1 ..... 1,08 μs =Coeficiente de soplado: 1 para MCI atmosféricos Con la definición de este rendimiento se tiene herramienta necesaria para que las relaciones ideales de masas gaseosas desarrolladas puedan reajustarse a: Masa de carga fresca admitida: mh 

pk * nv * vh Kg  R * Tk

Relación masa gaseosa total contenida en el SCP al final de la admisión m

pk * ( Vc  nv * vh ) Kg R * Tk

Relación Flujo másico de masa de carga fresca admitida. mh 

nv * Vh * pk * n * i Kg / s 30 * NTM * R * Tk

pk=po MCI atmosféricos 5.3.

PROCESO DE COMPRESIÓN.-

El proceso de compresión las propiedades de temperatura y la presión de compresión se elevan, en términos reales estos procesos de compresión isentropicos pasan a ser reajustados a procesos politropicos, porque contantemente van intercambiando calor a través de las paredes del SCP.

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p

T

p’1

p2

2

p2

pV n1  Cte W

p’1

2

‘1

1'

V’1=Vh+Vc

V2=Vc Vc

v

s

vh PMS

PMI DIAGRAMA DE p-v y T-S PROCESO DE COMPRESIÓN POLITROPICA

pV n1  Cte

p'1 V1n1  p2V2 n1  Cte

Se tiene la siguiente relación :

p2  p'1 rk n1 K 

T2  T'1 rk n11 K 

w12 

p2V2  p'1 V1 J  1  n1

Las relaciones anteriores son las convencionales En el proceso de compresión el exponente politrópico de la compresión varía de acuerdo al seguimiento experimental del funcionamiento del motor, dichos valores suelen ser: n1 1,3 – 1,37 1,3 — 1,4

Motores gasolina Motores diesel

Los valores del exponente politrópico, son valores promedio Estándar, estos valores varían a lo largo del proceso de la compresión, que depende de la frecuencia de rotación del motor y el estado de estanqueidad del SCP. Esto significa que mientras más lento sea el proceso de compresión mayor tiempo para el intercambio de calor, por lo tanto disminuirán los valores de n1 donde se podrá determinar por la relación: n1  1,41 

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110 n

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La potencia en los MCI es un factor muy importante que podrá desarrollar un determinado motor? Pero para consolidar la conciencia plena de que la base termodinámica de un MCI es el eslabón principal en relación existente entre sus dimensiones y la generación de potencia:

5.4.



Se ha visto necesario que a partir del tamaño del motor implícitamente el trabajo desarrollado que está en función a la cilindrada (Vh) esto significa de que el diámetro y la carrera está involucrada.



El sistema de admisión que son independientes, en un MCI está en función al sistema de alimentación, que pueden ser motores atmosféricos, sobrealimentados, intercooler, tanto motores gasolina, Diesel, las rpm del motor. PROCESO DE COMBUSTIÓN.-

CALOR ESPECIFICO [KJ/Kg ºk]

Debido a que el aire es predominante en la masa de la carga contenida en el SCP, y que los gases resultantes de la combustión tienen propiedades similares a las del aire, esto lleva a la decisión de que todas las propiedades térmicas del aire comportándose como gas real estos varían de acuerdo a la temperatura de acuerdo a la tabla de la variación de los calores específicos del aire.

1.4 1.3 1.2 1.1 1 0.9 0.8 0.7 0.6

Cp

Cv

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

TEMPERATURA ºK

Las variaciones de las propiedades de Cp, Cv, k, del aire se evaluaran a través de estos gráficos.

