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PROGRAMA NACIONAL DE FORMACION EN INGENIERIA MECANICA
CICLO DIESEL
(Ejercicio Propuesto)
Autores:
Barrios Jesús C.I 18.801.806
Hidalgo Pedro C.I 18.925.102
Simancas Francisco C.I 19.610.569
Terán Junior C.I
Valera, enero de 2015
Introducción
El estudio del desarrollo del proceso de combustión en los motores de
combustión interna es imprescindible para poder cuantificar el máximo
aprovechamiento de la energía contenida en la mezcla aire-combustible. Sin
embargo, en vista de que las reacciones químicas que suceden dentro de la
cámara de combustión no son del todo completas debido a problemas
inherentes al propio proceso de combustión, tales como disociación, falta de
equilibrio químico, formación de especies intermedias debida a reacciones
parciales de oxidación.
Los motores diésel son muchos más que simple motores, son una
mejor economía de combustible, facilidad de mantenimiento, además de alto
rendimiento y potencia. Sin embargo, algunos conductores se quejan del
débil poder del motor, en especial cuando se habla de la aceleración de un
punto a otro. En realidad se pueden hacer los ajustes necesarios a los
motores diésel y obtener más potencia sin tener que comprometer la
economía en el consumo de combustible del vehículo en el proceso.
En el presente análisis se plantea un caso particular del ciclo diesel en
donde se determinará el rendimiento neto que tendrá un motor diesel
tomando en cuenta una diversidad de parámetros y los cálculos respectivos
para la solución.
Bases Teóricas
Los Motores Diesel
Estos motores son máquinas que transforma la energía calorífica en
energía mecánica directamente utilizable; La combustión se realiza en el
denominado fluido operante, el cual está constituido por una mezcla de
combustible y comburente. El combustible llamado gasoil y el comburente
que suministra el oxígeno necesario para la combustión es aire atmosférico.
Los motores diesel utilizan un sistema de cuatro tiempos los cuales son:
admisión, compresión, combustión y escape. Su funcionamiento es bastante
sencillo, primeramente entra el aire en la cámara de combustión,
seguidamente se comprime este aire con un empuje del émbolo del pistón,
para luego inyectar el combustible y producir la combustión que volverá a
empujar el pistón, y producirá la fuerza para el movimiento. Finalmente, el
escape de los gases dejará la cámara de combustión lista para un próximo
ciclo.
Un motor diesel utiliza mucha más compresión que un motor a gasolina. Un
motor a gasolina comprime a un porcentaje de 8:1 a 12:1, mientras que un
motor diesel comprime a un porcentaje de 14:1 hasta 25:1. La alta
compresión se traduce a mayor eficiencia, que en general depende de los
mismos factores que los motores de ciclo otto, donde es mayor que en
cualquier motor de gasolina llegando a superar el 40%.
Partes de un motor cuyo funcionamiento es necesario explicar:
El cilindro, dentro del cual se mueve el pistón con movimiento rectilíneo
alternativo, forma parte, en los motores pluricilíndricos, del bloque de
cilindros. Este, que normalmente se fabrica unido a la bancada, se puede
considerar como la estructura soporte del motor. En algunos modelos de
motores el bloque de cilindros se fabrica separado de la bancada, a la cual
se une mediante espárragos.
El pistón, dotado de segmentos que impiden la fuga de gas entre él y el
cilindro, transmite el empuje de dicho gas, a través del pernoo bulón, a la
biela, y de ésta, a la manivela del cigüeñal.
La biela y la manivela constituyen un sistema mecánico que transforma el
movimiento lineal alternativo del pistón en movimiento de giro del cigüeñal, el
cual para reducir el rozamiento gira sobre los cojinetes de bancada.
Los colectores de admisión y el de escapeson los conductos a través de los
cuales se carga y se descarga el fluido operante del interior del cilindro.
Las válvulas de aspiracióny de escape, accionadas por un sistema
mecánicodenominado distribución, que son mantenidas en su asiento por la
acciónde su correspondiente muelle, abren y cierran el cilindro permitiendo
que los gases frescos y quemados entren y salgan de él en los momentos
oportunos.
El Punto muerto superior (P.M.S.) es la posición del pistón más
próxima a la culata.
El Punto muerto inferior (P.M.I.) es la posición del pistón más alejada
de la culata.
El termino Calibre es el diámetro interior del cilindro. Expresado
generalmente en milímetros (mm).
La Carrera es la distancia entre el PMS y PMI, pero en raras
excepciones, la carrera es al doble del radio de la manivela del eje de
cigüeñales. Y se expresa generalmente en mm.
El Volumen total del cilindro (V1) Es el espacio comprendido entre la
culata y el pistón cuando éste se halla en el PMI y viene expresado, por lo
general, en cm3.
El Volumen de la cámara de compresión (V2) Es el volumen
comprendido entre la culata y el pistón cuando éste se halla en el P.M.S.
Suele expresarse en cm3.
La Cilindrada (V1-V2) Es el generado por el pistón en su movimiento
alternativo desde el PMS hasta el PMI y se expresa, por lo común, en cm3.
