U2 análisis termodinámico del motor diesel

Motores de
Combustión
Interna
Expositor: Elmore Andrade Dulanto
Departamento de Equipo pesado

UNIDAD 2
Análisis Termodinámico del Motor Diesel

Objetivos
A través de este curso, el estudiante podrá:
• Analizar y comparar los ciclos termodinámicos
teórico y real de los motores de combustión
interna de 4 tiempos Otto y Diesel y de 2 tiempos.
• Analizar y calcular los parámetros de
funcionamiento de los ciclos de trabajo teórico y
real de los motores de combustión interna Otto y
Diesel y de 2 tiempos.

Máquinas
Reciprocantes
Máquina encendido
por chispa (MECH)
Mezcla de aire y
combustible
Chispa de una
bujía
Máquina encendida por
compresión (MEC)
Combustión
Mezcla de aire y
combustible
Comprimirla arriba
de su Tautoencendido
Combustión
Inicia Auto - enciende

Consideraciones básicas para el análisis
• Los ciclos reales son difíciles de
analizar
• Si al ciclo real se le eliminan las
irreversibilidades se tiene un
ciclo ideal
• Frecuentemente los análisis de
ciclos ideales son aplicables a
ciclos reales aunque los valores
numéricos no son
necesariamente representativos

Diagrama Teórico
En un motor endotérmico alternativo intervienen
muchos fenómenos físicos y químicos:
- Irreversibilidades en la admisión y escape
- Turbulencias internas
- Pérdidas de calor por refrigeración
- Variabilidad de las capacidades caloríficas con la temperatura
- Influencia de la formación de la mezcla
- Disociación en la combustión
- Velocidad de Combustión
- Retardo al encendido, etc.

U2 análisis termodinámico del motor diesel

Ciclo Otto (encendido por chispa)
• Es el ciclo ideal para las máquinas reciprocantes de
encendido por chispa (MECH)
• Son máquinas de combustión interna de 4 tiempos,
el émbolo ejecuta 4 tiempos completos dentro del
cilindro y el cigüeñal completa 2 revoluciones por
cada ciclo termodinámico.

Ciclo termodinámico de Otto
Carrera de admisión 0-1 y 1-0 » isobara a
presión atmosférica
Carrera de compresión 1-2 » adiabática (Q=0)
Carrera de combustión 2-3 » isócora (V=cte.)
o isométrica
Carrera de expansión 3-4 » adiabática (Q=0)
Carrera de escape 4-1 » isócora (V=cte.)
Q1 » Calor generado en la combustión
Q2 » Calor cedido al ambiente o perdido
Q=0 » Calor concentrado en la cámara, sin
intercambio de calor
DIAGRAMA P-V
patm

Ciclo termodinámico del Diesel
Carrera de admisión 0-1 y 1-0 » isobara a
Carrera de compresión 1-2 » adiabática (Q=0)
Carrera de combustión 2-3 » isobara
Carrera de escape 4-1 » isócora (V=cte.)
Q1 » Calor generado en la combustión
Q2 » Calor cedido al ambiente o perdido
Q=0 » Calor concentrado en la cámara, sin
intercambio de calor
DIAGRAMA P-V
patm

Ciclo
Termodinámico
del Motor Diesel

ADMISION: Si comienza en el PMS, se provocaría
una fuerte depresión en el cilindro y aumento
de perdida de bombeo.
Si termina el PMI, la presión dentro del cilindro
seria inferior a la atmosférica.
Si retrasamos el cierre, seguiría cargándose el
cilindro a causa de la inercia del flujo en el
conducto de admisión.
COMPRESION: El cierre y/o apertura de la válvula
de admisión origina sobrepresiones y/o
presiones, cuya onda se propaga por el
conducto de admisión, denominado golpe de
ariete. Pero también favorece una
sobrepresión para el llenado del cilindro.
COMBUSTION: Comienza antes de terminar la
segunda carrera y principio de la tercera.
EXPANSION: Si la válvula escape comenzara a
abrirse al final de la tercera carrera, la presión
interior se mantendría alta durante un buen
recorrido de la cuarta, y el trabajo seria menor
que si comenzamos antes su apertura.
ESCAPE: Con el retraso se aprovecha la inercia
del flujo en el conducto de escape, limpieza de
humos y mayor carga

Diagrama Real
Se denomina también diagrama indicado.
Debido a la velocidad infinita del pistón, el diagrama
real es muy diferente al diagrama teórico (tanto más
cuanto más revolucionado sea el motor; y más, si
tenemos presente que las válvulas no abren ni
cierran instantánea sino gradualmente.