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γ = Cp / Cv [KJ/Kg ºk]

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1.42 1.4 1.38 1.36 1.34 1.32

k

1.3 1.28 1.26 500

0

1000

1500

2000

2500

3000

TEMPERATURA ºK

5.4.1. COMBUSTIÓN PARA EL CICLO OTTO.La combustión en el ciclo Otto, el proceso de combustión es a volumen constante, de acuerdo al calor generado por la combustión en un motor de gasolina, debido a las características de la mezcla Aire + Combustible pobre, trae como consecuencia la combustión parcial de la gasolina esto significa que la combustión en los motores a gasolina no es completa, existe un coeficiente de Rendimiento por la combustión incompleta en los MCI de gasolina, esto es igual a: q23  cmcHU J 

ηc= 0,85.....0,95 Rendimiento por la combustión incompleta en los MCI de gasolina. HU = 44x106 J/Kg poder calorífico del combustible. Entonces la expresión para determinar el calor generado en la combustión será: q23  c.mc.HU J   m.Cv.( T3  T2 )

De donde: T3 

c.mc.HU m.Cv

 T2 K 

p3  T3 .



p2 N / m2 T2



w23  0

Para determinar la masa del combustible se tomara en cuenta la relación de aire combustible real que está en función al defecto del aire, tal como:

Ra / c  .ra / c kga / kgc

Donde   0,9...1 ; ra / c  15

Lamba es el defecto del aire, que a consecuencia de la alimentación de los motores, a demás de acuerdo a la frecuencia de giro del motor este defecto de aire varía de acuerdo al funcionamiento del motor, se considera como el exceso de aire Página 10

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conocido como mezcla pobre; poca cantidad de aire o defecto de aire conocido como la mezcla rica, de acuerdo a la tecnología los coches modernos que llevan los sistemas de inyección electrónica tienden a funcionar con mezclas poco ricas en combustible por la economía del combustible cada vez más completos, con menos cantidad de emisiones de monóxido de carbono. En un motor de gasolina la carga fresca está constituida por aire más gasolina o sea: mh=ma+mc Entonces para determinar la masa del combustible se utilizara la siguiente expresión: mc 

mh kg  Ra / c  1

La temperatura promedio estimada entre T2 y T3 estará en función al cálculo desarrollado del motor a gasolina 5.4.2. PROCESO DE COMBUSTIÓN PARA EL CICLO DIESEL.Este ciclo es el mejor que se adecua a los motores diesel actuales, donde la combustión se desarrolla en dos fases, donde la primera fase se desarrolla rápidamente, dando lugar a un proceso muy similar al de volumen constante, luego la segunda fase se desacelera generando a si la fase final de combustión a presión constante entonces tendremos:

 

V3  V2 m3



p3   . p2 N / m 2



T3   .T2 K 

Donde α = 1,4.......1,8 Estos valores de alfa corresponden a los motores con cámaras de combustión simples α = 1,4.......1,8. Para motores con cámaras separadas, normalmente el valor de alfa se usara valores de α = 1,6.......1,8 Para determinar la temperatura T4 mc.HU  mCv.( T3  T2 )  cp .(T4  T3 )

Donde la masa del combustible en un motor diesel esta en relación directa con la cantidad de aire admitida en el SCP, pues la carga admitida está enteramente constituida por aire, por lo tanto la masa del combustible será: mc 

mh kg  Ra / c

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Como el motor diesel funciona enteramente con exceso de aire se tendrá que: Ra / c   .ra / c kga / kgc 

  1,3.....1,4 _______ y __ ra / c  16

Debido al exceso del aire con que trabajan estos motores disminuye la combustión incompleta, dadas estas condiciones favorables para la combustión no se tomara en cuenta el coeficiente de la combustión en los motores diesel. V4  T4

5.5.

 

w34  p 3 .(V4  V3 )J 

V3 3 m T3

PROCESO DE EXPANSION

El proceso de expansión es ajustado también a un proceso politrópico, cuyo exponente politrópico será denotado por n2 donde los valores característicos serán: n2 1,23 – 1,3 1,18 — 1,28

Motores gasolina Motores diesel Exponente politrópico para la expansión

Los valores del exponente politrópico son valores promedio estándar, de acuerdo a los análisis este exponente también dependerá de las características de la frecuencia de rotación y el estado de la estanqueidad de los MCI se plantea la siguiente relación: n2  1,18 

130 n

5.5.1. PROCESO DE EXPANSION DEL CICLO OTTO Las relaciones que se aplicara para determinar parámetros termodinámicos serán:

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p

T

p3

p4

3

p3

3

pV

n2

 Cte

W 4

p4

V3=Vc

4

V4=Vh+Vc

Vc

v

s

vh PMS

PMI DIAGRAMA DE p-v y T-S PROCESO DE EXPANSIÓN POLITROPICA

Relaciones fundamentales: V4  Vc  Vh  p4 

p3 rk

n2

 

rk .Vh 3 V m ___ donde : rk  4 rk  1 V3

N / m 

T4  T3 .rk 1n2 K 

2

w34 

p4 .V4  p 3 .V3 J  1  n2

5.5.2. PROCESO DE EXPANSION DEL CICLO DUAL Las relaciones convencionales son:

 

V5  V1  Vc  Vh m3 V  p5  p4 . 4  V5 

5.6.

n2

N / m  2

V  T5  T4 . 4  V5 

n 21

K 

w45 

p5 .V5  p4 .V4 J  1  n2

PROCESO DE CALOR RECHAZADO

El rechazo de calor en este ciclo limite considerándola volumen constante, las relaciones que evaluaran este calor serán: q41'  m.Cv.( T1' T4 )J _ Otto

q51'  m.Cv.( T1' T5 )J Diesel  Dual

Donde el Cv se evaluara mediante la tabla con la temperatura promedio del proceso. Página 13

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5.7.

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PARAMETROS TEORICOS.-

El trabajo total generado por los ciclos limites para MCI de gasolina y diesel, a pesar de que los ajustes planteados serán: w

w  w

1' 2

 w34 J Otto

w

w  w

1' 2

 w34  w45 J Diesel

5.7.1. PARÁMETROS TEÓRICOS DERIVADOS DEL CICLO REAL Sobre la base del trabajo teórico límite, por sus características de mejorada aproximación al trabajo real generado por un MCI, se puede ratificar, consolidar y desarrollar conceptos más precisos de estos motores como son la presión media, potencia y par motor. La presión media limite teórica es: pm 



w N / m2 vh



La potencia teórica limite desarrollad por el motor es: P

Donde: pm =presión media limite Vh = volumen del cilindro w = trabajo teórico limite P = potencia teórico limite n = Frecuencia de giro de un MCI. (r.pm.) i = N° de cilindros del motor

w.n.i Kw 120000

La potencia es el parámetro cualitativo más característico de la entrega energética de un motor, a demás el dato de la potencia empaqueta en un solo valor las características de velocidad y fuerza del motor, estos motores están en función a parámetros muy importantes como la frecuencia de giro del motor, en número de cilindros del motor, de ellos dependerá el nivel energético de la potencia. El par motor va ligada al origen térmico de la energía en un MCI, es el torque generado en el mecanismo de la biela – cigüeñal por acción de la presión de los gases quemados, como resultado la fuerza de accionamiento del sistema, cuya acción es la generación de un movimiento rotatorio a partir del desplazamiento lineal alternativo del pistón. El par motor en un MCI. Es: S M  Ft . 2

5.8.

95493.P Nm M n

Donde: M = Par motor teórico limite P = potencia teórico limite n = Frecuencia de giro de un MCI. (r.pm.)

RENDIMIENTOS.-

5.8.1. RENDIMIENTO TERMICO TEORICO (η) .-

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Se refiere a la razón entre el trabajo total generado por el ciclo teórico límite y la cantidad de calor que desarrollara todo el combustible admitido:



Donde: w = trabajo indicado limite mc = masa del combustible HU = Poder calorífico del combustible

W mc .HU

El rendimiento térmico entre los motores diesel y gasolina es la base conceptual fundamental del porque energéticamente los motores diesel son más eficientes, es por el aprovechamiento de este recurso tan estratégico, esto significa que existe una diferencia entre los ciclos Otto y Dual: η(Dual ) > η(Otto) 5.8.2. RENDIMIENTO INDICADO (ηi).En la generación del trabajo y al atravesar la frontera SCP, existen factores específicos de irreversibilidad energética de la siguiente manera: a) Los gases reales tiene viscosidades que dan origen a pérdidas energéticas por fricción interna en los gases y también por fricción a las paredes del cilindro. b) La masa gaseosa varia a lo largo del ciclo, pues el SCP no es totalmente hermético. c) Las pedidas de calor del SCP por la intensidad térmica del proceso de combustión. d) Adelanto y retraso en la apertura y cierre de la válvula de admisión y escape. e) Grados de adelantos de encendido. f) Los procesos de admisión y expulsión consumen energía

