Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo

Fac. Ing. Mecánica y Eléctrica

Ciclo Otto - Diesel

Profesor: Ing. Amado Aguinaga Paz

Integrantes: Carrillo Jáuregui Lester RafaelCusman Castillo Luis EduardoGuerrero Alvarado Danny NicolásOlazabal Martinez Franco DavidPecsén Luna José Jonathan

Curso: Termodinámica II

Ciclos Teóricos de Motores de Combustión

InternaOtto - Diesel

Ciclos Teóricos de Motores de Combustión Interna

Se denomina Motores de Combustión Interna aquellas Máquinas Térmicas cuyo ciclo no obedece, estrictamente a las condiciones dadas para los procesos FEES.

El Análisis Termodinámico de las Máquinas de Combustión Interna, bajos las consideraciones de su siclo teórico, requiere de la prescindencia del cambio químico ocurrido, con la sustancia de trabajo, durante el proceso de combustión.

Ciclo OttoEs el Ciclo teórico de los Motores de Combustión Interna, de encendido por chispa o de combustión a volumen constante.

La sustancia de Trabajo se comporta como Gas IdealPv= RT

Cuando el proceso es a entropía constante:

La entalpía y la energía interna dependen solo de la temperatura absoluta de la sustancia de trabajo.

11

k

A

Bk

k

B

A

B

A

vv

PP

TT

Proceso 1-2: Compresión Adiabática Reversible o Isoentrópico

Proceso 2-3: Transferencia de calor isométrico durante la cual se transfiere calor qA.Proceso 3-4: Expansión adiabática reversible o isoentrópico

Proceso 4-1: Enfriamiento isométrico durante el cual se transfiere calor qB al sumidero

ctepvk

Ciclo Otto y su realización en un motor reciprocante

Proceso 1-2: El Embolo se desplaza del pmi al pms comprimiendo adiabática y reversiblemente la sustancia de trabajo.Proceso 2-3: Al llegar al pms y en forma instantánea debe transferirse calor hasta alcanzar la temperatura T3, el fluido de trabajo se encuentra confinado en el volumen muerto (VM).

Proceso 3-4: Después de alcanzar la sustancia de trabajo el estado 3 punto de máxima temperatura y por consiguiente de máxima energía, se expande adiabáticamente desplazando el embolo del pms al pmi.Proceso 4-1: estando el embolo en el pmi, se debe efectuar el proceso de enfriamiento isométrico, debe transferirse el calor necesario para alcanzar la temperatura T1 en un tiempo nulo.

23 TTCq vA pdvduTds

14 TTCq vB

Eficiencia y Relación de Compresión 23

141TTTT

o Considerando Cv constante a lo largo del ciclo.

2

11TT

o

A la relación del volumen v1, volumen máximo o volumen al inicio de la compresión adiabática y el volumen v2 volumen mínimo del ciclo o volumen final de compresión adiabática se le designa como relación de compresión y es una característica importante de los motores de combustión interna.

2

1

2

1

vv

VV

k 1

2

1

1

2

k

vv

TT

11

1

k

ko

En los motores del ciclo Otto a mayor relación de compresion mayor eficiencia.

El ciclo Otto como ciclo abierto

• El ciclo Otto se lleva a la práctica como un ciclo de combustión interna, lo que implica:

a) O2 necesario.

b) qA proviene de la combustión.

c) rc/A.PC = CV (T3-T2)

d) Combustible de características explosivas (combustión en forma total y tiempo nulo).

e) Sistema de encendido preciso, termina en la bujía.

f) La sustancia de trabajo cambia por la combustión, consumo de parte o todo el O2.

g) La sustancia de trabajo no se recicla, lo que exige la existencia de válvulas de admisión y de escape.

h) El proceso de enfriamiento (4-1) se efectuará en el medio exterior. La energía desaprovechada o entregada al sumidero es la de un proceso a V=Ctte.

qB=CV(T4-T1)

Por lo tanto la eficiencia del ciclo teórico es la misma sea cerrado o abierto.

Podemos establecer comparaciones entre las eficiencias del ciclo Otto y Carnot

14 1 1

3 2 2

11 1 1

k

ok

T T T

T T T r

T

S

1

2

3

4

3´

4´

V=CtteT2 representa la temperatura máxima en el ciclo de Carnot

T2 representa una temperatura intemedia

• La eficiencia depende solo de la relación de compresión.

• A mayor relación de compresión del motor, mayor eficiencia.