DIAGRAMA P-V DIAGRAMA TIEMPO
Fin de la
combustión
Apertura de la
válvula admisión
Apertura de la
Encendido válvula escape
DE VALVULAS
MEP (Motor encendido provocado)
MEC (Motor encendido por combustión)

Comparación de los diagramas Otto y Diesel

Motor de Dos Tiempos
ESCAPE ESCAPE

• Un motor de dos tiempos
precisa de la asistencia de
un soplador para barrer
los gases quemados, lo
que absorbe potencia.
• A carga parcial, el
soplador continúa
bombeando a su máxima
capacidad, reduciendo la
eficiencia del motor.

• Se precisan de
radiadores de aceite a
causa de la alta
temperatura de
combustión y mínimo
tiempo que se dispone
para refrigerar los pistones
y las cámaras de
combustión.
• Los motores industriales
pesados funcionan a
pocas r.p.m. utilizando el
sistema de 2T.

Consideraciones básicas para el análisis
• La potencia de un motor 2T es el
doble que la 4T, la combustión-expansión
se realiza cada
revolución.
• La potencia es proporcional al D²
del cilindro y la cilindrada y masa
son proporcionales a D³.
• Las relaciones específicas de
potencia/cilindrada (kW/l) y
potencia/masa (kW/kg), son
inversamente proporcionales a D.

Diagrama Teórico
En un motor de dos tiempos, la carrera útil es inferior
a la carrera dispuesta en un motor de cuatro tiempos,
ya que el primer recorrido se utiliza para los procesos
de admisión y escape.

Ciclo termodinámico motor 2T
Carrera de barrido 1-5-1 » isobara a
Carrera de compresión 5-1-2 » adiabática (Q=0)
Carrera de combustión 2-3 » isócora (V=cte.)
o isométrica
Carrera de escape 1-5-1 » isócora (V=cte.)
DIAGRAMA P-V
patm

Diagrama Real
Se denomina también diagrama indicado.
La parte superior de las lumbreras de escape queda
al descubierto; cuando el pistón ha descendido de
75% a 70% de la carrera; incluso menos en motores
muy rápidos.
Por la inercia de los gases en el escape, suele haber
cierta depresión durante algunos grados; lo que
favorece un mejor barrido y llenado del cilindro.

Compresión Admisión
Escape
α ángulo de adelanto
β ángulo de retrazo
Eö dejar una ranura abierta
Es dejar una ranura cerrada
Aö Valvula de escape se abre
As Valvula de escape se cierra
Üö Protección contra sobrecorriente se abre
Üs ranura de protección contra sobrecorriente se cierra
DIAGRAMA P-V
DIAGRAMA TIEMPO
DE VÁLVULAS
Expansión
Eö
Es
Presión
As Aö
Llenado

Vorauslasswinkel
nachuslasswinkeleinslassschlitzöffneteinsl
assschlitzschliesstauslassschlitz
öffnetauslassschlitz
schliesstüberstromschutz
öffnetüberstromschutzschlitzschliesst

Ejercicio
Considerar un ciclo Otto estándar de aire con una
relación de compresión de 8. Si las condiciones del
aire al iniciarse el proceso son de 1 bar y 40°C, y el
calor suministrado al ciclo es de 1300 J/g:
a.- Determinar las presiones y temperaturas en los
estados 2, 3 y 4 del ciclo.
b.- Determinar la eficiencia térmica del ciclo.
c.- Calcular el trabajo neto desarrollado por unidad
de masa.
d.- Calcular la presión media efectiva.
e.- Determinar el calor disipado por el ciclo.

