Proceso de Combustion en Motores de Combustion Interna y Externa

República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Educación Superior
Universidad Politécnica Territorial José Antonio Anzoátegui
PNF en mantenimiento
Profesora:
Lennys Betancourt
Realizado por:
José González
CI: 28.095.233
Sección MM01
Trayecto 2 Fase 2.
El tigre, 30 de noviembre del 2020

Las centrales térmicas convencionales,
también llamadas termoeléctricas
convencionales, utilizan combustibles fósiles
(gas natural, carbón o fueloil) para generar
energía eléctrica mediante un ciclo
termodinámico de agua-vapor. El término
‘convencional’ se utiliza para diferenciarlas de
otras centrales térmicas, como las de ciclo
combinado o las nucleares.
Sus componentes principales son:
•Caldera: espacio donde el agua se transforma en vapor gracias a la quema de combustible. En este
proceso la energía química se transforma en térmica.
•Serpentines: cañerías por donde circula el agua que se transforma en vapor. En ellos se produce el
intercambio de calor entre los gases de la combustión y el agua.
•Turbina de vapor: máquina que recoge el vapor de agua y que, gracias a un complejo sistema de
presiones y temperaturas, consigue que se mueva el eje que la atraviesa. Esta turbina normalmente
tiene varios cuerpos, de alta, media y baja presión, para aprovechar al máximo el vapor de agua.
•Generador: máquina que recoge la energía mecánica generada en el eje que atraviesa la turbina y
la transforma en eléctrica mediante inducción electromagnética Las centrales eléctricas transforman
la energía mecánica del eje en una corriente eléctrica trifásica y alterna. El generador conecta el eje
que atraviesa los diferentes cuerpos.
Funcionamiento:
El combustible se quema en una caldera provocando la energía térmica que se
utiliza para calentar agua, que se transforma en vapor a una presión muy
elevada. Después, ese vapor hace girar una gran turbina, convirtiendo la energía
calorífica en energía mecánica que, posteriormente, se transforma en energía
eléctrica en el alternador. La electricidad pasa por un transformador que aumenta
su tensión y permite transportarla reduciendo las pérdidas por Efecto Joule. El
vapor que sale de la turbina se envía a un condensador para convertirlo en agua
y devolverlo a la caldera para empezar un nuevo ciclo de producción de vapor.

Combustión externa
Los motores de combustión externa se aprovechan
también de la expansión de los gases generados por la
inflamación del combustible; éste puede ser sólido (como
un simple cohete de ferias, o como los que se utilizan
para poner en órbita satélites), líquido (como los
"reactores") y gaseoso (turbinas de gas en las centrales
térmicas, o como los que se utilizan para
los transbordadores espaciales).
Combustión interna
En los motores de combustión
interna tanto de ciclo Otto (cuatro
tiempos) como en los de dos tiempos la
explosión/inflamación se produce dentro
de un recinto cerrado, denominado
cámara de combustión, que tiene una
parte móvil (en los motores más
comunes se trata del pistón) que se
desplaza dentro del cilindro con un
movimiento lineal (como si fuera una
bala dentro del cañón).
El pistón está unido a un mecanismo de
biela-cigüeñal para trasformar el
movimiento lineal en giratorio. En estos
motores el aire y el combustible pueden
venir mezclados desde el exterior, o
bien puede entrar sólo aire y producirse
la mezcla dentro de la propia cámara de
combustión, a este tipo se le conoce
como inyección directa.

En 1862, el inventor francés Alphonse Beau de
Rochas ideó este tipo de motor, pero fue el alemán
Nikolaus August Otto quien construyó uno cuatro años más
tarde en sus dos versiones: dos y cuatro tiempos. Un pleito
posterior le permitió a Beau de Rochas recibir una
compensación económica, pero fue Otto quien se quedó
con la fama y dio nombre al motor de gasolina tal y como lo
conocemos hoy.
El motor de cuatro tiempos
Este tipo de motor utiliza cuatro fases para completar el ciclo:
admisión, compresión, explosión y escape.
•Admisión
•Se inicia cuando el pistón se encuentra en el punto muerto
superior (punto más alto) y termina cuando llega al punto
muerto inferior (punto más bajo). La válvula de admisión está
abierta y la de escape cerrada. El movimiento descendente
crea un efecto de succión que hace que la mezcla entre en la
cámara de combustión.
•Compresión
•Al llegar al punto muerto inferior, la válvula de admisión
también se cierra, ascendiendo el pistón y reduciendo el
volumen de la cámara de combustión. Ello comprime la
mezcla. El cigüeñal ya ha dado una vuelta completa, mientras
que el árbol de levas ha completado un giro de 180 grados.
•Explosión
•Al comprimirse por completo la mezcla y permanecer las
válvulas de admisión y escape cerradas, la bujía crea una
chispa que quema la mezcla
•Escape
•Cuando el pistón vuelve al punto muerto inferior, la válvula de
escape se abre, propiciando que este vuelva a ascender y expulse
los gases resultantes de la explosión.
El motor de dos tiempos
Es utilizado principalmente en motores de poca cilindrada y
económicos al ser más sencillo (no cuenta con sistema de
distribución) y ofrecer una menor eficiencia, pero permitir
una mayor potencia a igualdad de cilindrada que los de
cuatro tiempos. Además, se puede colocar en cualquier
posición al no utilizar el cárter para almacenar el aceite,
que ya se incluye en la mezcla para lubricar las piezas.
Completa todo el proceso con un único giro del cigüeñal.
•Compresión y aspiración
•El pistón asciende y comprime la mezcla de aire,
combustible y aceite. Esto crea un vacío en el cárter y, al
finalizar su recorrido, el pistón deja libre una lumbrera u
orificio de aspiración que permite que el cárter se llene de
nuevo con la mezcla.
• Explosión y escape
•La bujía crea una chispa que prende la mezcla
comprimida, creando una explosión que empuja el pistón
hacia abajo. Eso provoca que la mezcla se comprima en el
interior del cárter. El pistón libera el canal de escape del
cilindro, saliendo los gases resultantes. A través de la
lumbrera que conecta el cárter con el cilindro, la mezcla pre
comprimida llena este y libera el resto de gases,
iniciándose de nuevo el ciclo.

