Apuntes para todos los estudiantes y cursos

El encendido de los motores

1)Representar los diagrámas P-v de los Ciclos teóricos Otto y Diesel, definir las transformaciones termodinámicas que componen cada ciclo. Rendimientos a igualdad de relación de compresión.

Ciclo Otto teórico

 Las transformaciones termodinámicas que se realizan durante el ciclo son las siguientes:

1-2 Compresión adiabática del gas P*V^y=cte

 2-3 Adición instantánea del calor Q1 a volumen constante

3-4 Expansión adiabática del gas P*V^y=cte

4-1Cesión instantánea del calor Q2 a volumen constante

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En un ciclo real, el proceso (0-1) representaría la admisión del fluido durante la carrera de aspiración y el escape de los gases en la carrera de evacuación. En el ciclo teórico, los efectos de ambos procesos se anulan mutuamente,  sin ganancia ni perdida de trabajo, razón por la cual no se consideran en los diagramas teóricos. Los diferentes procesos se representan como un ciclo cerrado en el que el fluido activo vuelve a su estado inicial cuando vuelve al punto 1.

En el diagrama en P-v, sobre el eje que representa el volumen. Proyectando el punto 1 y respecto al eje de P, representa el volumen correspondiente cuando el pistón se encuentra en el PMI (Vt). El punto 2 representa el volumen correspondiente al PMS (Vt–Vc) es decir el volumen del espacio neutro.

Ciclo teórico Diesel

Las transformaciones termodinámicas que se efectúan durante el ciclo Diesel, son las siguientes:

1-2 Compresión adiabática del gas P*V^y=cte

2-3 Adición instantánea del calor Q1 a presión constante

3-4 Expansión adiabática del gas P*V^y=cte

4-1Cesión instantánea del calor Q2 a volumen constante

Rendimientos

A igualdad de calor aportado, e igualdad de relación de compresión, el ciclo Otto es el de mayor rendimiento térmico, seguido del ciclo mixto y el “peor” sería el Diesel. Cuanto mayor sea la cantidad de calor aportado a volumen constante, mayor será el rendimiento térmico.

2º)Definición de Potencia, Potencia Indicada y Potencia Efectiva, formas de medirlas. PMI y PME.

Potencia: es el trabajo desarrollado en la unidad de tiempo.

Potencia Indicada

La potencia desarrollada y medida en el interior del cilindro. La potencia indicada es el trabajo desarrollado en la unidad de tiempo por un cilindro en un ciclo.

Se mide: Un indicador, conectado al cilindro, permite trazar en un papel, a escala,  la evolución de las presiones para cada posición del émbolo. Tipos de indicadores: mecánicos, ópticos y electrónicos.

Potencia efectiva

La potencia transmitida y medida en el eje del motor.

Determinación de la potencia efectiva

-Frenos (medida directa). Con los frenos se “absorbe” la potencia desarrollada por el motor. Miden el par y con él puede calcularse la potencia.

-Frenos de fricción (no se emplean)

-Frenos hidráulicos

-Frenos eléctricos

-De corriente continua

-De corriente alterna

-De corrientes parásitas

-Torsiómetros (medida indirecta). Con los torsiómetros se mide el efecto provocado en un eje que transmite potencia. Es un método indirecto para la determinación de la potencia efectiva, midiendo el ángulo de torsión que se produce en el eje del motor como consecuencia del par motor al que se le somete.

Presión Media Indicada (PMI)

Es una presión constante de los gases en el interior del cilindro tal, que actuando sobre una carrera completa produce un trabajo igual al indicado por el ciclo.

Presión media efectiva (PME)

Sería el valor de una presión, que introducido en la fórmula de la potencia indicada, nos daría la potencia efectiva desarrollada por el motor.

Es un concepto, no una presión que realmente exista. Sirve como elemento de comparación entre motores.

Su valor puede obtenerse también multiplicando la presión media indicada por el rendimiento mecánico.

3º)Donde y como actuamos en el motor (según el diagrama circular de distribución) para conseguir que el ciclo indicado se acerque lo más posible al ciclo teórico.

