Lab 2 Termo (Fabrex)

INGENIERA MECNICA ELECTROMECNICA

LABORATORIO DE TRMICAS

TERMODINMICA TCNICA II MEC 2250 A

LABORATORIO N 2 PGINA 1 DE 34 MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA

MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA

1. INTRODUCCIN

Los ciclos termodinmicos que se estudian, no pueden ser ciclos que existan en espacios ideales,

sino necesariamente necesitan un espacio fsico para materializarse, como ser una mquina. En

este caso, se estudian los motores de combustin interna, como la mquina que hace posible la

existencia de un ciclo termodinmico que entrega trabajo.

1.1 ANTECEDENTES

En motores de Gasolina o Diesel la obtencin continuada de energa mecnica teniendo como

fuente el calor, puede ser evaluada a travs de los ciclos termodinmicos de los Motores de

Combustin Interna (MCI).

1.2. OBJETIVOS

Reconocimiento, descripcin y recoleccin de datos de los parmetros constructivos ms importantes de los motores del laboratorio, vinculados con la construccin de su ciclo termodinmico terico.

Sobre los motores del laboratorio y en base a la plataforma de teora, comprender el significado y sus respectivas implicancias termodinmicas de la sobrealimentacin y el interenfriamiento en los sistemas de admisin de los MCI.

Actualizar las referencias termodinmicas de los actuales MCIs

1.3. FUNDAMENTO TERICO

1.3.1. MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA

Se llama motor de combustin interna, a todo motor en el cual la materia que trabaja es el

producto de la mezcla de la combustin del aire y el combustible. Esta combustin

acostumbra a llevarse a cabo en el cilindro de trabajo, pero tambin puede llevarse a cabo

en una cmara exterior.

1.3.2. CLASIFICACIN DE LOS MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA

1.3.2.1. MOTORES A GASOLINA

En este tipo de motores, el combustible que se utiliza es la gasolina. Su funcionamiento es

el siguiente:

1) Primer tiempo - Admisin.- Al inicio de este tiempo el pistn se encuentra en el PMS

(Punto Muerto Superior). En este momento la vlvula de admisin se encuentra abierta y el

pistn, en su carrera o movimiento hacia abajo va creando un vaco dentro de la cmara de

combustin a medida que alcanza el PMI (Punto Muerto Inferior), ya sea ayudado por el

motor de arranque cuando ponemos en marcha el motor, o debido al propio movimiento que

por inercia le proporciona el volante una vez que ya se encuentra funcionando. El vaco que





crea el pistn en este tiempo, provoca que la mezcla aire-combustible que enva el

carburador al mltiple de admisin penetre en la cmara de combustin del cilindro a travs

de la vlvula de admisin abierta.

2) Segundo tiempo - Compresin.- Una vez que el pistn alcanza el PMI (Punto Muerto Inferior), el

rbol de leva, que gira sincrnicamente con el cigeal y que ha mantenido abierta hasta este

momento la vlvula de admisin para permitir que la mezcla aire-combustible penetre en el cilindro,

la cierra. En ese preciso momento el pistn comienza a subir comprimiendo la mezcla de aire y

gasolina que se encuentra dentro del cilindro.

3) Tercer tiempo - Explosin.- Una vez que el cilindro alcanza el PMS (Punto Muerto Superior) y la

mezcla aire-combustible ha alcanzado el mximo de compresin, salta una chispa elctrica en el

electrodo de la buja, que inflama dicha mezcla y hace que explote. La fuerza de la explosin obliga

al pistn a bajar bruscamente y ese movimiento rectilneo se transmite por medio de la biela al

cigeal, donde se convierte en movimiento giratorio y trabajo til.

4) Cuarto tiempo - Escape.- El pistn, que se encuentra ahora de nuevo en el PMI despus de

ocurrido el tiempo de explosin, comienza a subir. El rbol de leva, que se mantiene girando

sincrnicamente con el cigeal abre en ese momento la vlvula de escape y los gases

acumulados dentro del cilindro, producidos por la explosin, son arrastrados por el movimiento

hacia arriba del pistn, atraviesan la vlvula de escape y salen hacia la atmsfera por un tubo

conectado al mltiple de escape.

De esta forma se completan los cuatro tiempos del motor, que continuarn efectundose

ininterrumpidamente en cada uno de los cilindros, hasta tanto se detenga el funcionamiento del

motor.

FIG 1.1. Funcionamiento del motor de gasolina de 4 tiempos





1.3.2.2.- MOTORES DIESEL

Se llama motor diesel a todo motor de combustin interna en el cual el combustible se inyecta

cuando la compresin est a punto de terminarse, y en el cual el combustible entra en ignicin

debido al calor producido por la compresin del aire comburente.

