Introduccion Siclo Diesel

Alexánder Gómez

Termodinámica TécnicaFundamentos

Bogotá, D.C., 2011

Capítulo 5.: Ciclos de potencia con motores de combustión interna

5.0 Introducción5.1 Ciclos Otto ideal y real5.2 Análisis termodinámico del ciclo Otto5.3 Ciclos Diesel ideal y real5.4 Análisis termodinámico del ciclo Diesel5.5 Análisis termodinámico del ciclo Seiliger o dual5.6 Optimización térmica de los ciclos de MCI*5.7 Motores de combustión interna rotativos (Wankel)5.8 Resumen

* MCI: Motores de combustión interna

Contenido

5.0 Introducción

Primera ley de la termodinámica: principio de conservación de la masa y la energía Criterio cuantitativo

Segunda ley de la termodinámica: asimetría de la transformación de la masa y la energía Criterio cualitativo

Propiedades termodinámicas de la materia

Maquinaria y equipos de transformación

Tecnología

EconomíaEcología

Energía primaria

Procesos de transformación

Energía final

Energía útil

Usos no energéticos y disipación

Disipación

5.0 Introducción

Generación de potencia

Combustión externaCombustión interna

Operación con gas Operación con vapor

MotoresTurbinas

Joule-Brayton

Motores Turbinas

Stirling Clausius-Rankine

Seiligero dual

Otto Diesel

Ciclos de MCI

5.0 Introducción

Los motores de combustión interna – MCI funcionan por medio de movimiento alternativo. Sus aplicaciones principales son:1.Transporte:• Automóviles• Camiones• Aviones pequeños• Barcos

2. Generación de potencia eléctrica (y energía térmica) para aplicaciones de baja escala (hasta MW).

5.0 Introducción

Motor monocilindro Daimler, 1886

•Volumen: 462 cm3

•Potencia: 0,8 kW

•A la velocidad de giro: 650 rpm

•Peso: 92 kg

Primer motor de combustión interna con operación a alta velocidad funcionando con gasolina (patente del año 1885).

5.0 Introducción

Daimler, 1889

5.0 Introducción

5.0 Introducción

Motor de avión Siemens & Halske Sh5, 1923 (ca. 60 kW; 124 kg)

5.0 Introducción

5.0 Introducción

Motor Diesel mono-cilindro MAN,

•Año: 1921

•Potencia: 16 kW

•Peso: 5 t

Después de la Primera Guerra Mundial se extiende el uso de los motores con encendido por compresión o Diesel.

5.0 Introducción

5.0 Introducción

Segunda Guerra Mundial: MCI operando con gas obtenido por la gasificación de biomasa

5.0 Introducción

5.0 Introducción

Motores de combustión interna

Encendidos por compresión:Motor Diesel

Encendidos por chispa:Motor Otto

Ciclo Otto Ciclo Diesel

Ciclo Seiliger (o dual)

5.0 Introducción

1. Dosificación y preparación (aire-

combustible)

2. Formación de la mezcla

3. Encendido

4. Liberación de energía térmica

5. Variación volumétrica

6. Transformación del movimiento

5.0 Introducción

5.0 Introducción

• Punto muerto superior (PMS) : pistón en la parte superior de su carrera.

• Punto muerto inferior (PMI): pistón en la parte inferior de su carrera.

• Volumen de desplazamiento:Vd = VPMS-VPMI

• Carrera: distancia entre el PMS y el PMI.

• Diámetro o calibre del cilindro.• Relación (volumétrica) de

compresión:

PMSmin

PMImaxv V

VVVr ==

5.1 Ciclos Otto ideal y real

• Combustible: gasolina• La mezcla de aire-combustible

se comprime hasta una temperatura inferior a la temperatura de autoencendido del combustible.

• La combustión se inicia por el encendido de una bujía (‘combustión externa, no propia’).

• La compresión está limitada por el inicio del autoencendido (problema del ‘pistoneo’).

• Las relaciones (volumétricas de compresión normales son de 7 a 10.