Para conseguir que el ciclo indicado se acerque lo más posible al teórico, se actúa sobre la distribución adelantando y retrasando el instante de comienzo y de finalización de entrada y salida del fluido operante del cilindro, con el propósito de conseguir un mejor llenado y evacuación de los gases y además se realiza un adelanto del encendido o de la inyección para compensar el tiempo necesario para la combustión.

Estas variaciones son conocidas como cotas de reglaje en la distribución, son las siguientes:

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-Adelanto en la apertura de la admisión (AAA), consigue que al hacer que la válvula se abra antes de que el pistón llegue al P.M.S. en su carrera de escape, al iniciarse la aspiración de la mezcla, la válvula esté muy abierta, evitando la estrangulación a la entrada de los gases. 

-Retraso en el cierre de la admisión (RCA), consigue que al hacer que la válvula se cierre un poco después de que el pistón llegue a su P.M.I., debido a la inercia de los gases al final de la admisión éstos siguen entrando en el cilindro, aunque el pistón comience a desplazarse hacia el P.M.S.  

-Adelanto del encendido (AE) o de la inyección (AI), consigue compensar el tiempo necesario para que, al final de la combustión, el movimiento del pistón en su fase de trabajo sea mínimo. Se puede cifrar en unos 30º.

-Adelanto en la apertura de escape (AAE), consigue que la presión interna baje antes, y que cuando se inicie el escape la válvula, esté completamente abierta, evitando el estrangulamiento a la salida y la pérdida de energía necesaria para realizar el barrido de gases.

-Retraso en el cierre del escape (RCE), consigue una mejor evacuación de los gases quemados debido a la succión provocada por la alta velocidad de los gases de escape, evitándose así que los gases residuales que pueden quedar en el interior del cilindro impidan la entrada de gases frescos.

-Cruce de válvulas, es el período en el que las válvulas de admisión y escape están simultáneamente abiertas. Durante el mismo, debido a la velocidad de los gases de escape, crean una succión que facilita la entrada de la nueva mezcla y barre los gases residuales. Cuando los gases frescos llegan a la válvula de escape ésta ya está cerrada sin que se pierdan en la atmósfera.

4º)Como podemos conseguir disminuir las diferencias entre los ciclos teóricos y reales en un MCI de 4T y como se representan las actuaciones a realizar.

Diferencias entre los ciclos real y teórico de un Motor de Explosión de 4T:

Entre ambos diagramas existen diferencias sustanciales tanto en la forma como en los valores de Presiones y temperaturas.

Las primeras consisten en un perfil diferente en las curvas de expansión y compresión, sustitución de los trazos rectos de combustión, cesión de calor por trazos curvos y el redondeamiento de los vértices. Las causas de dichas referencias vamos a verlas a continuación:

Perdidas de calor: Aunque en el ciclo teórico se consideran nulas, en el real son importantes. Los procesos adiabáticos en la realidad son politrópicos y ello da lugar a perdidas de trabajo útil, en el diagrama representado corresponde a la superficie “A”.

Combustión no instantánea: Teóricamente suponíamos que la combustión se realizaba a volumen constante. En la realidad, la combustión requiere un cierto tiempo; por ello si se iniciase en el PMS, se verificaría mientras el pistón se aleja del mismo y el valor de la presión resultaría inferior al teórico con la correspondiente perdida de trabajo útil. Es necesario adelantar el encendido para que la mayor parte de la combustión se realice con el pistón en las proximidades del PMS. Esto produce un redondeamiento de la línea de combustión y la consiguiente pérdida representada en la figura por la superficie “B”

Apertura de la válvula de escape: La sustracción de calor no es instantánea, como suponía el ciclo teórico sino que por el contrario, requiere un cierto tiempo relativamente largo; por ello la válvula de evacuación debe abrirse antes del PMI (adelanto a la evacuación) para dar tiempo a que una parte de los gases salgan del cilindro antes de encontrarse en pistón en el PMI. Ello lleva consigo la perdida de trabajo útil representada por el área (C) en la figura.

Resistencia del sistema a la evacuación: En la fase de evacuación, la resistencia ofrecida por los conductos aumenta la presión de los gases a su salida del cilindro; además, como el movimiento del pistón no es uniforme, se producen oscilaciones de presión en el cilindro y el escape, que dan lugar a que la línea de evacuación tome la forma de una curva ondulatoria cuya mayor parte está por encima de la presión atmosférica.