FIG 1.2. Esquema de un motor diesel

1.3.2.3. MOTOR DIESEL DE DOS TIEMPOS

Un motor diesel se llama de dos tiempos, cuando la ignicin del combustible tiene lugar cada dos

carreras consecutivas, es decir, en cada revolucin. Los motores de dos tiempos pueden ser de

simple efecto, con un impulso motor por revolucin, o de doble efecto, con un impulso motor por

carrera, o sea, dos impulsos motores en cada cilindro por revolucin.

En la carrera ascendente, tienen lugar la admisin y la compresin, en la carrera descendente se

produce el impulso motor y se expulsan los gases.

Tanto si el aire que entra penetra a travs de una lumbrera situada en la pared del cilindro, como si

lo hace por una vlvula montada en la culata, la vena de aire tiene siempre una direccin tal que

contribuye a expulsar los gases del cilindro





Actualmente el motor Diesel de dos tiempos es el que se aplica con mayor frecuencia en las

instalaciones estacionarias y marinas, porque es simple desde el punto de vista mecnico, y fcil

de manejar cuando el motor se encuentra en buen estado de conservacin.

FIG 1.3. Esquema del motor de 2 tiempos

1.3.2.4.- MOTOR DIESEL DE CUATRO TIEMPOS

Se denomina ciclo (o motor) de cuatro tiempos el que precisa cuatro carreras del pistn o mbolo

(dos vueltas completas del cigeal) para completar el ciclo termodinmico. Estos cuatro tiempos

son:

1) Primer tiempo o admisin: en esta fase el descenso del pisotn aspira la mezcla aire combustible

en los motores de encendido provocado o el aire en motores de encendido por compresin. La

vlvula de admisin permanece abierta, mientras que la de escape est cerrada.

2) Segundo tiempo o compresin: Al llegar al final de carrera inferior, la vlvula de admisin se

cierra, comprimindose el gas contenido en la cmara de fotos por el ascenso del pisotn.

3) Tercer tiempo o explosin: Al llegar al final de carrera superior la explosin ha alcanzado la

presin mxima. En los motores de encendido provocado, salta la chispa en la brujula provocando

la inflamacin de la mezcla, mientras que en los motores disel, se inyecta el combustible que se

autoinflama por la presin y temperatura existentes en el interior del cilindro. En ambos casos, una

vez iniciada la combustin, esta progresa rpidamente incrementando la temperatura en el interior

del cilindro y expandiendo los gases que empujan el pistn. Esta es la nica fase en la que se

obtiene trabajo.





4) Cuarto tiempo o escape: En esta fase el pistn empuja, en su movimiento ascendente, los

productos de la combustin a travs del escape que permanece abierto. Al llegar al final de carrera

superior, se cierra la vlvula de escape y se abre la de admisin, reinicindose el ciclo.

FIG 1.4. Esquema del ciclo de cuatro tiempos

1.3.3. CICLOS DE FUNCIONAMIENTO

Se llama ciclo, en un motor de combustin interna, a la sucesin de fenmenos que se inician con

la ignicin de una carga de combustible y duran hasta la ignicin de la carga de combustible

siguiente en el mismo cilindro, pero sin incluir en esta definicin a una segunda ignicin.

1.3.3.1.- CICLO OTTO

El motor de gasolina de cuatro tiempos se conoce tambin como motor de ciclo Otto,

denominacin que proviene del nombre de su inventor, el alemn Nikolaus August Otto (1832-

1891). El ciclo de trabajo de un motor Otto de cuatro tiempos, se puede representar grficamente,

tal como aparece en la ilustracin.

FIG 1.5. Diagrama P V del ciclo Otto

Esa representacin grfica se puede explicar de la siguiente forma:

1. El proceso 0-1 representa el tiempo de admisin. El volumen del cilindro conteniendo la mezcla

aire-combustible aumenta, no as la presin.

2. El proceso 1-2 representa el tiempo de compresin. La vlvula de admisin que ha permanecido

abierta durante el tiempo anterior se cierra y la mezcla aire-combustible se comienza a comprimir.

Como se puede ver en este tiempo, el volumen del cilindro se va reduciendo a medida que el pistn





se desplaza. Cuando alcanza el PMS (Punto Muerto Superior) la presin dentro del cilindro ha

subido al mximo.

3. El proceso 3-4 representa el tiempo de explosin, momento en que el pistn se encuentra en el

PMS. Como se puede apreciar, al inicio de la explosin del combustible la presin es mxima y el

volumen del cilindro mnimo, pero una vez que el pistn se desplaza hacia el PMI (Punto Muerto

Inferior) transmitiendo toda su fuerza al cigeal, la presin disminuye mientras el volumen del

cilindro aumenta.

