Motores de Combustion Interna Ciclos

 

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA INGENIERIA TERMODINAMICA Nombre: Jessica Déleg Motores de combustión interna Un motor de combustión interna es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química de un combustible que arde dentro de una cámara de combustión. Su nombre se debe a que dicha combustión se produce dentro de la máquina en sí misma, a diferencia de, por ejemplo, la máquina de vapor. Tipos principales • Alternativos:   El motor de explosión ciclo Otto, cuyo nombre proviene del técnico alemán que lo inventó, Nikolaus August Otto, es el motor moto r convencional de gasolina.   El motor diésel, llamado así en honor del ingeniero alemán nacido en Francia Rudolf Diesel, funciona con un principio diferente y suele consumir gasóleo. • La turbina de gas.  • El motor rotatorio.  Partes del Motor En el motor de combustión interna, tanto en los motores de 2 tiempos y 4 tiempos, la finalidad de cada sistema general de alimentación, distribución, encendido, refrigeración y lubricación es acabar en una de las 3 partes siguientes:   Bloque motor   Culata   Cárter

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BLOQUE MOTOR El MOTOR El bloque es la parte más grande del motor, en el se instalan los cilindros donde aquí los pistones suben y bajan. También por aquí se instalan los espárragos de unión con la culata y pasa el circuito de lubricación y el circuito de refrigeración. Los materiales utilizados para la construcción del bloque han de ser materiales capaces de resistir las altas temperaturas, ya que aquí se realizan también los procesos de expansión y escape de gases. Generalmente el bloque motor está construido en aleaciones de hierro con aluminio, con pequeñas porciones de cromo y níquel. Con esta aleación conseguimos un material de los cilindros nada poroso y muy resistente al calor y al desgaste. PARTES DEL BLOQUE MOTOR En MOTOR En el bloque motor se encuentran los distintos componentes:

 

culata La junta de culata es la encargada de sellar la unión entre la culata y el   Junta de culata La bloque de cilindros. Es una lámina muy fina fabricada generalmente de acero aunque también se le unen diversos materiales como el asbesto, latón, caucho y bronce. La junta de culata posee las mismas perforaciones que el bloque motor, la de los pistones, los espárragos de sujeción con la culata y los conductos de refrigeración y lubricación, para poder enviar a éstos a la culata.

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Cilindros En los cilindros es donde los pistones realizan todas sus carreras de admisión,   Cilindros En compresión, expansión y escape. Es una cavidad de forma cilíndrica. En el interior de los cilindros las paredes son totalmente lisas y se fabrican con fundiciones de acero aleadas con níquel, molibdeno y cobre. En algunos casos se les alea con cromo para una mayor resistencia al desgaste.   En el cilindro se adaptan unas camisas colocadas a presión entre el bloque y el cilindro, la cual es elemento de recambio o modificación en caso de una reparación. De esta manera conseguimos que el bloque este más separado del calor y podemos utilizar materiales m ateriales más ligeros como el aluminio para la su construcción. Pistones El  El pistón es el encargado de darle la fuerza generada por la explosión a la biela,   Pistones para que ella haga el resto. Debido a los esfuerzos tanto de fricción como de calor a los que está sometido el pistón, se fabrica de materiales muy resistentes al calor y al esfuerzo físico pero siempre empleando materiales lo más ligerosposibles, para así aumentar su velocidad y poder alcanzar regímenes de rotación elevados. Anillos   Los anillos van montados en la parte superior del cilindro, rodeando   Anillos completamente a éste para mantener una buena compresión sin fugas en el motor.   Los anillos o segmentos suelen fabricarse de hierro aleado con silicio, níquel y manganeso. Bulones   Es el elemento que se utiliza para unir el pistón con la biela, permitiendo la   Bulones articulación de esa unión. El bulón normalmente se construye de acero cementado y templado, con proporciones de carbono, cromo, manganeso y silicio.   Bielas La biela es la pieza que está encargada de transmitir al cigüeñal la fuerza recibida del pistón. Las bielas están sometidas en su trabajo a esfuerzos de compresión, tracción y también de flexión muy duros y por ello, se fabrican con materiales muy resistentes pero a la vez han de ser lo más ligeros posibles. Generalmente están fabricadas de acero al cromomolibdeno con silicio y manganeso, acero al cromo-vanadio o al cromo-níquel o también podemos encontrar bielas fabricadas de acero al carbono aleado con níquel y cromo.