Resistencia del sistema de admisión: la resistencia de los conductos de admisión reduce la presión del fluido que se admite en el cilindro, dando lugar también a que la línea de admisión tome una línea ondulatoria en su mayor parte por debajo de la línea de la presión atmosférica. Como consecuencia de lo anterior, ambas líneas de admisión y evacuación en el ciclo real encierran una superficie (D) que representa el trabajo negativo efectuado por el motor para llenar el cilindro de aire fresco o mezcla y expulsar los gases de la combustión. A esta pérdida se le denomina “PERDIDA POR BOMBEO”.

Se representan mediante el Diagrama Circular de Distribución.

5º)Descripción de combustión en los MCI.

La combustión es una reacción química en la que un oxidante reacciona rápidamente con un combustible liberando como energía térmica la energía almacenada, generalmente en forma de gases a alta temperatura. También se produce una pequeña cantidad de energía electromagnética (luz), energía eléctrica (iones libres) y energía mecánica (ruido). Excepto para aplicaciones muy especiales, el oxidante en la combustión es siempre el oxígeno contenido en el aire atmosférico.

Tipos de combustión:

-Con la combustión completa de los hidrocarburos, todo el hidrógeno y el carbono presentes en el combustible se oxidan para formar H2O y CO2. Generalmente, para alcanzar la combustión completa debe suministrarse un exceso de aire o de oxígeno por encima de la cantidad teórica necesaria para oxidar dicho combustible.

-La combustión incompleta se produce cuando un elemento combustible no se oxida completamente durante la combustión. Las condiciones que provocan la combustión incompleta incluyen:

-aire insuficiente o mezcla insuficiente

-suministro de aire insuficiente en la llama

-insuficiente tiempo de residencia de los reactivos en la llama

-choque o contacto de la llama con una superficie fría

-temperatura de la llama demasiado baja

La combustión incompleta aprovecha ineficazmente el combustible, puede producir compuestos peligrosos como el monóxido de carbono y contribuye a la contaminación del aire.

-En la combustión estequiométrica de un hidrocarburo, el combustible reacciona con la cantidad exacta de oxígeno requerido para oxidar todo el carbono, el hidrógeno y el azufre en el combustible, formando CO2, H2O, y SO2. Por lo tanto, el gas de escape de la combustión estequiométrica no contiene componentes del combustible sin reaccionar ni oxígeno que no haya intervenido en la reacción. La combustión estequiométrica es difícil de realizar en la práctica, ya que la mezcla y las tasas de reacción son finitas.

6º)Combustión en los Motores de Explosión

Combustión Normal en los Motores de Explosión

Cuando salta la chispa entre los electrodos de la bujía, se forma alrededor de ésta el foco inicial y desde éste se propaga a toda la masa según un frente de llama.

Cuando progresa y se va completando la combustión, la presión aumenta de forma rápida pero gradual.

EN GENERAL, LA VELOCIDAD O  LA TASA DE COMBUSTION DEL COMBUSTIBLE DEPENDE DE:

-La velocidad de la reacción química de los elementos constituyentes del combustible con el oxígeno.

-La velocidad con el que el oxígeno es suministrado al combustible (la mezcla de aire y combustible)

-la temperatura en la zona de la combustión.

-La velocidad de la reacción es determinada para cada combustible. Incrementando el nivel de mezcla o la temperatura se aumenta la velocidad de la reacción.

Combustión Anormal en Motores de Explosión

-Encendido superficial: Producido por puntos calientes y que puede producirse antes de la chispa (preencendido) o después de la chispa (postencendido)

-Autoencendido: A partir de ciertas temperaturas (315 ºC) y durante la fase de compresión se empiezan a formar compuestos inestables (peróxidos de hidrógeno H2O2) que provocan una combustión incontrolada, con aumento de la temperatura y desplazamiento de los gases desde la zona de detonación hacia el centro de la cámara de combustión, donde chocan estos gases con los que provienen de la combustión normal, produciendo incrementos de la presión y turbulencias que disminuyen el rendimiento.

7º)Combustión en los Motores Diesel

COMBUSITON NORMAL:Desde que se inyecta la primera partícula de combustible en el aire, se enciende, elevándose la presión de acuerdo con el régimen de velocidad del motor y el diseño del mismo.