4. Por ltimo el proceso 1-0 representa el tiempo de escape. Como se puede apreciar, durante este

tiempo el volumen del cilindro disminuye a medida que el pistn arrastra hacia el exterior los gases

de escape sin aumento de presin, es decir, a presin normal, hasta alcanzar el PMS.

1.3.3.2.- CICLO DUAL

Generalmente el funcionamiento de los motores Diesel se puede representar con el ciclo Dual, y no

as con el ciclo Diesel, el cual es slo vlido cuando las rpm del motor son bajas.

Los diagramas de indicador reales, tanto de los motores tipo Otto como de los motores tipo Diesel,

muestran una parte superior redondeada que sugiere que una cierta parte de la combustin a

volumen constante, y otra a presin constante daran un ciclo ideal mucho ms parecido al de la

prctica. Esta observacin llev a la propuesta del llamado ciclo de combustin dual. Los

diagramas P v y T s para este ciclo son:

FIG. 1.6. Diagramas p V y T s para el ciclo dual

Relaciones matemticas para cada proceso

Proceso 0 a 1: Admisin V1 = Vc + Vh (1.1)

T1 = T0 = Temperatura ambiental (1.2)

P1 = Po = Presin atmosfrica (1.3)

Proceso 1 a 2: Compresin Isentropica

V2 = Vc (1.4)

T2 = T1 *ek-1 (1.5)





P2 = P1 *ek (1.6)

k

vPvpw

1

)( 112221 (1.7)

Proceso 2 a 3: Aporte de calor a Volumen ctte

1

1

RT

Vpm hh (1.8)

1

11

RT

VPm (1.9)

Qa = mc * HU (1.10)

V3 = V2 (1.11)

2

233

P

TPT (1.12)

23 PP (1.13)

)(** 2332 TTCmQ v (1.14)

Proceso 3 a 4: Aporte de calor a Presin ctte

P4 = P3 (1.15)

Q3-4 = Qa Q2-3 (1.16)

334

4 Tmc

QT

p

(1.17)

3

434

*

T

TVV (1.18)

W3-4 = P4 ( V4 V3) (1.19)

Proceso 4 a 5: Expansin isoentropica

V5 = V1 (1.20)

k

V

VTT

1

4

545 (1.21)

k

V

VPP

5

445 (1.22)

k

VPVPW

1

445554 (1.23)

Proceso 5-1: Rechazo de calor a volumen ctte

Qr = Q5-1 = m*cv(T1 T5) (1.24)





Clculos finales:

Qt = Qa + Qr (1.25)

Wt = W1-2 + W3-4 + W4-5 (1.26)

120000

** tt

WinP (1.27)

aQ

W (1.28)

1.3.4. MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA SOBREALIMENTADOS

La representacin termodinmica simplificada aparece como un escalonamiento al nivel de la

sobrepresin generada por la compresin de la carga fresca en la admisin, sobre el cual se

podrs desarrollar el ciclo Dual a presiones ms altas, teniendo por lo tanto reas ms amplias con

mayor generacin de potencia por unidad de cilindrada.

FIG 1.7. Efecto del sobrealimentador

Con referencia a la figura, se tiene que:

Pk = Ps y Tk = Ts (1.29)

Por lo tanto:

P1 = Ps (1.30)

Donde Ps > P0

T1 = Ts (1.31)

Donde T0





k

k

o

sosP

PTT

1

(1.32)

Un parmetro importante en los motores de combustin interna sobrealimentados es el grado de

aumento de presin o relacin de presiones en la precompresin, que normalmente se encuentra

entre 1.5 y 2.5

5.2...5.10

P

Pr spc (1.33)

c =Grado de aumento de presin en la sobrealimentacion

1.3.5. MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA SOBREALIMENTADOS CON

INTERENFRIAMIENTO

A Consecuencia de la sobrealimentacin se elevan las temperaturas de la carga fresca de llenado

del cilindro, disminuyendo as el verdadero potencial que trae consigo la sobrealimentacin. Para

explotar a pleno este potencial en necesario enfriar la carga de llenado con un interenfriador.

El proceso de enfriamiento de la carga de admisin en el Intercooler es a presin constante, y la

disminucin de temperatura en el interenfriador se encuentra en el rango de 50 K a 150 K.

FIG 1.8. Efecto del sobrealimentador con interenfriador

El efecto de un interenfriador en el ciclo termodinmico de un MCI aparece explicitado en el

diagrama s-T de la Fig. 1.8., que en un afn enteramente didctico se muestra magnificado el

incremento de trabajo entregado a consecuencia del Interenfriador representado por el rea a la

izquierda del segmento isentrpico o-s-y.