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CULATA  La culata es la parte superior del motor en donde se encuentran las válvulas de CULATA  admisión y de escape, el eje de levas, las bujías y las cámaras de combustión. En la culata es donde encontramos todo el sistema de distribución, aunque antiguamente el eje de levas se encontraba en la parte inferior del motor. La culata también tiene conductos de refrigeración y lubricación al igual que el bloque motor, para que por aquí pasen los correspondientes líquidos. La culata es la parte estática del motor que más se calienta, por eso su construcción ha de ser muy cuidadosa. Una culata debe ser resistente a la presión de los gases, ya que en la cámara de combustión se producen grandes presiones y temperaturas, poseer buena

 

conductividad térmica para mejorar la refrigeración, ser resistente a la corrosión y poseer un coeficiente de dilatación exactamente igual al del bloque motor. La culata, al igual que el bloque motor, se contruye de aleaciones de hierro con aluminio, con pequeñas porciones de cromo y níquel. PARTES DE LA CULATA En CULATA  En la culata encontramos los siguientes componentes:   Cámara de combustión: Las válvulas van ubicadas en la cámara de combustión y son los elementos encargados de abrir y cerrar los conductos por donde entra la mezcla (válvulas de admisión) y por donde salen los gases de escape (válvulas de escape) escape)     Válvulas: Las válvulas van ubicadas en la cámara de combustión y son los elementos encargados de abrir y cerrar los conductos por donde entra la mezcla (válvulas de admisión) y por donde salen los gases de escape (válvulas de escape) escape)     Guías y asientos de válvulas: Las guías son casquillos en forma alargada, introducidos en los agujeros realizados en la culata para alojarlas, dentro de los cuales se deslizan las válvulas.  válvulas.  levas:El árbol de levas o también llamado eje de levas es el elemento   Árbol de levas:El encargado de abrir y cerrar las válvulas en el momento preciso. El Árbol de levas se construye de hierro fundido aleado con pequeñas proporciones de carbono, silicio, manganeso, cobre, cromo, fósforo y azufre. Bujías:   la bujía es la pieza encargada de dar una chispa alcanzar la temperatura   Bujías: suficiente para encender el carburante (solo en motores Otto).

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CÁRTER El cárter es la parte inferior del motor donde se encuentra el cigüeñal, los cojinetes del CÁRTER El cigüeñal y el volante de inercia. En el cárter está depositado el aceite del sistema de lubricación, y en su parte inferior tiene un tapón para el vaciado de éste. El cárter generalmente está provisto de aletas en su parte externa para mejorar la refrigeración de éste y mantener el aceite a una buena temperatura de funcionamiento, que oscila generalmente entre los 80°C y los 90°C. Se construye de materiales muy ligeros pero con una buena conductividad térmica. El material más utilizado es el aluminio, aunque se le mezclan pequeñas porciones de cobre y de zinc. PARTES DEL CÁRTER En CÁRTER En el cárter encontramos los siguientes componentes:   Cigüeñal El cigüeñal es el encargado de transformar el movimiento de la biela en movimiento rotatorio o circular. Junto con el pistón y la biela, se considera la pieza más importante del motor. El cigüeñal es una p pieza ieza que ha de soportar grandes esfuerzos, por eso se construye de materiales muy resistentes para que puedan aguantar cualquier movimiento sin romperse. Los cigüeñales normalmente se fabrican de acero al CromoMolibdeno con cobalto y níquel.   Cojinetes Los cojinetes son los encargados de unir la biela con el cigüeñal para evitar que haya rozamiento entre ellos, para evitar perdidas de potencia y averias. Normalmente se fabrican de acero, revestidos de un metal antifricción conocido como metal Babbitt. Babbitt.  

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  Volante motor El volante motor es una pieza circular que ofrece una resistencia a ser acelerado o desacelerado. En el momento en que el motor no se acelera, es decir (fase de admisión, compresión y escape) se ha de mantener la velocidad del motor para que no haya una caída de rpm.  rpm. 