Rendimiento
Un motor de ciclo Otto debe trabajar
con una proporción de aire y
combustible lo más equilibrada
posible, por lo que cuenta con un
margen muy estrecho. Esta proporción
se conoce como factor lambda e,
idealmente, tiene una proporción
estequiometria de 14,7 partes de aire
por una de combustible.
Si administramos más aire, la mezcla
se empobrece y, aunque los consumos
y las emisiones se reducen, también lo
hace el par máximo. Por el contrario, si
la proporción de aire se reduce, el par
y la potencia se incrementan a costa
de un mayor consumo y emisión de
gases contaminantes.

Un ciclo Diesel ideal es un modelo simplificado de lo que ocurre en
un motor diesel. En un motor de esta clase, a diferencia de lo que
ocurre en un motor de gasolina la combustión no se produce por la
ignición de una chispa en el interior de la cámara. En su lugar,
aprovechando las propiedades químicas del gasóleo, el aire es
comprimido hasta una temperatura superior a la de auto ignición del
gasóleo y el combustible es inyectado a presión en este aire caliente,
produciéndose la combustión de la mezcla.
Para modelar el comportamiento del motor diesel se considera un ciclo Diesel de seis pasos, dos de los cuales se
anulan mutuamente:
Admisión E→A
El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de aire en la cámara. Esto
se modela como una expansión a presión constante (ya que al estar la válvula abierta la presión es
igual a la exterior). En el diagrama PV aparece como una recta horizontal.
Compresión A→B
El pistón sube comprimiendo el aire. Dada la velocidad del proceso se supone que el aire no tiene
posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiabático. Se modela
como la curva adiabática reversible A→B, aunque en realidad no lo es por la presencia de factores
irreversibles como la fricción.
Combustión B→C
Un poco antes de que el pistón llegue a su punto más alto y continuando hasta un poco después de
que empiece a bajar, el inyector introduce el combustible en la cámara. Al ser de mayor duración que
la combustión en el ciclo Otto, este paso se modela como una adición de calor a presión constante.
Éste es el único paso en el que el ciclo Diesel se diferencia del Otto.
Expansión C→D
La alta temperatura del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él. De nuevo, por
ser un proceso muy rápido se aproxima por una curva adiabática reversible.
Escape D→A y A→E
Se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una temperatura
mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en la siguiente admisión.
El sistema es realmente abierto, pues intercambia masa con el exterior.. Este enfriamiento ocurre en
dos fases. Cuando el pistón está en su punto más bajo, el volumen permanece aproximadamente
constante y tenemos la isocora D→A. Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula
abierta, empleamos la isobara A→E, cerrando el ciclo
Rendimiento en función de las temperaturas
Un ciclo diésel contiene dos proceso adiabáticos, A→B y C→D, en los
que no se intercambia calor. De los otros dos, en el calentamiento a
presión constante B→C, el gas recibe una cantidad de calor | Qc | del
exterior igual a
En el enfriamiento a volumen constante D→A el sistema cede una
cantidad de calor al ambiente
El rendimiento del ciclo será entonces

Comparación con el ciclo Otto
Según indicamos en la introducción, el ciclo Diesel ideal se
distingue del Otto ideal en la fase de combustión, que en el
ciclo Otto se supone a volumen constante y en el Diesel a
presión constante. Por ello el rendimiento es diferente.
Si escribimos el rendimiento de un ciclo Diesel en la forma
vemos que la eficiencia de un ciclo Diesel se diferencia de
la de un ciclo Otto por el factor entre paréntesis. Este factor
siempre mayor que la unidad, por ello, para iguales
razones de compresión r

Caso práctico
Vamos a considerar un ciclo Diesel en la que el aire a la
entrada está a una presión de 1 atm y una temperatura
de 17°C; la razón de compresión es 18 y la de
combustión vale 2. El volumen máximo de la cámara es
de 1900 cm³. Vamos a determinar los volúmenes,
presiones y temperaturas de cada vértice del ciclo, así
como su rendimiento y el calor y el trabajo
intercambiados por el motor.

