Motores de combustión interna

Motores de combustión interna Prof. Rodrigo Barraza Contenido 1 Motores de combustión interna 2 Motores de encendido por chispa 3 Motores de encendido por compresión 4 Temas de interés 2 1 Motores de combustión interna 3 “ Se utiliza generalmente para máquinas reciprocantes y entre ellas destacan los motores de encendido por chispa (gasolina u Otto) y los motores de encendido por compresión (Diesel). 4 Historia 1876 : Nikolaus Otto implementó el primer motor a gasolina con un ciclo de cuatro tiempos y encendido por chispa. 1885: Daimler montara el motor de gasolina de alta velocidad, que fuera desarrollada por otro ingeniero alemán, Wilhelm Maybach pero sobre una motocicleta, comenzando la historia de las motocicletas. 1886: Karl Benz, consiguió la patente alemana número 37435 de lo que se considera el primer automóvil. Lo denominó Mercedes, en dedicación a su hija. 5 Características ▰ Trabajan mediante un émbolo o pistón el cual ▰ se desplaza arriba y abajo por el interior de un cilindro. Mediante un sistema de transformación bielamanivela, este movimiento se transforma en el giro de una manivela o cigüeñal. ▰ Los orificios por los que entra y sale el aire se denominan válvula de admisión y válvula de escape, 6 2 Motores de encendido por chispa 7 Características ▰ Mezcla (aire/combustible) que se comprime mediante una bujía y enciende la mezcla ▰ P<300HP ▰ Livianos ▰ Baratos ▰ Ciclo más importante: Ciclo otto 8 Características bujía admisión de aire y combustible Admisión Compresión Salida de gases Combustión Escape 9 Funcionamiento Ciclo Otto 1. P Fin combustión La válvula de admisión se abre. El pistón baja y la mezcla (aire+combustible) entra el cilindro. encendido 2. 3. 4. Válvula escape abre La vàlvula se cierra. El pistón sube comprimiendo el aire. L presión aumenta y la Tº aumenta Se energiza la bujía. Se produce un arco eléctrico que enciende el combustible iniciando la combustón al final de la carrera de compresión. La combustión provoca que el pistón baje, suba y abra la válvula para que los gases de combustión salgan al ambiente. Válvula admisión abre Escape Patm Admisión Vlibre Vtotal V 2/4 Vtotal =Vlibre + Carrera πD π 10 Análisis de ciclos de aire Para realizar un análisis termodinámico elemental de este tipo de ciclos se requiere realizar varias simplificaciones con respecto a un ciclo real: ▰ Se asume que el aire se mantiene siempre dentro del cilindro (sistema cerrado). ▰ Aire se comporta como gas ideal. ▰ Calores específicos constantes. ▰ La combustión se reemplaza por un proceso de transferencia de calor indirecto. 11 Ciclo Otto IDEAL 1-2 compresión isentrópica 2-3 adición de calor a volumen constante 3-4 expansión isentrópica 4-1 rechazo de calor a volumen constante 12 Comprensión Isentrópica: 1-2 aire BE: 𝑒 =𝑠+𝐴 𝑊12 𝑚 𝑊12 𝑚 = ∆𝑢1−2 = 𝐶𝑣 (𝑇2 − 𝑇1 ) W1−2 13 Adición de calor 2-3: Q2−3 aire BE: 𝑒 =𝑠+𝐴 𝑄2−3 𝑚 𝑄2−3 𝑚 = ∆𝑢2−3 = 𝐶𝑣 (𝑇3 − 𝑇2 ) 14 Expanción Isentrópica: 3-4 aire BE: 𝑒 =𝑠+𝐴 0= 𝑊3−4 𝑚 𝑊3−4 𝑚 + ∆𝑢3−4 = 𝐶𝑣 (𝑇3 − 𝑇4 ) W3−4 15 Rechazo de calor 4-1: Q4−1 BE: 𝑒 =𝑠+𝐴 0= aire 𝑄4−1 𝑚 + ∆𝑢4−1 𝑄4−1 = 𝐶𝑣 (𝑇4 − 𝑇1 ) 𝑚 16 Eficiencia = Wneto Qentra = Wneto W3− 4 − W1− 2 = Qentra Q2 − 3 = Wneto mcv (T3 − T4 ) − mcv (T2 − T1 ) = Qentra mcv (T3 − T2 ) Wneto (T3 − T2 ) − (T4 − T1 ) = = Qentra (T3 − T2 ) 17 Eficiencia = Wneto Qentra T  T1  4 − 1  T3 − T2 ) − (T4 − T1 ) T4 − T1 ) T1  ( (  = = 1− = 1− − − T  T T T T ( 3 2) ( 3 2) T2  3 − 1   T2  T2  V1  =  T1  V2  Compresión isentrópica V1 = V4 y k −1 Expansión isentrópica T2 T3 = T1 T4 V2 = V3 V  W T  = neto = 1 − 1 = 1 −  2  Qentra T2  V1  k −1 = 1− 1 r k −1 T3  V4  =  T4  V3  k −1 T4 T3 = T1 T2 relación de compresión 18 Eficiencia η=1− 1 𝑟 𝑘−1 𝑇1 =1− 𝑇2 r = relación de compresión --> esta limitada por el GOLPETEO (o autoencendido) 19 3 Motores de encendido por compresión 20 Características ▰ Aire se comprime a una presión muy alta y a su vez aumenta su Tº de manera que al inyectar el combustible combustiona instantáneamente. ▰ P>300HP ▰ Más eficiente ▰ Ciclo más importante: Ciclo Diesel 21 Funcionamiento Ciclo Diesel 1. La válvula de admisión se abre. El pistón baja y aire del exterior entra el cilindro. 