Para un MCI sobrealimentado con intercooler:

Pk = Ps y Tk = Ti (1.34)

Por lo tanto:

P1 = Ps (1.35)

Donde Ps > P0

T1 = Ti (1.36)

Donde Ti





Esta carrera de admisin de dos etapas crea el llamado accidente cerebrovascular "quinta" que el

ciclo Miller introduce. A medida que el pistn se mueve inicialmente hacia arriba en lo que es

tradicionalmente la carrera de compresin, la carga es parcialmente expulsado de vuelta la vlvula

de admisin an abierta. Tpicamente, esta prdida de aire de carga se traducira en una prdida

de potencia. Sin embargo, en el ciclo Miller, esto se compensa por el uso de un compresor. El

compresor tpicamente tendr que ser del tipo de desplazamiento positivo debido a su capacidad

para producir impulso a velocidades relativamente bajas del motor. De lo contrario, la potencia a

bajas revoluciones se ver afectada.

Un aspecto clave del ciclo Miller es que la carrera de compresin realmente comienza slo despus

de que el pistn ha llevado a cabo esta carga "extra" y la vlvula de admisin se cierra. Esto ocurre

en alrededor de 20% a 30% en la carrera de compresin. En otras palabras, la compresin real se

produce en el ltimo 70% a 80% de la carrera de compresin.

1.3.6.1.2 FUNCIONAMIENTO

Una evolucin reciente del ciclo Otto en la lnea de aumentar el rendimiento es el llamado ciclo

Miller. La eficiencia del ciclo Otto depende de manera fundamental de la relacin de compresin.

Esto se debe a que un aumento de la relacin de compresin geomtrica implica un aumento de la

presin mxima y de la presin media efectiva, lo cual supone un mayor rendimiento del proceso.

Sin embargo, el ciclo real es ms complicado que el ciclo ideal de aire, haciendo que el rendimiento

sea dependiente de muchos otros parmetros. As los mismos efectos beneficiosos conseguidos

con un aumento de la relacin de compresin geomtrica se pueden conseguir con otros medios.

En concreto, la aplicacin del ciclo Miller en los motores industriales se obtiene combinando la

sobrealimentacin y el juego con el cierre de la vlvula de admisin. El ciclo Miller se aplica tanto a

motores Otto como Diesel, pero por motivos diferentes. Para comprender el fundamento y los

principios en que se basa la mejora de rendimiento debida al ciclo Miller conviene estudiar lo que

pasa en los motores diesel.

El ciclo Miller fue introducido en los motores diesel en primer lugar para reducir la emisiones de

NOx, que como se sabe es una de sus principales desventajas. La idea es bajar la temperatura de

combustin. El avance en el diseo de turbocompresores con mayores relaciones de compresin

cada vez, permiti disminuir el trabajo de compresin mecnico para la misma presin final, de esta

manera aumentando la capacidad de refrigeracin despus del turbocompresor, se puede





mantener la temperatura de inicio de la compresin en los mismos valores, y por lo tanto la

temperatura final de compresin disminuye.

Este funcionamiento queda reflejado en la figura 1.9

Fig. 1.9 Diagrama p-V y T-S del ciclo Miller

En el grfico p-V situado a la izquierda de la figura 1.9 se puede observar el incremento en la

presin de admisin gracias a la utilizacin de un turbocompresor con mayor relacin de

compresin. Sin embargo, la presin de al final de la carrera de compresin se mantiene constante

(debido a una reduccin de la relacin de compresin geomtrica), quedando constante tambin la

presin despus de la combustin. A su vez, el grfico T-S situado a la derecha de la figura 1.9

muestra que si se refrigera el fluido antes de entrar al cilindro para que no aumente la temperatura

de inicio de la compresin geomtrica, se obtiene tambin una menor temperatura al final de la

compresin y, por tanto, una temperatura de combustin menor.

El efecto en las mquinas diesel es que permite una menor produccin de NOx de origen trmico,

con la misma relacin de compresin total. Ahora bien esa reduccin de la relacin de compresin

geomtrica implica tambin reducir la relacin de expansin. Esto supondr que no se pueden

expandir los gases lo suficiente, lo cual supone una importante prdida de trabajo cuando se abre

la vlvula de escape y se expulsan gases a alta presin por la insuficiente expansin dentro del

cilindro.

Aqu es donde entra la segunda caracterstica que utiliza el ciclo Miller, que es jugar con el decalaje

de las vlvulas para que la reduccin en la relacin de compresin no implique una reduccin de la





expansin. Esto se lleva a cerrando la vlvula de admisin cuando el volumen de la cmara es

inferior al volumen mximo, de forma que la relacin de compresin efectiva (relacin entre el

volumen de gas cuando se cierra la vlvula de admisin y el volumen mnimo) es menor que la

relacin de expansin (relacin entre el volumen de gas cuando se abre la vlvula de escape y el

volumen mnimo), como se esquematiza en la figura 1.10

Fig. 1.10 Esquema relacin de expansin y relacin compresin efectiva

Esto conduce a un rendimiento ligeramente menor, que puede ser compensado subiendo un poco

la presin final. Los motores de ciclo Otto y mezcla pobre tienen ya bajas emisiones de NOx de por

s. En este caso el ciclo Miller permite subir la relacin de compresin total y por tanto subir el

rendimiento sin aumentar el riesgo de detonacin.