PMS PMI


1-2 Compresión isoentrópica 2-3 Adición de calor a volumen constante3-4 Expansión isentrópica 4-1 Rechazo de calor a volumen constante

1

2s=cte

a

3

qent

4

s=cte

b

qsal

PMS PMI

1

2

3

4


1-2 Compresión isoentrópica 2-3 Adición de calor a volumen constante3-4 Expansión isoentrópica 4-1 Rechazo de calor a volumen constante

1

2s=cte

b

went

1

2

v=cte3

a

3

qent

4

s=cte

a

wsal

wsal

4v=cte

b

qsal

5.2 Análisis termodinámico del ciclo Otto

Suposiciones (simplificaciones):• Inicialmente se realiza el análisis por la primera ley para cada etapa

del ciclo.

• Se considera un sistema cerrado en estado estacionario.

• Los cambios en las energías cinética y potencial del fluido se consideran despreciables.

• Las pérdidas de presión en la entrada, combustión y escape de los gases se consideran despreciables.

• No se consideran pérdidas por fricción entre el pistón y el cilindro.


Balance de energía de ciclos en estado estacionario:

0)( netosalent =+− wqq

)( netosalent wqq −=−

0sistemasalidaentrada =

ΔΔ

=−∑∑ tEEE &&


Primera ley para sistemas cerrados estacionarios:

1

2s=cte

a

3

qent

4

s=cte

b

qsal

23ent uuq −=

14sal uuq −=

)()()( 1423salentneto uuuuqqw −−−=−=−


Para un ciclo de potencia de MCI - Otto:

Utilidad: trabajo neto de salida

Requerimientos: calor de entrada (por el combustible)

ent

sal

ent

salent

ent

netoOttoth, 1

qq

qqq

qw

−=−

==&

η

ntosrequerimieutilidad

Ottoth, =η


ent

netoOttoth, q

w=η

La eficiencia térmica del ciclo es:

23

14Ottoth, 1

TTTT

−−

−=η

Con las suposiciones del ciclo de aire frío estándar:

)()()(

23

1423

uuuuuu

−−−−

=

)()(1

23

14Ottoth, uu

uu−−

−=η


En los procesos isoentrópicos (1-2) y (3-4) se tiene:

1v

1

2

1

1

2 −−

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= k

k

rvv

TT

1kv

1k

4

3

3

4 1−

−

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

rvv

TT

4

3

1

2

TT

TT

=

⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

−

−−=

1

11

2

3

1

4

2

1

TTTT

TT

y

Los procesos (2-3) y (4-1) son a volumen constante:

32 vv = 14 vv =

y

23

14Ottoth, TT

TT1−−

−=η 1v

11 −−= kr

1


1v

Ottoth,11 −−= kr

η

5.3 Ciclos Diesel ideal y real• Combustible: diésel (menos

refinado y menos costoso que la gasolina).

• Se comprime aire únicamente hasta una temperatura mayor que la temperatura de autoencendido del combustible .

• La combustión se inicia cuando entra en contacto el combustible inyectado con el aire comprimido a alta temperatura.

• Se reemplaza el sistema de encendido del motor Otto por el sistema de inyección del combustible diésel.

• Las relaciones de compresión normales oscilan entre 12-24.

5.4 Análisis termodinámico del ciclo Diesel

Balance de energía de ciclos en estado estacionario:

0)( netosalent =+− wqq &

salentneto qqw −=−

0sistemasalidaentrada =

ΔΔ

=−∑∑ tEEE &&

5.4 Análisis termodinámico del ciclo DieselPrimera ley para sistemas cerrados estacionarios:

)( 2323ent uuwq −=+

s=cte

1

2 3

qent

4s=cte

b

qsal

23ent hhq −=

[ ])()( 2323ent vvpuuq −−−−=⇒

14sal uuq −=

salentneto qqw −=− )()( 1423 uuhh −−−=


Para un ciclo de potencia de MCI-Diesel:

Utilidad: trabajo neto de salida

Requerimientos: calor de entrada (combustible)

ntosrequerimieutilidad

Dieselth, =η

ent

sal

ent

salent

ent

netoDieselth, 1

qq

qqq

qw

−=−

==η


)()()(

23

1423

ent

netoDieselth, hh

uuhhqw

−−−−

==η

La eficiencia térmica del ciclo Diesel es:

23

141hhuu

−−

−=

)(1

23

14Dieselth, TTk

TT−−

−=η

Con las suposiciones del ciclo de aire frío estándar:


1-2 Compresión isoentrópica 2-3 Adición de calor a p = cte.3-4 Expansión isoentrópica 4-1 Rechazo de calor a V = cte.

s=cte

1

2p=cte

3wsal

a

1

2

went

3

qent

4

s=cte

b

4

wsal

v=cte

b

qsal


p=cte

3wsal

a

1

2

went

b

4

wsal

v=cte

1423 ssss −=−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=−

2

3v

2

3p23 lnln

TTkc

TTcss

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=−

1

4v14 ln

TTcss

Variación de entropía para proceso reversible a v=cte:

Se obtiene:

Variación de entropía para un proceso reversible a p=cte:

1

4

2

3

TT

TT

k

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛


s=cte

1

2 3

qent

4

s=cte

b

qsal

Se define un factor para la variación volumétrica debida al suministro de calor, como la relación volumétrica de corte de admisión:

2

3

2

3vcr

vv

VV

==

Debido a p=constante:

vc2

3

2

3 rVV

TT

==

Y para procesos isoentrópicos:

1v

1

2

1

1

2 −−

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= k

k

rVV

TT


Aplicando las definiciones y relaciones anteriores, se tiene:

( )⎥⎦⎤

⎢⎣

⎡

−−

−= − 1111

vc

vc1

vDieselth, rk

rr

k

kη

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−=−−

−=1

11

)(1

2

32

1

41

23

14Dieselth,

TTkT

TTT

TTkTTη

vc2

3

2

3 rVV

TT

==

k

TT

TT

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

2

3

1

4

1v

1

2

1

1

2 −−

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= k

k

rVV

TT


rc: relación de corte (para κ=1,4)

( )⎥⎦⎤

⎢⎣

⎡

−−

−= − 1111

c

c1

vDieselth, rk

rr

k

kη


rv: relación de compresión volumétrica (para κ=1,4)

( )⎥⎦⎤

⎢⎣

⎡

−−

−= − 1111

c

c1

vDieselth, rk

rr

k

kη

Otto

5.5 Análisis termodinámico del ciclo Seiliger o Dual

• El ciclo Seiliger o dual es, entre los ciclos ideales, el que mejor describe los motores de combustión interna modernos.

• Se consideran procesos de adición de calor a v = cte. y p = cte.• Se conoce también como ciclo semi-diesel.

s=cte

2

1

went

2

1

qent

3

v=cte

3p=cte

wsal 4

qent

4

s=cte

5

wsal

5

v=cte

qent

5.6 Optimización térmica de los ciclos de MCI

Para la misma relación de compresión:

Para la misma temperatura de proceso:

Ottoth,Dieselth, ηη <

Dieselth,Ottoth, ηη <

23

14Dieselth, 1

hhuu

−−

−=η)()(

12323

14

uuvvpuu

−+−−

−=

)()(1

23

14Ottoth, uu

uu−−

−=η


Las eficiencias reales máximas se obtienen para la operación de los MCI a cargas altas:

%38maxOtto,real,-th

Las eficiencias reales generales oscilan en el intervalo:

≈η

%43maxDiesel,real,-th ≈η

%2515MCI general;-th −≈η


Del 100 % de la energía química contenida en el combustible, se tienen las siguientes fracciones de energía

disipada en los MCI:

Se obtiene aproximadamente el 25 % de la energía química disponible como energía mecánica.