Todos estos factores de irreversibilidad, es que a la salida del SCP, el trabajo sufre una disminución esto da origen a la expresión de rendimiento: i 

wi Pi pmi   w P pm

wi  i.w

Pi 

wi.n.i kw 120000

5.8.3. RENDIMIENTO MECANICO (ηm).Página 15

Donde: ηi = Rendimiento indicado( 0,85.......0,96) wi = Trabajo indicado Pi = Potencia indicada pmi = Presión media indicada

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Entre las anillas, el bulón del pistón, el volante estos elementos mecánicos absorben energía por rozamiento, degenerándola el calor perdido, esto da lugar a la definición del Trabajo Efectivo, que es la energía mecánica, entonces el rendimiento mecánico será: m 

Wef Pef pmef   wi Pi pmi

Pef 

Wef .n.i kw 120000

Donde: ηm = Rendimiento mecánico Wef = Trabajo efectivo Pef = Potencia efectiva pmef = Presión media Efectiva

Wef  m.wi

Los rendimientos mecánicos en los motores de combustión interna varían tienen características diferentes entre los motores gasolina y diesel entonces serán: ηm 0,8......0,9 0,75......0,85

Motores gasolina Motores diesel 5.8.4. RENDIMIENTO EFECTIVO (ηef).-

También de nominado rendimiento total o rendimiento útil es el que evalúa la diferencia total energética entre el trabajo, mecánico recogido en el volante del MCI y la energía térmica total que desarrollara todo el combustible admitido. ef 

5.9.

Wef mc .HU

ef   .i.m

PARÁMETROS DEL CONSUMO DE COMBUSTIBLE.-

En la actualidad la generación de potencia esta debido a las exigencias de optimización energética del combustible, a demás la evaluación del consumo de combustible de un MCI, entonces existen relaciones que pueden aplicarse fundamentalmente sobre los datos de la siguiente expresión: bef 

3600.k .v gr / kw.hr  Ra . pmef c

Donde: bef = Consumo especifico de combustible pmef = Presión media efectiva Para motores gasolina se tiene la siguiente modificación: Página 16

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bef 

3600.k .v gr / kw.hr  ( Ra  1 ). pmef c

Tipo de MCI Motor gasolina Motor Diesel Turismo Motor Diesel Máq. pesado

Bef(gr/kw.hr) 380-280 350-250 300-180

λ 0,8-0,9 1,3-1,5 1,5-1,6

Valores consumo específico de combustible Donde: bef = Consumo especifico de combustible(gr/kw.hr) Pef = Potencia efectiva (Kw.) B = Consumo horario de combustible HU = Poder calorífico del combustible

El consumo horario de combustible: B

bef .Pef kg / hr  1000

A partir de esta relación se plantea el rendimiento efectivo: ef 

Pef .3600 B.HU

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Cáp. VI MOTORES SOBREALIMENTADOS 6.1.

INTRODUCCION

LA SOBREALIMENTACION EN LOS MOTORES A GASOLINA En los motores a gasolina, la sobrealimentación, presenta algunos problemas, producto de la combustión debido al aumento de cierta presión de compresión, que puede ocasionar problemas de picado, como también pueda combustionarse por autoencendido o por detonación, son problemas que acarrean, estos problemas son debidos a una serie de factores que implican en la sobrealimentación: 

Es debido al aumento de temperatura que sufre la mezcla de airecombustible dentro del SCP (sistema cilindro pistón), en la carrera de compresión del motor que será tanto mayor cuanto mayor sea el volumen de mezcla (precisamente es lo que provoca la sobrealimentación).



La solución para este problema consiste en reducir la relación de compresión por debajo de 10:1 con el fin de que no aumente demasiado la presión y con ello la temperatura de la mezcla que puede provocar el autoencendido o la detonación.