El ciclo Miller no solo tiene ventajas. Cuando se trabaja a carga parcial, como el trabajo en isla, se

produce por debajo de cierta carga una bajada muy grande de la presin de carga y el llenado de

aire del cilindro se hace insuficiente, con la consiguiente mala combustin. Esto puede solucionarse

cambiando los retardos de cierre de vlvulas hasta condiciones de ciclo normal por debajo de cierta

carga (variable valve timing, VVT).

1.3.6.1.3 TEMPERATURA DE CARGA

En un motor de encendido por chispa tpica, el ciclo de Miller produce un beneficio adicional. El aire

de admisin se comprime primero por el compresor y luego se enfra por un intercooler. Esta





temperatura de carga de admisin ms baja, combinado con la compresin inferior de la carrera de

admisin, se obtiene una temperatura final de carga ms baja que la que se obtendra por el simple

aumento de la compresin del pistn. Esto permite la sincronizacin del encendido para ser

avanzado ms all de lo que est permitido normalmente antes de la aparicin de la detonacin,

aumentando as la eficiencia global an ms. Una ventaja adicional de la temperatura final de carga

ms baja es que se reduce la emisin de NOx en los motores diesel, que es un parmetro de

diseo importante en los motores diesel grandes a bordo de buques y plantas de energa.

1.3.6.1.4 RELACIN DE COMPRESIN

La eficiencia aumenta al aumentar la relacin de compresin. En un motor de gasolina normal, la

relacin de compresin es limitada debido a la auto-ignicin del comprimido, y por lo tanto caliente,

mezcla de aire/combustible. Debido a la reducida carrera de compresin de un motor de ciclo

Miller, una mayor presin del cilindro en general es posible, y por lo tanto un motor de ciclo Miller

tiene una mejor eficiencia.

1.3.6.1.5 PERDIDAS SUPERCHARGER

Los beneficios de la utilizacin de compresores de desplazamiento positivo vienen con un costo.

15% a 20% de la potencia generada por un motor sobrealimentado por lo general se requiere para

hacer el trabajo de conducir el compresor, que comprime la carga de admisin.

1.3.6.2 CICLO ATKINSON

1.3.6.2.1 ANTECEDENTES

El motor de gasolina (ciclo Otto) es de cuatro tiempos, aunque hay una versin de dos tiempos.

Antes de proseguir hay que hacer una pequea justicia histrica, y es que este ciclo fue inventado

por el francs Alphonse Beau de Rochas en 1862, Otto lo invent ms tarde pero se llev la

fama.

En 1882 James Atkinson dise un motor basado en el de ciclo Otto, se dise para saltarse la

patente que protega al motor de cuatro tiempos. No pas de ser una ancdota histrica, pero el

ciclo en el que se basa se ha rescatado en los ltimos aos para los hbridos.

El ciclo Atkinson es ms eficiente, ya que consigue relaciones ms altas de compresin. La

gasolina, cuando se encuentra muy comprimida tiende a detonar antes, lo cual no interesa. Pero si

se logra una alta relacin de compresin, el rendimiento termodinmico es superior.

1.3.6.2.2. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR DE CICLO ATKINSON

La definicin original de ciclo Atkinson haca referencia a un tipo de motor en el que los 4 tiempos

tenan lugar en una sola rotacin para cada pistn. Esta definicin primigenia poco tiene que ver,





sin embargo, con lo que sucede actualmente bajo el cap de un Prius, por lo que vamos a dejarla a

un lado como una pura referencia histrica.

La denominacin de ciclo Atkinson, a da de hoy, hace referencia al simple hecho de que durante

una parte del ciclo de compresin, las vlvulas de admisin permanecen abiertas. Sencillo no?

Para clarificarlo un poco ms, podemos aadir que el ciclo de compresin es el momento en el que

el pistn comprime la mezcla de aire y combustible, justo antes de quemarla. El hecho de que la

vlvula de admisin permanezca abierta, significa que al comienzo de la trayectoria ascendente del

pistn, parte de la mezcla se escapa hacia atrs por los conductos de admisin y slo se

aprovecha una parte de la capacidad de compresin geomtrica del motor.