• Limitación: fenomenos de autoencendido y detonación, la rK es limitado por el combustible usado.

rk η%1 03 35,65 47,57 54,18 56,59 58,5

10 60,212 63

0 2 4 6 8 10 12 140

10

20

30

40

50

60

70

eficiencia

Descripción del funcionamiento teórico de un motor de explosión de 4 tiempos

Pistón de-a

Vávula abierta

Descripción Denominación Proceso termodinámico

C Nº Revolución Nº

PMS-PMI V.A. Se admite la mezcla aire combustible

Admisión - I ½

PMI-PMS - El desplazamiento del pistón comprime la mezcla

Compresión 1-2 II 1

-PMS- - El combustible explota

Combustión o Explosión

2-3 - -

PMS-PMI - Los gases se expanden

Expansión 3-4 III 1 ½

PMI-PMS V.E. Se expulsan los gases al exterior

Escape - IV 2

• Un motor de 4 tiempos requiere 2 revoluciones para cada ciclo termodinámico.• Para un motor real se tiene q cumplir:

- Sin perdidas en la admisión (proceso de ingreso a la Patm.)- Paredes del ciclindro y pistón sean perfectamente adiabáticas.- El combustible se queme comletamente en un tiempo cero. PMS - Sin perdidas en el escape (proceso de ingreso a la Patm.)

• Dado un motor real el ciclo Otto que le corresponde es aquel que tiena la misma relación de compresión rk y el mismo calor suministrado qA

Relación de compresión

• La relación de compresion es:

• En un motor dado se puede variar la relación de compresión variando el volumen muerto.

Vm Vd

L

PMS PMI1

2

v Vm Vdrk

v Vm

. 1

.

cVd Vd crk

cVd c

Aire admitido y aire procesado

• El “aire nuevo” admitido dentro del ciclindro es el que corresponde al volumen de desplazamiento Vd y su masa es:

• El “aire procesado”, esto es comprimido, calentado, etc. es el total, es decir el encerrado en los Vm y Vd y su masa es:

• En un motor de 4 tiempos hay una admisión por ciclo, es decir cada 4 carreras o cada 2 revoluciones.

1

1

.P Vdma

RT

1 1

1 1

( ) . ( 1)P Vm Vd P Vd cmp

RT RT

(1 )mp ma c

CICLO DIESELLo importante del ciclo diesel radica en que es el ciclo ideal de los motores de combustión interna de encendido por compresión, llamados también motores diesel o de compresión a presión constante.

PROCESOS DEL CICLO

1-2: compresión adiabática reversible.2-3:calentamiento isobárico mediante la transferencia de calor qa.

3-4: expansión adiabática hasta alcanzar el volumen especifico ideal.4-1: enfriamiento isométrico hasta el estado inicial, mediante la transferencia de calor qb.

•Presión y temperatura mínimas del ciclo: estado 1.•Presión y temperatura máximas del ciclo: estado 3.•Durante el proceso 2-3 (isobárico): qa = cp (t3-t2).•Durante el proceso isométrico 4-1: qb = - 4q1 = cv (t4-t1).

•La eficiencia del ciclo será:

)23(

141

ttk

ttn

CICLO DIESEL MOTOR RESIPROCANTEEl desarrollo del ciclo diesel de un motor reciprocante seria el siguiente:

ve

vaL

R

PMIPMS

CICLO DIESEL – MOTOR RESIPROCANTE

PC

1-2 desplazamiento del pistón del PMS, Comprime el gas hasta con finarlo en el VM. Esta compresión debe ser sin transferencia de calor.2-3 tan pronto el embolo, en su permanente movimiento alternativo llega al PMS. Se inicia la transferencia de calor con tal ritmo que a pesar del desplazamiento del pistón, la presión dentro del cilindro permanece constante p2=p3 alcanzándose, como consecuencia de trasferencia, la temperatura t3 máxima del ciclo, cuando el embolo alcanza la posición P.C. 3-4 Al llegar el embolo al punto PC y habiendo el gas llegado a la temperatura t3, punto de máxima energía, se4 corta la transferencia de calor y de PC al PMI la expiación es adiabática.4-1 terminada la expansión adiabática, el gas debe enfriarse en forma instantánea, mientras el volumen ocupado por el mismo permanece invariable.

EFICIENCIA EN FUNCION DE LAS CARACTERISTICAS GEOMETRICAS DEL MOTOR ALTERNATIVO

RELACION DE COMPRESION: Relación entre los volúmenes máximo y mínimo del proceso de compresión adiabática.

2

1

v

vrk

RELACIÓN DE CORTE: Relación entre los volúmenes máximo y mínimo del proceso de transferencia isobárica de calor.

2

3

v

vrc

RELACION DE EXPACION: Relación entre los volúmenes máximo y mínimo del proceso de expansión adiabática.