Los motores a gasolina presenta el aumento de las cargas térmicas y mecánicas, debido a que las presiones durante el ciclo de trabajo en un motor sobrealimentado son mayores, esto se traduce en unos esfuerzos mecánicos y térmicos por parte del motor que hay que tener en cuenta a la hora de su diseño y construcción, reforzando las partes mecánicas más posibles al desgaste y mejorando la refrigeración del motor.



La variación en el diagrama de distribución. Así para un motor sobrealimentado, cuanto mayor sea el AEE (avance a la apertura de la válvula de escape) tanto mejor será el funcionamiento del sobrealimentador.



También la regulación al avance del encendido debe de ser mucho más preciso en un motor sobrealimentado, por eso se hace necesario un motor encendido sin ruptor, por lo que es mejor el uso de encendidos transistorizados o electrónicos.

Además de todo ello, la sobrealimentación en los motores a gasolina también se debe tener en cuenta los siguientes factores característicos tales como: 

La bomba de gasolina debe ser de mayor caudal y presión (por lo que se opta generalmente por bombas eléctricas). Página 18

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Que en el sistema de admisión de aire se instale un buen filtrado y que este perfectamente estanco.



A fin de optimizar el llenado del cilindro, se precisa de un dispositivo llamado (intercooler) que tiene la finalidad de enfriar el aire que va ingresar debido por el sistema de sobrealimentación.



La contaminación que provocan los motores turboalimentados de gasolina es comparable a la de un motor atmosférico aunque los óxidos de nitrógeno son más importantes debido a las mayores temperaturas.

LA SOBREALIMENTACIÓN EN LOS MOTORES DIESEL En el caso de los motores Diesel, la sobrealimentación no es una causa de problemas sino todo lo contrario, es beneficioso para un rendimiento óptimo del motor. El hecho de utilizar solamente aire en el proceso de compresión y no introducir el combustible hasta el momento final de la carrera compresión, no puede crear problemas de "picado" en el motor. Al introducir un exceso de aire en el cilindro aumenta la compresión, lo que facilita el encendido y el quemado completo del combustible inyectado, lo que se traduce en un aumento de potencia del motor. Por otro lado la mayor presión de entrada de aire favorece la expulsión de los gases de escape y el llenado del cilindro con aire fresco, con lo que se consigue un aumento del rendimiento volumétrico o lo que es lo mismo el motor "respira mejor". No hay que olvidar que todo el aire que entra en el cilindro del motor Diesel hay que comprimirlo, cuanto más sea el volumen de aire de admisión, mayor será la presión en el interior de los cilindros. Esto trae como consecuencia unos esfuerzos mecánicos en el motor que tienen un límite, para no poner en peligro la integridad de los elementos que forman el motor. 6.2.

SOBREALIMENTADOR

6.3.

INTERCOOLER

6.4.

MCI SOBREALIMENTADOS

6.4.1. IDEAL-TEORICO.Las leyes de comportamiento de la admisión consecuente son las bases para comprender y evaluar los objetivos de alimentación del motor, cuando es incorporado el SOBREALIMENTADOR. Página 19

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La sobrealimentación, mediante el uso del turbo alimentador, que en realidad son compresores accionados por los gases de escape o directamente por el cigüeñal, lo que lleva que a mayor presión de llenado habrá mayor cantidad de carga fresca admitida en el cilindro, por lo que la presión atmosférica eleva a una presión a la salida del sobrealimentador. mh 

p sVh [ Kg ] RTs

m

p s ( Vc  Vh ) [ Kg ] RTs

ps= Presión a la salida del sobrealimentador [N/m2] Ts= Temperatura a la salida del sobrealimentador [ºK] mh=Masa de carga fresca admitida en el cilindro [Kg] m=Masa total contenida en el sistema cilindro pistón [Kg] R=Constante universal de los gases [J/Kg ºK] Vh=Volumen del cilindro [m3] Vc=volumen de la cámara de combustión [m3] Donde: ps  po

y

Ts  To

La sobrealimentación es una forma de aumentar la potencia de un motor de combustión interna. Sin ella, es el propio movimiento de los pistones el encargado de succionar aire hacia el interior de los cilindros para producir la combustión, por lo que el llenado no es todo lo eficiente que sería deseable. Página 20