As las cosas, la relacin de compresin se sita alrededor de 8:1 mientras que la relacin de

expansin, que s aprovecha toda la carrera del pistn hacia abajo, se va hasta unos 13:1. La razn

de que ambas sean diferentes siendo el recorrido del pistn idntico al subir y al bajar es que la

relacin de compresin empieza a contar desde que se cierran las vlvulas de admisin y

la mezcla ya no tiene escapatoria, comenzando a comprimirse, mientras que la expansin se

realiza con las vlvulas cerradas hasta el final de la carrera.

La consecuencia de esta asimetra es que, al final de un ciclo de expansin en un motor Atkinson,

la presin dentro del cilindro es aproximadamente igual a la presin atmosfrica, es decir,

toda la presin ha sido transformada en movimiento y la expansin del gas ya no puede empujar

ms. En un gasolina convencional, en el que la relacin de compresin y expansin son iguales,

sobra presin en el ciclo de expansin, pues la mezcla quemada permanece por encima de la

presin atmosfrica incluso al final de la carrera. Por eso un Atkinson es ms eficiente pero menos

potente.

Como conclusin de todo lo anterior, la sobrepresin que normalmente se pierde por el tubo de

escape en un ciclo Otto, intenta eliminarse comprimiendo menos mezcla en un ciclo Atkinson

y ese es el secreto de su elevada eficiencia.

1.3.6.2.3 CICLO ATKINSON VS OTTO

El ciclo Atkinson se dise para ofrecer mayor eficiencia a expensas de la potencia, se estn

empezando a aplicar en las aplicaciones hbridas modernas.

Fig. 1.11 Diagrama p-V ciclo Atkinson y Otto





Comparando ambos diagramas: Se produce un mayor aporte de calor a volumen constante en Qp y

otro en Qp, mientras que el calor residual cedido por los gases de escape se descompone en Qo y

Qo.En un motor de combustin interna alternativo MCIA convencional las vlvulas de admisin,

que llevan la mezcla de aire y combustible, se cierran cuando el pistn comienza la compresin. En

el ciclo Atkinson se retrasa el cierre de las vlvulas de admisin, volviendo as, parte de la mezcla

al conducto de admisin. Con este procedimiento se consigue un considerable ahorro de

combustible, una menor temperatura y presin en el cilindro restando vibraciones al motor y

aumentando la eficiencia global del ciclo terico de Otto.

Dicho de otra manera, la carrera de compresin dura menos que la carrera de expansin. Todo

esto nos sirve para aprovechar mejor la energa liberada durante la explosin de la gasolina. Como

hay una menor mezcla en el cilindro, la potencia es inferior al de un motor Otto de la misma

cilindrada, pero la eficiencia termodinmica del Atkinson es ms alta: gastan menos.

Porque los Atkinson gastan menos y dan menos potencia, son motores idneos para aplicaciones

hbridas. El motor elctrico aporta la potencia que falta, y as combinan una entrega de potencia

buena con un consumo realmente bajo.

1.3.6.2.4 VENTAJAS E INCONVENIENTES DE UN MOTOR DE CICLO ATKINSON

Empezando por las ventajas, Toyota habla de un incremento de eficiencia de entre un 12% y un

14% con respecto al mismo motor funcionando en ciclo Otto. Por otra parte, puesto que la

compresin est rebajada y los regmenes de trabajo son menores (ms sobre esto luego) se

puede decir que el motor realiza un menor esfuerzo mecnico para entregar una misma potencia,

con lo que sera de esperar una mayor longevidad en este tipo de mecnicas.

Fig. 1.12 Motor Toyota, hbrido





Cabe suponer tambin en su favor que sus costes de produccin deberan ser totalmente

asimilables a un motor de gasolina comn y corriente, mantenindose alejados del elevado coste y

el inevitable peso de un motor disel. A efectos de emisiones y sonoridad no dejan de ser tambin

motores de gasolina, por tanto silenciosos y con una emisin de partculas muy baja tambin

con respecto a un disel.

En el lado negativo, como era de esperar, hay varios factores que explican por qu este tipo de

mecnicas no se han generalizado fuera del mbito de la hibridacin.

Por un lado, el rgimen mximo de giro se ve sensiblemente reducido, prcticamente al nivel

de un disel, con techos que rondan poco ms de 5.000 rpm. Esto implica una limitacin prctica

de uso, eliminando una de las principales ventajas de un gasolina frente a un disel a cambio de

una economa que no llega a igualarse con stos (hibridacin aparte).

Adems de esto, la potencia especfica, entendida como potencia obtenida a partir de la cilindrara

total del motor, es bastante baja, precisamente porque slo se aprovecha una parte de la

cilindrada total en la fase de compresin. El actual Prius obtiene tan slo 98 CV de sus 1,8 litros de

cilindrada, una potencia que se obtena de en motores atmosfricos de menores cilindraras hace

ms de 40 aos en coches de serie consumiendo, eso s, el triple de combustible. A efectos de

potencia, vendra a funcionar como un motor bastante ms pequeo.