2. La vàlvula se cierra. El pistón sube comprimiendo el aire. Durante la última parte de este ciclo de compresión se inyecta el combustible a alta presión. 3. La mezcla de combustible y aire alcanza una alta Tº debido a la relación de compresión elevada. Es por esta Tº que la mezcla se autoenciende sin necesidad de una chispa. 4. La combustión provoca que el pistón baje, suba y abra la válvula para que los gases de combustión salgan al ambiente. 22 Ciclo Diesel IDEAL 1-2 compresión isentrópica 2-3 adición de calor a presión constante 3-4 expansión isentrópica 4-1 rechazo de calor a volumen constante Recordar para análisis de ciclo de aire ideal: - Se asume el aire siempre dentro del cilindro (Sistema cerrado) Aire = gas ideal Cp, Cv ctes Se reemplaza la combustión por un proceso de transferencia de calor indirecto 23 Comprensión Isentrópica: 1-2 𝑒 =𝑠+𝐴 BE: aire 𝑊12 𝑚 𝑊12 𝑚 = ∆𝑢1−2 = 𝐶𝑣 (𝑇2 − 𝑇1 ) W1−2 24 Adición de calor 2-3: Q2−3 aire (2) (3) W2−3 BE: 𝑒 =𝑠+𝐴 𝑄23 𝑊23 = + ∆𝑢23 𝑚 𝑚 𝑄23 = 𝑃2 𝑣3 − 𝑣2 + 𝑚 𝑄23 = (ℎ3 − ℎ2 ) 𝑚 𝑄23 = 𝐶𝑝(𝑇3 − 𝑇2 ) 𝑚 𝑢3 − 𝑢2 25 Expansión Isentrópica: 3-4 BE: aire 𝑒 =𝑠+𝐴 0= 𝑊3−4 𝑚 𝑊3−4 𝑚 + ∆𝑢3−4 = 𝐶𝑣 (𝑇3 − 𝑇4 ) W3−4 26 Rechazo de calor 4-1 Q4−1 BE: 𝑒 =𝑠+𝐴 0= aire 𝑄4−1 𝑚 𝑄4−1 𝑚 + ∆𝑢4−1 = 𝐶𝑣 (𝑇4 − 𝑇1 ) 27 Eficiencia Wneto = Qentra = Wneto Q2 − 3 − Q4 −1 = Qentra Q2 − 3 = Wneto Q = 1 − 4 −1 Qentra Q2 − 3 = c (T − T ) Wneto = 1− v 4 1 Qentra c p (T3 − T2 ) 28 Eficiencia = Wneto Qentra T  T1  4 − 1  c (T − T )  T1  = 1− v 4 1 = 1− T  c p (T3 − T2 ) kT2  3 − 1   T2  Compresión isentrópica T2  V1  =  T1  V2  k −1 = r k −1 V1 = V4 (*) y V3  V2 Expansión isentrópica T3  V4  =  T4  V3  k −1  V4 V2  =  V V  2 3 k −1  V1 V2  =  V V  2 3 k −1 r =   rc  k −1 T2  1  =   T1  rc  k −1 (**) 29 Eficiencia = Wneto Qentra  T4 T   T1  4 − 1  1 −  T  T1  1    = 1− = 1− T  T  kT2  3 − 1  k r k −1  3 − 1   T2   T2  P V3 T3 = P V2 T2 T3 = rc T2  T4  1 −  T  1    = 1 − k −1 k r ( rc − 1) T2 = r k −1 T1 (*) 30 Eficiencia  T4  − 1  T  1    = 1 − k −1 k r ( rc − 1) (**) T3 T2  1  =   T4 T1  rc  k −1 T3 = rc T2 T4 = rc rc k −1 T1 T4 T3 k −1 = r T1 T2 c  = 1− (r c k −1 rc − 1 ) k r k −1 ( rc − 1) 31 Eficiencia  = 1− (r k −1 c kr k −1 rc − 1 ) ( r − 1) c Diesel puede operar a relaciones de compresión más alta 32 Temas de interés: Impácto ambiental El impacto ambiental del MCI está estrechamente relacionado con un problema social surgido por la utilización creciente del mismo: la reducción de los niveles de emisión de sustancias tóxicas y de los llamados "gases de invernadero", y la reducción de los niveles de ruido. La industria del transporte es responsable del 5 % de las emisiones de dióxido de azufre (SO2), 25 % de las emisiones de dióxido de carbono (CO2), 87 % de las de monóxido de carbono (CO) y del 66 % de las de óxidos de nitrógeno (NOx). 33 Desafíos más relevantes desde el punto de vista ingenieril en motores de combustión interna: 1 Ampliar el espectro de la utilización de combustibles, con énfasis en el uso de combustibles limpios: Biocombustibles, hidrógeno, vectores energéticos (para el hidrógeno). 34 2 Incrementar su rendimiento. 35 3 Reducción de emisiones contaminantes: - Encendido por chispa CO, HC, NOx - Encendido por compresión: NOx, soot, MP2,5. 36 4 Reducción de emisiones de CO2 por su impacto en el efecto invernadero contribuyendo a la elevación de la temperatura de nuestro planeta. 37 5 Controlar los niveles de ruido a la atmósfera que disminuye el rendimiento de los trabajadores y ocasiona molestias en sentido general. 38 39