Ejercicio
Un ciclo de Otto ideal tiene una relación de compresión de 8. Al inicio
del proceso de compresión el aire esta a 100 kPa y 17ºC, y 800 kJ/kg
de calor se transfieren a volumen constante hacia el aire durante el
proceso de adición de calor. Tome en cuenta la variación de los
calores específicos del aire con la temperatura y determine:
a) La temperatura y presión máximas que ocurren durante el ciclo.
b) La salida de trabajo neto.
c) La eficiencia térmica.
d) La presión media efectiva en el ciclo.
Suposiciones:
 Aplicar aire estándar
 Despreciar cambios de
energía cinética y potencial
 Se considera variación de
los calores específicos con
la temperatura

Diferencias de
funcionamiento
Motor Diesel Motor Otto
• Admisión de la máxima
cantidad de aire.
• Alto grado de compresión
(14 a 22).
• Elevada temperatura al
final de la compresión (500
a 600°C)
• Inyección de combustible
en cantidad dosificada.
• Auto inflamación de
combustible al ser
inyectado.
• Combustión relativamente
lenta.
• Presión máxima de
combustión entre 70 y 90
bar.
• Preparación de la mezcla
en determinada proporción.
• En la admisión se regula la
cantidad de mezcla
requerida.
• Grado de compresión
relativamente bajo (8 a 11).
• Encendido de la mezcla
mediante una chispa
eléctrica.
• La combustión es rápida a
volumen casi constante.
• Presión máxima de
combustión de 30 a 40 bar.

Ciclo Diesel: Máquina encendida por
compresión
• En los motores ECH, la mezcla
aire combustible se comprime
hasta una temperatura menor a la
de autoencendido y la combustión
se inicia con una bujía (Chispa).
• En los motores ECOM el aire se
comprime hasta una temperatura
superior a la temperatura de
autoencendido del combustible y
la combustión se inicia con la
inyección de combustible

Ejercicio:
Considerar un motor Diesel de cuatro tiempos y cuatro cilindros, de
1500 cm3 de desplazamiento, que tiene una relación de compresión
de 16 y gira a 1500 rpm. El combustible empleado disipa 44427 J/g
durante la combustión. Al iniciarse la compresión, el aire se encuentra
a una presión de 1 bar y una temperatura de 40 °C. La relación aire
combustible (masa aire/masa combustible) es igual a 20. Suponiendo
un ciclo Diesel donde las propiedades del medio de trabajo son
iguales a las del aire, calcular:
a) Las presiones y temperaturas a lo largo del ciclo.
b) La eficiencia térmica del ciclo Diesel.
c) El calor suministrado durante el proceso de combustión isobárica.
d) La potencia desarrollada por la máquina

Ejercicio
Un ciclo Diesel ideal tiene un r=18 y un rc=2. Al
principio del proceso de compresión el fluido de
trabajo está a 14,7 psia, 80 °F y 11,7 pulg3.
Suponer aire estándar y determinar:
a) La temperatura y presión del aires al final de
cada proceso.
b) El trabajo neto.
c) La eficiencia térmica.
d) La presión media efectiva.



1.4
psia pie
BTU
BTU
.
0,171
.
0,240
.
.
0,3704
3
p

k
lb R
c
lb R
c
lb R
R
v

Objetivos
A través de este curso, el estudiante podrá:
• Conocer y diferenciar los ciclos termodinámicos de
los motores de combustión interna Otto y Diesel.
• Analizar y calcular los parámetros de
funcionamiento de los ciclos Otto y Diesel.
• Calcular la potencia y el rendimiento térmico de los
ciclos Otto y Diesel.
• Analizar los diagramas de funcionamiento del
motor diesel de 2 y 4 tiempos.
• Determinar el ciclo diesel de 2 y 4 tiempos con
sobrealimentación.