Finalmente, puesto que el los hbridos (no slo de Toyota) utilizan habitualmente una transmisin

por variador continuo (CVT) que mantiene al motor en el rgimen ptimo de revoluciones en todo

momento, y aade el apoyo de un potente motor elctrico cuando ms se necesita, logran

mitigar estas importantes desventajas al tiempo que aprovechan al mximo la eficiencia de estas

peculiares cotas de reglaje de la distribucin.

Estas soluciones, casi imprescindibles para dar practicidad real a un motor de ciclo Atkinson,

explican tambin por qu los modelos convencionales no hibridados no han evolucionado

masivamente hacia este tipo de mecnicas, pues se convertiran en una experiencia de

conduccin un tanto anmica en relacin a la cilindrada que desplazan.

2. METODOLOGA

El presente laboratorio fue efectuado el da jueves 6 de marzo a horas 16:30 a 18:00 en el

laboratorio de mquinas trmicas.

2.1. EQUIPO, MATERIAL E INSTRUMENTOS UTILIZADOS

- Motor de combustin interna

FICHA TECNICA DE LOS MOTORES DE COMBUSTION INTERNA (MCI) DEL

LABORATORIO DE TERMICAS





FICHA N1

MARCA: Caterpillar INDUSTRIA: Americana MODELO: D343 PC N SERIE DEL MOTOR: 52K1214 CODIGO INTERNO:

CONDICIONES MOTOR

Armado SI

Desarmado NO

Completo SI

Incompleto NO

CARACTERISTICAS ESPECFICAS

ITEM CANT. TIPO ESTADO OBSERVACIONES

N de tiempos 4

N cilindros 6 En lnea

Dimetro 94 mm

Carrera 120 mm

Cilindrada 5 L

Relacin de comp. 16

Admisin 1 Turbo Turboalimentado con Intercooler

Refrigeracin Agua

Lubricacin Aceite Sae 15w/60

Disposicin valvular Eje de levas la culata

N de vlvulas 24

N de ejes de leva 2

MOTOR DIESEL

Sistema de inyec. En lnea

Bomba de Inyecc. 1

Inyector 6

Bomba combustible

Potencia 460 hP (343 KW)

Revoluciones 2400 rpm

Par motor 800 kgf-cm

Combustible Diesel





2.2. MONTAJE DEL EQUIPO

FIG 2.1. Montaje del equipo

2.3. DESCRIPCIN DEL EXPERIMENTO

- Inicialmente se hizo una presentacin de los tipos de motores del laboratorio de mquinas

trmicas.

- Se realiz un reconocimiento de los ciclos de un motor; admisin, compresin, expansin y

escape.

- Se hizo un reconocimiento de los tipos de admisin de cada uno de los motores de combustin

interna del laboratorio

- Del motor asignado, se tom los datos representativos de la placa del motor , se observ que se

trata del motor CAT modelo D343 PC, y los datos ms importantes de este motor se consiguieron

de catlogo, para el posterior armado del ciclo termodinmico.

2.4. REGISTRO DE DATOS

Motor CAT D343 PC Dimetro: 120 mm Carrera : 94mm N de cilindros : 6 N rpm : 2400





2.5. CLCULOS

- Resolucin del ciclo termodinmico para la costa





Resolviendo las ecuaciones se tendr

Resolviendo para condiciones ambientales en el llano con:

p0=100[KPa]

T0=293[K]

Se tiene resumidamente los siguientes resultados:

Estado p(Pa) T(K) V(m3)

1 100000 293 0.0008883

2 4.85*106 888.2 0.0000555

3 8.73*106 1529 0.0000555

4 8.73*106 3540 0.0001229

5 547722 1605 0.0008883

Tabla 2.1 Tabla de resultados en condiciones de la costa

Trabajo total de ciclo W=1604 (J)

Calor aadido Qa=2600 (J)

Calor rechazado Qr=-994.8

El rendimiento trmico =0.617

La potencia entregada por el motor P=192.5 (KW)





Fig. 2.2 Diagrama P-V del ciclo en la costa

- Resolucin del ciclo termodinmico sobrealimentado para la costa





Resolviendo las ecuaciones se tiene


1 250000 380.68 0.0008883

2 1.213*107 1151.16 0.0000555

3 1.418*107 2035 0.0000555

4 1.418*107 3837 0.0001047

5 711028 1632 0.0008883

Tabla 2.2 Tabla de resultados con sobre alimentador



Calor rechazado Qr=-1219







- Resolucin del ciclo termodinmico sobrealimentado con intercooler





Resolviendo las ecuaciones se tiene


1 250000 280.68 0.0008883

2 7.882*106 827.2 0.0000555

3 1.418*107 1489 0.0000555

4 1.418*107 3465 0.0001292

5 954214 1602 0.0008883

Tabla 2.4 Tabla de resultados con sobrealimentado e intercooler





La potencia entregada por el motor P=333 (KW)