Continuación del caso
practico

Ciclo teórico mixto en el cual la
combustión (es decir, la fase durante la
cual se suministra energía en forma de
calor al fluido activo) se produce en
parte a volumen constante y en parte a
presión constante.
1 Compresión, proceso 1-2: es un proceso
de compresión adiabática reversible (isentrópica), es
decir sin intercambio de calor con el exterior y con un
trabajo realizado al sistema para comprimirlo. El
pistón, estando en el punto muerto, empieza su
carrera de ascenso, comprimiendo el aire contenido
en el cilindro. Ello eleva el estado termodinámico del
fluido, aumentando su presión, su temperatura y
disminuyendo su volumen específico.
2 Combustión, proceso 2-3: en esta idealización, el aporte de calor Qp se
simplifica por un proceso isobárico (a presión constante). Sin embargo, la
combustión Diesel es mucho más compleja: en el entorno del punto muerto
superior (PMS) (en general un poco antes de alcanzarlo debido a problemas
relacionados con la inercia térmica de los fluidos, es decir el retraso que hay
entre la inyección y la inflamación espontánea), se inicia la inyección del
combustible (en motores de automóviles, gasóleo, aunque basta con que el
combustible sea lo suficientemente auto inflamable y poco volátil). El inyector
pulveriza y perliza "atomiza" el combustible, que, en contacto con la atmósfera
interior del cilindro, comienza a evaporarse
3 Explosión/Expansión, proceso 3-4:
se simplifica por una expansión
isentrópica (adiabática) del fluido
termodinámico, hasta el volumen
específico que se tenía al inicio de la
compresión. En la realidad, la
expansión se produce a
consecuencia del elevado estado
termodinámico de los gases tras la
combustión, que empujan al pistón
desde el PMS hacia el PMI,
produciendo un trabajo. Nótese
cómo, como en todo ciclo de motor
de cuatro tiempos o dos tiempos,
solo en esta carrera, en la de
expansión, se produce un trabajo.
4 Última etapa, proceso 4-1: esta etapa es
un proceso isocórico (escape) es decir
a volumen constante. Desde la presión
final de expansión hasta la presión inicial
de compresión. En rigor, carece de
cualquier significado físico, y simplemente
se emplea ad hoc, para poder cerrar el
ciclo ideal. Sin embargo, hay autores que
no satisfechos con todas las idealizaciones
realizadas, insisten en dar un significado
físico a esta etapa, y la asocian a
la renovación de la carga, pues, razonan,
es esto lo que se produce en las dos
carreras que preceden a la compresión y
siguen a la expansión: el escape de masa
quemada y la admisión de masa fresca. No
obstante, el escape es un proceso que
requiere mucho más trabajo que el que
implica este proceso (ninguno), y además
ninguno de los dos procesos se da, ni por
asomo, a volumen específico constante.

Un ciclo Brayton (o Joule) ideal modela el
comportamiento de una turbina, como las empleadas
en las aeronaves. Este ciclo está formado por cuatro
pasos reversibles,. Pruebe que el rendimiento de este
ciclo viene dado por la expresión
El ciclo Brayton describe el comportamiento ideal de un motor de turbina de gas, como los utilizados
en las aeronaves. Las etapas del proceso son las siguientes
•Admisión
•El aire frío y a presión atmosférica entra por la boca de la turbina
•Compresor
•El aire es comprimido y dirigido hacia la cámara de combustión mediante un compresor (movido por
la turbina). Puesto que esta fase es muy rápida, se modela mediante una compresión adiabática
A→B.
•Cámara de combustión
•En la cámara, el aire es calentado por la combustión del queroseno. Puesto que la cámara está
abierta el aire puede expandirse, por lo que el calentamiento se modela como un proceso isóbaro
B→C.
•Turbina
•El aire caliente pasa por la turbina, a la cual mueve. En este paso el aire se expande y se enfría
rápidamente, lo que se describe mediante una expansión adiabática C →D.
•Escape
•Por último, el aire enfriado (pero a una temperatura mayor que la inicial) sale al exterior.
Técnicamente, este es un ciclo abierto ya que el aire que escapa no es el mismo que entra por la
boca de la turbina, pero dado que sí entra en la misma cantidad y a la misma presión, se hace la
aproximación de suponer una recirculación. En este modelo el aire de salida simplemente cede calor
al ambiente y vuelve a entrar por la boca ya frío. En el diagrama PV esto corresponde a un
enfriamiento a presión constante D→A.
Existen de hecho motores de turbina de gas en los que el fluido efectivamente recircula y solo el
calor es cedido al ambiente. Para estos motores, el modelo del ciclo de Brayton ideal es más
aproximado que para los de ciclo abierto.
Ciclo cerrado

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