3

4

v

vre

La eficiencia:

)1(

111

)23(

141

1

rckn

ttk

ttnd

rcrk

k

k

COMPARACION DE EFICIENCIAS CICLO OTTO Y DIESEL

rk

k

otto1

1

1)1(

111 1

rck

diesel rcrk

k

k

Ciclo diesel como ciclo abierto En el ciclo diesel el proceso de transferencia positiva de calor se ve reemplazado por un proceso de combustión interna. Esto significa que:- La sustancia de trabajo será aire atmosférico.- Este proceso no tiene las exigencias del ciclo Otto y tiene 2 características que

lo difieren:a) La temperatura al final de la compresión es alta, suficiente

para lograr el autoencendido del combustible por ¨compresión¨b) Se requiere un combustible de condiciones menos exigentes que en los

motores de explosión.- La cantidad de combustible esta predeterminado por la relación:

.pc= Cp( )- El combustible será dosificado y pulverizado de lo que se encarga el ¨sistema

de inyección¨- El ciclo debe derivar en un ciclo abierto(cerrado por la atmosfera)

Descripción del motor Diesel teórico de 2 tiempos:Compresión:En su carrera del pmi al pms pasa por el punto A se cierra la lumbrera de admisión y estando cerrada la válvula de escape, el recinto queda estanco y el gas es comprimido .

Combustión :Al llegar el pistón al pms se abre el inyector y se efectúa el proceso de combustión hasta que este llega al punto Pc en el que el inyector se cierra y por lo tanto termina la combustión.

Expansión: El gas se expande adiabáticamente empujando al pistón hasta que llega al punto A, en el que deja abierto la lumbrera de admisión y se abre la válvula de escape.

Escape y admisión:Mientras el pistón se desplaza de A al pmi y de este a A , se efectúa el escape de los gases viejos y la admisión de aire nuevo.

Consta de los siguientes procesos:1-2 : compresión adiabática2-3 : calentamiento isométrico, durante el cual se transfiere el calor.q = 3-4 : calentamiento isobárico, durante el cual se transfiere el calor. q = )

Calor total entregado : qA= q

Puede usarse el ciclo dual para una aproximación mejor para analizar los ciclos reales de los motores de combustión interna.

Ciclo Dual

4 - 5 : Expansión adiabática 5 - 1 : Enfriamiento isométrico, durante el cual se transfiere el calor:

qB= 5q1 = )

La eficiencia del ciclo será :

=

Si = 1, tenemos la eficiencia del ciclo Otto.Si = 1, tenemos la eficiencia del ciclo Diesel.

OTRAS DEFINICIONES DE EN EL ANALISIS DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

DIAGRAMA INDICADO: Se denomina así al diagrama P-V del ciclo real ocurrido en un motor de combustión interna , el área encerrada representa el trabajo.

• Los procesos de expansión y compresión no son realmente adiabáticos menos reversibles.• los procesos de combustión no son a volumen constante, en el caso de motor de explosión, ni presión constante en el caso de motor diesel.• Durante el proceso de admisión la presión en el cilindro es menor que en la atmosfera.•durante el proceso de expulsión la presión en el cilindro es mayor que de la atmosfera .

w pdv

OTRAS DEFINICIONES DE EN EL ANALISIS DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

TRABAJO INDICADO: es el trabajo realmente efectuado por los gases dentro del cilindro

PRESION MEDIA ENDICADA: presión constante hipotética que actuando durante la carrera de expansión, realizaría un trabajo equivalente al trabajo indicado.

FACTOR DE DIAGRAMA: es la relación de el área de diagrama indicado y el área del diagrama teórico. Es también la relación entre el trabajo indicado y el correspondiente trabajo neto del ciclo teórico.

POTENCIA AL FRENO: también denominada potencia al eje, es la potencia entregada por el motor al eje de la salida, es por consiguiente igual ala potencia indicada disminuida en las perdidas mecánicas

Pe= Pi - Pf

POTENCIA INDICADA: potencia desarrolladla en el interior del cilindro

Teniendo en cuenta todos los cilindros: donde :

Pi: potencia indicada(cv)pi: presión media indicadaVt: cilindrada total (m3)n: rpm del cigüeñalK: carreras útiles por vuelta de cigüeñal K=1, K=2 para

motores de 2 tiempos y 4 tiempos respectivamente.1/60 constante para pasar de minutos a segundos1/70 constante para pasar de k.gm a CV

. .

.60.75

Vt pi nPi

k

EFICIENCIA MECANICA: Es la relación entre la potencia al eje y la potencia indicada, representa la eficiencia del motor para convertir mecánicamente la potencia entregada por los gases en potencia útil.

CILINDRADA : Es el volumen desplazado total en un motor esto es el producto del Vd. de un cilindro multiplicado por el nº de cilindros

EFICIENCIA VOLUMETRICA: Es la relación entre la masa de aire aspirada por cilindro y la masa de aire que condiciones normales cabria en el volumen desplazado.

NUMERO OCTANO: Es una forma de medir la capacidad antidetonante de un combustible. Cada combustible solo puede trabajar hasta una cierta relación de compresión sin detonar. Esta relación de compresión se hace mediante el octanaje.

isoctano 100 buena propiedad antidetonante n-eptano 0 mal propiedad antidetonante el nº de octano de combustible será igual al porcentaje de

isoctano presente en la mezcla NUMERO DE CETANO: Mide la cualidad de ignición o

autoencendido de un combustible diesel. cetano 100 alfa-metilnaftaleno 0

Gracias…!