La Relación de compresión (ρ) se entiende por tal la relación que hay
entre el volumen total del cilindro V1y el volumen de la cámara de
combustión V2. Se representa por ρ y vale: rk= V1/V2
El principio de funcionamiento de los motores Diesel consiste en: admitir la
mayor cantidad de aire como sea posible, comprimirlo suficientemente como
para generar una presión y temperatura tales que al introducir combustible
finamente pulverizado, se combustione rápidamente y producto de la misma
se genere trabajo mecánico sostenido en el tiempo. Para ello es necesario
que ocurran una serie de transformaciones termodinámicas del fluido que en
el caso del ciclo diesel son:
Primer tiempo : Admisión
En este primer tiempo el pistónefectúa su primera carrera o
desplazamiento desde el PMS al PMI, aspirando solo aire de la
atmosfera, debidamente purificado a través del filtro. El aire pasa por
el colector y la válvula de admisión, que se supone se abre
instantáneamente y que permanece abierta, con objeto de llenar todo
el volumen del cilindro. Durante este tiempo, la muñequilla del
cigüeñal gira 180º.
Figura 1: Admisión
Fuente:
https://www.uclm.es/profesorado/porrasy
soriano/motores/temas/ciclo_teorico.pdf
Segundo tiempo: Compresión
En este segundo tiempo y con las dos válvulas completamente
cerradas el pistón comprime el aire a gran presión., quedando solo
aire alojado en la cámara de combustión. La muñequilla del cigüeñal
gira 180º y completa la primera vuelta del árbol motor.La presión
alcanzada en el interior de la cámara de combustión mantiene la
temperatura del aire por encima de los 600ºC, superior al punto de
inflamación del combustible, para locual la relación de compresión
tiene que ser del orden de 22.
Figura 2: Compresión
Fuente:
https://www.uclm.es/profesorado/porrasy
soriano/motores/temas/ciclo_teorico.pdf
Tercer tiempo: Trabajo
Al final de la compresión con el pistón en el PMS se inyecta el
combustible en el interior del cilindro, en una cantidad que es regulada
por la bomba de inyección. Como la presión en el interior del cilindro
es muy elevada, para que el combustible pueda entrar la inyección
debe realizarse a una presión muy superior, entre 150 y 300
atmosferas.
El combustible, que debido a la alta presión de inyección sale
finalmente pulverizado, seinflama en contacto con el aire caliente,
produciéndose la combustión del mismo. Se eleva entonces la
temperatura interna, la presión mientras dura la inyección o aportación
de calor se supone constante, y a continuación, se realiza la
expansión y desplazamiento del pistón hacia el PMI. Durante este
tiempo, o carrera de trabajo, el pistónefectúa su tercer recorrido y la
muñequilla del cigüeñal gira otros 180º.
Figura 3: Trabajo
Fuente:
https://www.uclm.es/profesorado/porrasy
soriano/motores/temas/ciclo_teorico.pdf
Cuarto tiempo: Escape
Durante este cuarto tiempo se supone que la válvula de escape se
abre instantáneamente permanece abierta. El pistón, durante su
recorrido ascendente, expulsa a la atmosfera los gases que no han
salido, efectuando el barrido de gases quemados lanzándolos al
exterior.La muñequilla del cigüeñal efectúa otro giro de 180º,
completando las dos vueltas del árbol motor que corresponde al ciclo
completo de trabajo.
Figura 3: Trabajo
Fuente:
https://www.uclm.es/profesorado/porrasy
soriano/motores/temas/ciclo_teorico.pdf
Explicación de la Gráfica del ciclo termodinámico del diesel
Representando en un sistema de ejes coordenados P-V el funcionamiento
teórico de estos motores queda determinado por el diagrama de la siguiente
figura:
Figura 5: ciclo termodinámico
Fuente: http://es.slideshare.net/garcia_/ciclo-diesel-9214477
Transformación 0-1 y 1- 0 ⇒Isobara a presión atmosférica.
Transformación 1-2⇒Adiabática
Transformación 2-3 ⇒Isócora
Transformación 3-4 ⇒Adiabática
Transformación 4-1 ⇒Isócora
Q1⇒Calor generado en la combustión.
Q2⇒Calor cedido al ambiente o perdido.
0-1.- Admisión (Isóbara):
Durante la admisión se supone que el cilindro se llena totalmente de aire que
circula sin rozamiento por los conductos de admisión, por lo que se puede
considerar que la presión se mantiene constante e igual a la presión
atmosférica. Es por lo que esta carrera puede ser representada por una
transformación isóbara. (P=K).
1-2.- Compresión (Adiabática):
Durante esta carrera el aire es comprimido hasta ocupar el volumen
correspondiente a la cámara de combustión y alcanza en el punto (2)
presiones del orden de 50 kp/cm2. Se supone que por hacerse muy
rápidamente no hay que considerar pérdidas de calor, por lo que esta
transformación puede considerarse adiabática. La temperatura alcanzada al
finalizar la compresión supera los 600 ºC, que es la temperatura necesaria
para producir la auto inflamación del combustible sin necesidad de chispa
eléctrica.