FASES DE LA COMBUSTION

FASE 1. Retardo en la inyección

La inyección de combustible no comienza inmediatamente cuando el empujador de la bomba empieza a subir, ya que existe un cierto retardo causado por la compresibilidad del combustible y por la expansión del tubo de inyección. Las tuberías de inyección se expanden por lo que habrá que enviar una cierta cantidad de combustible para compensar estos factores. El calado de la bomba deberá tener en cuenta estos factores.

FASE 2. Periodo de combustión incontrolada

Periodo de combustión incontrolada que se produce durante un corto periodo de tiempo (5 a 10 grados). Inicialmente se libera una considerable cantidad de calor. Esto ocasiona un conjunto de violentas reacciones químicas en la mezcla aire vapor de combustible que se ha formado durante la primera fase. Entre el 40 y el 70% de la energía disponible en el combustible se libera durante esta fase.

FASE 3. Periodo de combustión controlada

Lento aumento de la presión y por el final del proceso de la inyección. El aumento de la presión se reduce como consecuencia del descenso del émbolo y del consiguiente aumento del volumen en el cilindro.

El tiempo disponible para la combustión es relativamente corto en el caso de los motores rápidos de carrera corta, y es mucho mayor en el caso de los motores lentos y de carrera larga.

Es necesario que la combustión en un motor de combustión interna se produzca en un corto espacio de tiempo, habiendo cinco requisitos esenciales que aseguran esto:

1)Una correcta relación aire/combustible

2)Atomización

3)La introducción de muy pequeñas gotas atomizadas y mezcladas con el aire

4)Regulación del inicio de la inyección

)Temperatura de la compresión

-COMBUSTION ANORMALES:Picado. Combustión brusca del combustible acumulado en la cámara de combustión durante el retardo al encendido.

8º)Para qué y en qué tipo de combustibles se utiliza el índice de octano y el número de cetano.

Indice de Octano:

Expresa la capacidad antidetonante de las gasolinas por comparación con mezclas de isoctano (100) y heptano (0) en el motor normalizado de la Cooperative Fuel Research Committe (Motor CFR)

Se aumenta con aditivos antidetonantes.

Técnicamente existen tres diferentes “números de octano” asociados con cada gasolina.

-El RON (Research Octane Number) que es medido bajo condiciones de prueba.

-El MON (Motor Octane Number) medido en condiciones de mayor temperatura y velocidad.

-El valor que relaciona a ambos para dar un panorama más cercano a las condiciones de manejo es el promedio de los dos valores:

Road Octane Number = (RON + MON)/2.

Número de Cetano:

Representa un índice de la capacidad de inflamación del combustible. Se define como el porcentaje en volumen de cetano (una parafina a la que se asigna grado 100) en una mezcla con alfa-metilnaftaleno (valor 0), que ofrece el mismo retraso de encendido que el combustible en cuestión. Cuanto más alto sea el número de cetano, más bajo es el retraso de encendido, lo que beneficia el rendimiento del motor.

9º)Ciclo Sabathé o ciclo mixto, dibujar en P-v, definir las transformaciones termodinámicas que se efectúan en el mismo.

Ciclo Sabathé o ciclo mixto

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 Se establece una nueva relación, llamada relación de explosión o relación de presiones a V cte.

 Las transformaciones termodinámicas que se efectúan durante el ciclo Diesel, son las siguientes:

1-2 Compresión adiabática del gas P*V^y=cte

2-3 Adición instantánea del calor Q´1 a volumen constante

3-4 Adición instantánea del calor Q´´1 a presión constante

4-5 Expansión adiabática del gas P*V^y=cte

5-1 Cesión instantánea del calor Q2 a volumen constante

10º)Diagráma real o indicado, utilidades.

Utilidades del diagrama real o indicado

Midiendo la superficie se obtiene el trabajo desarrollado por el ciclo.

La presión media indicada con la cual, y otros datos constructivos del motor  podremos conocer la potencia indicada, es decir la desarrollada por el cilindro.

Como la forma del diagrama se obtiene directamente mediante un indicador en un motor en funcionamiento, estas dependen del modo de cómo se realicen las transformaciones en el mismo. Del estudio de este diagrama y sus irregularidades pueden deducirse los defectos en el funcionamiento del motor y aplicar así las correcciones que sean necesarias.