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6.4.2. DIAGRAMA p-V Y T-S DE LOS MOTORES SOBREALIMENTADOS IDEAL - TEORICO p

T

2

s=1

Ts=T1 S

ps=p1

1 To

po

0

0

V Vc

s

Vh PMS

PMI

Diagrama de p-V y T-s de un MCI, proceso de admisión

Considerando idealmente la precompresión isentrópica tendremos:

p  Ts  To s   po 

k 1 k

 ps    po 

c  

Donde: Ts= Temperatura a la salida del sobrealimentador [ºK] To=Temperatura atmosférica [ºK] ps= Presión a la salida del sobrealimentador [N/m2] po= Presión atmosférica [N/m2] k=Exponente isentropico del aire [1,4] πc=Grado de aumento de presión en la sobrealimentación [1,5-2,5] Entonces la presión a la salida del sobrealimentador será: p s   c po [ N / m 2 ]

6.5.

MOTORES SOBREALIMENTADOS INCORPORADOS INTERENFRIADOR IDEAL-TEORICO.-

CON

UN

Intercooler es un radiador donde se enfría el aire de admisión en motores sobrealimentados. El aire se calienta al pasar por el compresor (por el mismo Página 21

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efecto de la compresión) y por ello su densidad disminuye.

A consecuencia de la sobrealimentación la temperatura del llenado del cilindro aumenta de To a Ts, convirtiéndose así este en un factor que disminuye así la efectividad del llenado del cilindro, como a menor temperatura mayor carga fresca, se implementa un ínter enfriador para disminuir la temperatura de la carga fresca que sale del sobrealimentador y así optimizar aun más la admisión de por sí ya mejorada con la sobrealimentación entonces se tendrá: Ti  Ts p k  p s y Tk  Ti mh 

m

p s ( Vc  Vh ) [ Kg ] RTs

p sVh [ Kg ] RTi Ti  Temperatura a la salida del int erenfriador [º K ] p s  Pr esión a la salida del int erenfriador [ N / m 2 ]

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6.5.1. DIAGRAMAS p-V y T-S- DE LOS MOTORES SOBREALIMENTADOS INCORPORADOS CON UN INTERNEFRIADOR IDEAL - TEORICO

p

T

2

Ts

s

Ti=T1 S

ps=p1

1 To 0

po

0

V Vc

s

Vh PMS

PMI

Diagrama de p-V y T-s de un MCI sobrealimentado incorporado con un interenfriador, proceso de admisión

pk  p s

p  Ts  To s   po 

Tk  Ti

k 1 k

Ti  Ts  TIC

TIC  50................100º K

6.6.

MASAS CARACTERÍSTICAS DE LOS MCI.-

Probablemente una de las aplicaciones más importantes de la ley de los gases para los MCI ha quedado planteada en la Ecuación de estado, a partir de la cual se puede seguir planteando relaciones y aproximaciones teóricas idealizadas que serán el fundamento y punto de partida para estructuras y desarrollar un coherente análisis termodinámico de los MCI, en la validez original de su planteo. Aparte de la masa de aire que entra como carga fresca admitida a un MCI, existen otras masas gaseosas características que intervienen en los procesos termodinámicos de un MCI, estas son:

m  mh  m( Vc )[ Kg ]

mh 

p k Vh [ Kg ] RTk

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mc 

mh [ Kg ] Ra / c

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m  Masa gaseosa total contenida en el SCP [ Kg ] mh  Masa de c arg a fresca admitida en el SCP [ Kg ] m( Vc )  Masa de los gases residuales que quedan en la camara de combustión [ Kg ] mc  Masa de combustible que ingresa al SCP [ Kg ] Ra / c  Re lación de aire combustible real [ Kga / Kgc ]

La masa gaseosa total contenida en el SCP es la suma de la carga fresca mas la masa de los gases residuales y al ser predominante la masa de la carga fresca se puede considerar: que las condiciones de temperatura y presión serán las de la admisión y que las propiedades de la masa gaseosa serán muy similares a las del aire predominante en la carga fresca, por los tanto: pk ( Vh  Vc ) [ Kg ] RTk

m

6.7.