2-3.- Inyección y combustión (Isóbara):
Durante el tiempo que dura la inyección, el pistón inicia su descenso, pero la
presión del interior del cilindro se supone que se mantiene constante,
transformación isóbara, debido a que el combustible que entra se quema
progresivamente a medida que entra en el cilindro, compensando el aumento
de volumen que genera el desplazamiento del pistón. Esto se conoce como
retraso de combustión
3-4.- Adiabática:
Terminada la inyección se produce una expansión (3-4), la cual como la
compresión se supone que se realiza sin intercambio de calor con el medio
exterior, por lo que se considera una transformación adiabática. La presión
interna desciende a medida que el cilindro aumenta de volumen.
4-1.- Primera fase del escape (Isócora):
En el punto (4) se supone que se abre instantáneamente la válvula de
escape y se supone que los gases quemados salen tan rápidamente al
exterior, que el pistón no se mueve, por lo que se puede considerar que la
transformación que experimentan es una isócora. La presión en el cilindro
baja hasta la presión atmosférica y una cantidad de calor Q2transformado en
trabajo es cedido a la atmósfera.
Ejercicio propuesto de ciclo diesel
Un ciclo ideal diesel tiene una relación de compresión de 20 y una relación
de cierre de admisión entre 2,7 y 4 determinar la temperatura máxima del
aire, la tasa de adición de calor para este ciclo cuando se producen 200hp de
potencia, el ciclo se repite 1200 veces por minuto y el estado del aire al inicio
del proceso de compresión es de 95 kilopascal y 17 ºC. Utilice la variación de
los valores específicos constantes a temperatura ambiente y calcule la
presión y temperatura máxima en cada uno de los estados.
También determinar:
la eficiencia térmica del motor?
Tamaño del pistón?
Diámetro del cilindro?
Datos
rk=20
rc=1.6511
Tmax=?
Qent=?
Po=200hp
P1=95kpa
T 1=17℃
nT=?
Proceso 1-2
T 1=17℃ ° K
° K=℃+273=290 ° K
Por tabla:
T1 h U V
280 284.5 204 5088
290 294.8 211.45 4671.5
300 305.1 218.9 4255
Proceso 2-3
rk=V 1V 2
=Vr1Vr2
Vr2=Vr 1rk
= 4671.520
=233.575
Por tabla:
Vr2 T2 h u
228.8 860 919.1 672.1
233.575 854.447 911.798 667.214
246 840 895.8 654..5
Calculo de presion
P2∗V 2∗T 1=P1∗V 1∗T 2
P2= P1∗V 1∗T 2V 2∗T 1
rc=V 1V 2
=20
P2= P1∗T 2∗20T 1
=95kpa∗854.447∗20290
=5598.101kpa
P2=P3=5598.101kpa
Calculo del punto 3
El siguiente cálculo se realizó mediante ensayo y error para así lograr un
volumen del cilindro capaz de generar los 200 hp de potencia, para ello el
valor de la relación de cierre se varió hasta determinar que 1.6511 sería la
cantidad a utilizar.
P3∗V 3∗T 2=P2∗V 2∗T 3
T 3=P3∗V 3T 2P2∗V 2
P2=P3
T 3=1.6511∗854.447=1410.7774 ° K
Por tabla:
T3 h u V
1400 1542.8 1147.6 52.79
1410.7774 1557.6513 1157.9032 51.5377
1450 1611.7 1195.4 46.98
Proceso 3-4
V 3= P2∗V 2∗T 3P3∗T 2
P2=P3
V 3=1371.5583∗V 2854.447
=1.6052V 2
Vr 4=V 4V 3
∗Vr3
Vr 4= V 41.6511V 2
∗Vr3 V 4V 2
=rk=20
Vr 4= 201.6511
∗51.5377=624.2832
Por tabla:
Vr4 T4 U h
660.8 600 451.6 624.0
624.2832 612.4207 461.7229 637.6626
602.0 620 467.9 646
La cilindrada del motor será 4994.2656 aproximado 5000
Calculo del rendimiento térmico
Qent=h3−h2=1557.6513−911.798=645.8533
Qsal=u4−u1=461.7229−211.45=250.2729
nT=1−qsalqent
=1−250.2729645.8533
=0.6125%
Temperatura maxima
Tmax=1410.7774
Tasa de adición de calor
Qent=ẆnetonT
= 200hp0.6125
∗( 0.74571hp )=243.4939Kw
Radio del cilindro
Para el cálculo del radio del cilindro se supuso una carrera de 8cm
Vc=π∗r 2∗c
Donde:
Vc = volumen del cilindro
r = radio del cilindro
c = carrera del pistón
Despejando “r” de la ecuación anterior nos queda:
r=√ Vcπ∗cr=√ 624.2832cm3π∗8cm
r=4.9839
Entonces el diámetro del cilindro será
D=9.9678
Con el valor del diámetro obtenido con respecto a la carrera se puede decir
que es un motor supercuadrado.
Según catalogo vehyco se hace la siguiente selección de pistón.
Conclusión