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11º)Describir los Combustibles Renovables, Biomasa, Bioetanol y Biodiesel.

Biomasa

Se denomina biomasa a todo aquel combustible renovable de origen animal o vegetal, lo que incluye el aprovechamiento de residuos forestales o residuos agrícolas.

También los cultivos que dedican su producción exclusivamente a la generación de combustible y los gases procedentes de la descomposición de materia orgánica son considerados biomasa.

La biomasa es toda sustancia orgánica renovable de origen tanto animal como vegetal.

La energía de la biomasa proviene de la energía que almacenan los seres vivos.

En primer lugar, los vegetales al realizar la fotosíntesis, utilizan la energía del sol para formar sustancias orgánicas.

Después los animales incorporan y transforman esa energía al alimentarse de las plantas.

Los productos de dicha transformación, que se consideran residuos, pueden ser utilizados como recurso energético.

Desde principios de la historia de la humanidad, la biomasa ha sido una fuente energética esencial para el hombre. Con la llegada de los combustibles fósiles, este recurso energético perdió importancia en el mundo industrial.

A nivel ambiental, su uso presenta muchas ventajas, ya que permite aprovechar los residuos forestales, urbanos o agrícolas. Se están llevando a cabo diversos proyectos de investigación y desarrollo con el fin de perfeccionar los procedimientos de su obtención, gracias a los cuales se podrán obtener rendimientos energéticos y ambientales considerables.

Bioetanol

El etanol puede producirse a partir de un gran número de plantas, con una variación según el producto agrícola del rendimiento entre el combustible consumido y el generado en dicho proceso.

Este etanol, conocido como bioetanol, está sujeto a una fuerte polémica: para unos se perfila como un recurso energético potencialmente sostenible que puede ofrecer ventajas medioambientales y económicas a largo plazo en contraposición a los combustibles fósiles, mientras que para otros es el responsable de grandes deforestaciones y del aumento del precio de los alimentos, al suplantar selvas y terrenos agrícolas para su producción, dudando además de su rentabilidad energética.

El etanol se obtiene fácilmente del azúcar o del almidón en cosechas de maíz y cañas de azúcar entre otros.

Sin embargo, los actuales métodos de producción de bio-etanol utilizan una cantidad significativa de energía en comparación con la energía obtenida del combustible producido.

Por esta razón, no es posible sustituir enteramente el consumo actual de combustibles fósiles por bio-etanol

Biodiésel

El biodiesel es un combustible que se obtiene de triglicéridos es decir; lípidos naturales como aceites vegetales o grasas animales, con o sin uso previo, a los cuales se les aplica una serie de procesos industriales.

El producto obtenido es muy similar al gasóleo obtenido del petróleo; también llamado petrodiésel y puede usarse en motores de ciclo diesel convencionales sin cambios de consideración ya que solamente, y debido a su poder diluyente, solo requieren de ser necesario el reemplazo de las mangueras de conducción del combustible por elementos no fabricados sobre base de caucho o espuma de poliuretano.

La producción de aceites vegetales puede realizarse a partir de más de 300 especies diferentes, sin embargo las condiciones edafoclimáticas (suelo y clima), rendimiento, contenido en aceite y la necesidad de mecanizar la producción, limitan actualmente el potencial de obtención de aceites vegetales a unas pocas especies, dentro de las cuales la palma, la colza, el girasol y la soja son las más utilizadas.

Básicamente el proceso se inicia con la refinación del aceite vegetal, ya que normalmente es necesario reducir los contenidos de agua y ácidos grasos, a posteriori este aceite debe ser esterificado mediante su reacción con alcohol metílico o etílico (metanol o etanol) en presencia de un catalizador (hidróxido de potasio KOH, sosa cáustica) obteniéndose el éster correspondiente y dos coproductos, la glicerina y residuos de potasio que se pueden utilizar como

El proceso químico es relativamente sencillo, sin embargo, para producir un biodiesel de calidad deben optimizarse las variables del proceso, tales como el exceso y catálisis del metanol, la desactivación del catalizador, la agitación, la temperatura, entre otras.

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