aprox. 32 % : debido al medio de enfriamientoaprox. 33 %: debido a los gases de combustión

aprox. 3 %: debido al calor por radiaciónaprox. 7 %: debido a la fricción


Dos factores principales de desarrollo de los MCI:1. Disminuir emisiones

2. Disminuir consumo de combustibles

2.1 Disminuir masa del auto; mejorar aerodinámica; disminuir fricción entre ruedas-piso

2.2. Mejorar mecanismos de transmisión2.3 Mejorar la eficiencia (térmica) del motor

2.3.1 Reducir pérdidas en los gases de combustión2.3.2 Reducir pérdidas de energía térmica debido al

enfriamiento


Proceso ideal (comparativo)

Proceso ‘real’(indicado p-v)

Fricción / transmisión

infcb Hm&

idealth,η desempeñoth,η mecanicaη

idealP internaP efectivaP

internath,η

MCIefectiva,η

efcucfricdesempeñoth,idealfricintefc )()( ηη ⋅=−⋅=−= HmPPPPP &fricP

mecdespth,idealth,mecintth,efc ηηηηηη ⋅⋅=⋅=


El trabajo neto producido por un ciclo se puede suponer como el producto de una presión media y un volumen desplazado.

Presión media efectiva (PME): es una presión promedio aparente, que si actuara sobre el pistón durante la carrera de potencia total, produciría la misma potencia que la que produce la máquina real:

[ ])( carreraefcmneto VpW −≡Análisis y modelos termodinámicos detallados de los MCI se encuentran por ejemplo en [1].


[ ])( carreraefmneto VpW c−≡

∫= pdVV

pcarr

efcm1


Fuente: www.unoturbo.com.ar

Turbocargador

5.7 MCI rotativos: motor Wankel

5.A Perspectivas de I+D

5.8 Resumen• Se han analizado los ciclos ideales que representan el

funcionamiento de los motores de combustión interna encendidos por chispa (ciclo Otto, que considera la combustión instantánea a volumen constante) y encendidos por compresión de la mezcla de aire y combustible (ciclo Diesel, que considera la combustión instantanea a presión constante). También se analiza el ciclo ideal Seiliger o dual, que representa de mejor manera la operación real de los motores de combustión interna al considerar que la combustión ocurre parcialmente a volumen y a presión constantes.

• La eficiencia térmica de los ciclos Otto depende directamente de la relación de compresión (volumétrica) del combustible en el sistema pistón-cilindro. Esta relación de compresión está limitada hasta valores del orden de 10 debido al problema de autoencendido del combustible, que ocasiona ondas de presión elevadas (o pistoneo).

5.8 Resumen• La eficiencia térmica de los ciclos Diesel depende de las relaciones

de compresión (volumétrica) y de la relación volumétrica de corte. Esta última se refiere a la relación volumétrica alcanzada para la combustión del combustibles a presión constante. Para una relación de compresión (volumétrica) dada, el aumento de la relación volumétrica de corte ocasiona la disminución de la eficiencia térmica del ciclo. Los MCI Diesel permiten relaciones de compresión volumétricas mayores que los MCI Otto, siendo del orden de 20.

• La eficiencia térmica de los motores Otto es mayor que la correspondiente a los motores Diesel para la misma relación de compresión. Para la misma temperatura de operación del proceso, la eficiencia térmica de los motores Diesel es superior que la correspondiente a los motores Otto.

• En la actualidad el mejoramiento de la eficiencia térmica de los MCI se centra en la disminución de pérdidas de calor en los gases de combustión y en los procesos de enfriamiento del motor. Estas medidas permiten disminuir el consumo de combustibles y, con ello, las emisiones generadas en los procesos de combustión.

Bibliografía

[1] Pischinger, R.; Klell, M.; Sams, T.: Thermodynamik derVerbrennungskraft-maschine. Berlin: Springer, 2002.

¡Gracias por su atención!

Alexánder Gómez

[email protected]

¿ Preguntas ?

Introduccion Siclo Diesel

Documents

Transcript of Introduccion Siclo Diesel