MOTORES SOBREALIMENTADOS DE MANERA REAL.-

6.7.1. PRESION AL FINAL DEL PROCESO DE ADMISIÓN.-

p1' dos válvulas Mot. Sobrealimentados MCIˆ Mot. Sobre. Inter. MCIˆI 6.7.2. TEMPERATURAS ADMISIÓN 

p1' cuatro válvulas (0,94 – 0,96)pk (0,9 – 0,91)pk

(0,9)pk (0,86)pk CARACTERISTICAS

DEL

PROCESO

DE

Motores sobrealimentados Calentamiento de la carga de admisión antes del ingreso a los cilindros de un MˆCI T  Th  TsK  Donde

T  5.........10K Estableciendo que la compresión en la sobrealimentación en términos reales serán los exponentes poli trópicos.  ps  Ts  To.   po 

n 1 n

K

Donde

el

coeficiente de

n=1,45.......1,8

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compresión politrópico es:

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c 

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ps  1,3.......2 ,5 po

Los rangos de valores del grado de aumento de presión en la sobrealimentación (  c ) permite una clasificación de la sobrealimentación de la siguiente forma: Sobrealimentación Baja  c =1,3........1,9 Sobrealimentación Media  c =1,9............2,5 Sobrealimentación Alta

 c > 2,5

Cuando los rangos de  c > 1,9 normalmente los sistemas de admisión están implementados de un interenfriador o intercooler. 

Motores sobre alimentados con ínter enfriadores

La sobrealimentación y el interenfriamiento, característica casi exclusiva de los motores diesel, a medida que se fue perfeccionando la inyección en los motores a gasolina, la sobrealimentación y el interenfriamiento en la admisión de estos motores cada vez se va haciendo factible y común, a tal punto que hoy en día en el mercado existen muchos automóviles incorporados con estos elementos, el interenfriamiento está ligado indisolublemente a la sobrealimentación. Calentamiento de la carga de admisión antes del ingreso a los cilindros de un MˆI T  Th  TiK Donde T  15.........30K Donde: Ti  Ts  TICK

TIC  50..........100K

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Caída de temperatura en el ínter enfriador. 6.7.3. CALENTAMIENTO FINAL DE LA CARGA DE ADMISIÓN AL INGRESAR AL SCP 

Coeficiente de los gases residuales (µ)

El coeficiente de los gases residuales es igual al cociente entre la masa de los gases residuales y la masa de la carga fresca admitida: 

mr mh

Se pueden asumir los siguientes valores característicos. µ=0,03......0,06 MGˆ47, MDˆ4T  Presión del gas residual (pr) pr  ( 1,1.....1,25 )Pk

|

Donde pk=ps

 Temperatura de los gases residuales (Tr) Tr  900  1000K

Donde para MGˆ

Tr  700  900K

Donde para MDˆ

En función a los valores propuestos se podrá definir la temperatura de la masa gaseosa contenida en un cilindro al final de la admisión (T1’) se tendrá: T 1' 

Th   .Tr K  1 

Donde: T1’= Th= μ= Tr=

Temperatura al final del proceso de admisión [ºK] Temperatura antes de su ingreso al cilindro [ºK] Coeficiente de los gases residuales Temperatura de los gases residuales [ºK]

Por lo tanto los diagramas termodinámicos para el proceso de admisión de los diferentes sistemas de admisión serán:

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PMS PMIreal en Diagrama de Presión – Temperatura. Proceso de admisión para el ciclo 6.7.4. RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO nv 

 p1' Tk pr  * rk  s  Th* ( rk  1 )  pk pk 

μs = Coeficiente de soplado: 0,1....0,5 MCI Sobrealimentados Con la definición de este rendimiento se tiene herramienta necesaria para que las relaciones ideales de masas gaseosas desarrolladas puedan reajustarse a: Masa de carga fresca admitida: mh 

pk nv vh Kg  R Tk

Relación masa gaseosa total contenida en el SCP al final de la admisión m

pk ( Vc  nv vh ) Kg R Tk

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