FIG 2.3 Diagrama P V del ciclo atmosfrico, sobrecargado y con intercooler

-POTENCIA NECESARIA PARA EL TURBOCOMPRESOR

Para el motor asignado:

Fig. 2.4 Trabajo compresor rotativo

Dnde:

T1, p1 = Condiciones de la costa

T2, p2= Condiciones de sobrealimentacin

Por lo tanto:





Partiendo de la primera ley de la termodinmica , donde hacemos

hiptesis de que es un proceso de compresin adiabtico, menospreciando en cambio de energa

potencial e incremento de energa cintica, se tendr:

Se puede decir que en estas condiciones; el trabajo de compresin es igual al cambio de entalpia

del gas. Si consideramos calores especficos constantes podemos escribir la siguiente expresin:

Y para un proceso isotrpico ideal se tiene:

Adems:

Finalmente:

[(

)

]

[(

)

]

[ ]

-CALOR QUE MANEJA EL POSTENFRIADOR

( )

Donde

( )





2.6. RESULTADOS

COSTA


1 100000 293 0.0008883

2 4.85*106 888.2 0.0000555

3 8.73*106 1529 0.0000555

4 8.73*106 3540 0.0001229

5 547722 1605 0.0008883

Tabla 2.5 Tabla de resultados en condiciones de la costa para cada estado



Calor rechazado Qr=-994.8



COSTA CON SOBREALIMENTACIN


1 250000 380.68 0.0008883

2 1.213*107 1151.16 0.0000555

3 1.418*107 2035 0.0000555

4 1.418*107 3837 0.0001047

5 711028 1632 0.0008883

Tabla 2.6 Tabla de resultados con sobre alimentador










COSTA CON SOBREALIMENTACIN Y CON INTERCOOLER


1 250000 280.68 0.0008883

2 7.882*106 827.2 0.0000555

3 1.418*107 1489 0.0000555

4 1.418*107 3465 0.0001292

5 954214 1602 0.0008883

Tabla 2.7 Tabla de resultados con sobrealimentado e intercooler





La potencia entregada por el motor P=333 (KW)

POTENCIA NECESARIA PARA EL TURBOCOMPRESOR

[ ]

CALOR QUE MANEJA EL POSTENFRIADOR

3.- DISCUSIN E INTERPRETACIN DE RESULTADOS.

Sobre la base de las tablas de los resultados obtenidos para cada caso, se puede interpretar lo

siguiente:

- Son motores altamente dependientes de las condiciones de la admisin.

- Para obtener una mayor potencia, se modifica el motor agregndole un compresor,

haciendo de este modo, que la presin de admisin sea mucho mayor que la atmosfrica.

En el caso del motor sobrealimentado, se puede ver que el cilindro absorbe una mayor

cantidad de aire y por lo tanto tambin consume mayor cantidad de combustible, pero la

potencia es mucho mayor en el caso de motores sobrealimentados.

- Pero tambin ocurre, que la temperatura de entrada se eleva bastante en relacin a la

temperatura ambiente.

- Cuando adems agregamos un post enfriador, la temperatura de entrada se reduce, y a

travs de los clculos, se ve, que esto tambin eleva la cantidad de aire que se absorbe en

el cilindro, se necesita mayor cantidad de combustible, pero tambin es el caso en el que el

mismo motor, genera mayor cantidad de potencia,





- Son motores cuyos rendimientos tiene una relacin directa con su relacin de compresin.

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

- En el Laboratorio, se pudo hacer un reconocimiento de los parmetros constructivos y el

funcionamiento del motor de combustin interna, en este caso, de un motor Diesel

- Con estos parmetros, se pudo construir el ciclo termodinmico correspondiente al motor de

combustin interna, en este caso, el ciclo Dual.

- Mediante este ciclo termodinmico, se pudo evaluar el funcionamiento terico del motor en

condiciones de la costa.

- Tambin se pudo evaluar las mejoras en el funcionamiento del motor, al agregar un

supercargardor y tambin un supercargador con interenfriador.

- Se puede obtener mayor potencia a travs de un supercargardor con interenfriador.

5. BIBLIOGRAFA

1. Faires Moring Virgil, Termodinmica, Editorial Hispano Americana, Espaa

2. Adams, Motores Diesel, Editorial Gustavo Pili, Barcelona, Espaa

3. Pearanda M. Edgar, Termodinmica de los Motores de Combustin Interna, Edit. Duplicacin

Digital, Oruro Bolivia, 2000.

4. Software utilizado. Engineering Equation Solver y Micosoft Excel.

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