El balance de energía para cualquiera de los procesos se expresa:
La eficiencia térmica del ciclo de Otto ideal para el aire
estándar frio es:
Los procesos 1-2 y 3-4 son isentropicos; además v2 = v3 y v4 =v1 :

Sustituyendo estas ecuaciones en la relación de la η ter. Otto y
simplificando :
Donde:
η ter. Otto r k
Esto también es cierto para las maquinas de
combustión interna reales de encendido por chispa

La eficiencia térmica de un ciclo de Otto ideal como una función
de la relación de compresión ( k= 1,4)

La eficiencia térmica de un ciclo de Otto ideal aumenta con la
relación de calores específicos k del fluido de trabajo
La eficiencia térmica de maquinas reales de
encendido por chispa varia de aproximadamente 25
a 30 %

Calor suministrado y evacuado
q  w  u 
u
2.3 2.3 3 2
q  p v  v  u 
u
.( ) ( )
2.3 2 3 2 3 2
q q h h c T T
sum p     
( ) .( )
2.3 3 2 3 2
q  u 
u
4.1 1 4
q q c T T
evac v   
.( )
( )
4.1 1 4

Eficiencia del ciclo Diesel

 

T T
( )
4 1
T
4

T
1 3
 


 
1




 


 
q
evac
q
neto
c T T
( )


 

w
  

4 1
T

 

1

 

 



 

 

 
 . . 1
1
1
1
( )
1
( )
1
1
2
1
T
3
2
2
4
1
v
1
.
.
3 2
3 2
.
T
k r
T
T
kT
T
T
k T T
c T T
q
k


ter Diesel
p
ter Diesel
sum
sum
ter Diesel


Eficiencia del ciclo Diesel
• Definamos «Relación de corte de admisión» (rc),
como relación entre los volúmenes después y
antes del proceso de combustión:
• La eficiencia:
v
3
2
V
3
rc  
2
v
V

k
c
1 
1
   1
 





1 . 1
ter Diesel k k r
c
r
r


Comparación entre motores de dos y
cuatro tiempos

Motor de Combustión Interna
Es una máquina termodinámica que transforma
en movimiento la energía proveniente de la
combustión de sustancias adecuadas
(combustibles), debido a un conjunto de piezas o
mecanismos fijos y móviles, sincronizados; cuya
función principal es transformar la energía
química que proporciona la combustión interna
producida por la mezcla de aire y combustible en
energía mecánica o movimiento.

El motor Diesel es otro
ejemplo de una maquina
de combustión interna,
se les conoce así,
porque queman
combustible dentro del
motor en un
confinamiento sin flujo.

Eficiencia
• La eficiencia de un motor se expresa como el
porcentaje de potencia real comparado con
la potencia teórica del motor.
• Hay varios modos de definir la potencia del
motor:
– Eficiencia volumétrica
– Eficiencia mecánica
– Eficiencia térmica
– Eficiencia del combustible

Eficiencia volumétrica
• Es la capacidad del motor de llenar el cilindro
aire en la carrera de admisión comparado
con el cilindro completamente lleno de aire
con presión atmosférica.
Eficiencia mecánica
• Es la relación de la potencia al freno y la
potencia indicada.
Eficiencia mecánica = BHP / IP

Eficiencia térmica
• Es la capacidad del motor de convertir la energía
del combustible en energía calorífica para lograr el
giro del cigüeñal.
Eficiencia del combustible
• Es la aplicación de un motor en carretera, se
expresa en km/L o millas/galón, en la industria es
L/hora o galón/hora.
• También se expresa en Consumo de Combustible
Especifico al Freno (BSCF), que es la cantidad de
combustible usada por unidad de potencia y
tiempo (kW-hora)

Presión atmosférica
• Si movemos el globo de la superficie inferior hasta lo
alto de la montaña, notaremos que su tamaño
aumenta.

Presión Atmosférica
esto se debe a que la atmosfera alrededor de la tierra
esta compuesta por capas, las capas inferiores estan
comprimidas por el peso de las capas superiores.

las capas superiores tienen
menos moléculas... por lo tanto
hay menos impactos que puedan
evitar que el globo crezca.
mas impactos
a mayor altura...
a menor altura sobre el nivel del mar

Rendimiento efectivo de motores
Gases de escape
Refrigeración
32% 30%
Energía mecánica
aprovechada
Accesorios
Gases de escape
29%
Refrigeración
Energía mecánica
aprovechada
Accesorios
32%
7% 10%
27%
33%
Diesel Otto

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