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DISPOSICIÓN DEL MOTOR

Ilustración de tres tipos de configuraciones: a: motor en línea (L), b: motor en (V), c: motor VR6.  VR6.  En V  En el motor en V los V los cilindros se agrupan en dos bloques o filas de cilindros formando una letra V que convergen en el mismo cigüeñal. En estos motores el aire de admisión es succionado por dentro de la V y los gases de escape expulsados por los laterales L y R En L El El  motor en línea( línea(L) normalmente disponible en configuraciones de 2 a 8 cilindros, 8 cilindros,   el motor en línea es un motor con todos los cilindros alineados en una misma fila, sin desplazamientos. Es el motor comúnmente más utilizado en automoción, con la configuración L4 ya que tiene como ventaja que es un motor bastante estable y sencillo. Cilindros en oposición Existen tres tipos diferentes de motores con cilindros en oposición, comúnmente referidos al término en inglés flat-cylind  flat-cylinder er engine: 1.  1.  el motor el motor bóxer, también bóxer, también conocido como el motor de cilindros horizontalmente opuestos, y 2.  2.  la V de 180º. 3.  3.  En aviación --Motor --Motor aeronáutico--se aeronáutico--se emplean motores de cilindros opuestos, pero desfasados y se busca que el fallo de un cilindro genere las menores vibraciones posibles. Forma radial o en estrella

 

En este grupo se encuentran dos tipos de motores, ambos con disposición radial de los cilindros: los motores de tipo  tipo radial radial   y los motores de tipo tipo  rotativo rotativo,, utilizados ambos principalmente en los motores de aviación y como motores estáticos. La diferencia entre ambos consiste en que los motores de tipo radial mantienen el bloque fijo, girando el cigüeñal en su interior, mientras que los de tipo rotativo, el cigüeñal permanece fijo y es el bloque entero el que gira. g ira. Forma de H También se encuentra la disposición la disposición en H, la H, la cual es una especie de hibridación de dos motores con cilindros en oposición con el uso de dos cigüeñales, quedando una bancada por encima de la otra que generan potencia para un solo eje de transmisión intermedio entre los dos ci cigüeñales. güeñales. Forma de W Otra disposición es en  en W que es una especie de doble V combinada en tres o cuatro bancadas de cilindros y un cigüeñal, que data de la década de 1920, y son usadas en algunos vehículos modernos del  del Grupo Volkswagen,  Volkswagen,  como el  el Audi A8,  A8,  el Volkswagen Touareg,  Touareg,  el el Volkswagen  Volkswagen Phaeton,   o el Bentley Phaeton, el Bentley Continental GT,  GT,  que llevan un W12; mientras que el el Bugatti  Bugatti Veyron tiene el W16. el W16.   CICLO DE OTTO El ciclo de Otto es el ciclo ideal para las máquinas reciprocantes de encendido por chispa. Recibe ese nombre en honor a Nikolaus A. Otto, quien en 1876, en Alemania, construyó una exitosa máquina de cuatro tiempos utilizando el ciclo propuesto por el francés Beau de Rochas en 1862. En la mayoría de las máquinas de encendido por chispa el émbolo ejecuta cuatro tiempos completos (dos ciclos mecánicos) dentro del cilindro, y el cigüeñal completa dos revoluciones por cada ciclo termodinámico. Estas máquinas son llamadas máquinas de combustión interna de cuatro tiempos. tiempos. Un diagrama esquemático de cada tiempo, así como el diagrama P-v para una máquina real de encendido por chispa de cuatro tiempos se presenta en la figura.

 

Inicialmente, tanto la válvula de admisión como la de escape están cerradas y el émbolo se encuentra en su posición más baja (PMI). Durante la carrera de compresión, el émbolo se mueve hacia arriba y comprime la mezcla de aire y combustible. Un poco antes de que el émbolo alcance su posición más alta (PMS), la bujía produce una chispa y la mezcla se enciende, con lo cual aumenta la presión y la temperatura del sistema. Los gases de alta presión impulsan al émbolo hacia abajo, el cual a su vez obliga a rotar al cigüeñal, lo que produce una salida de trabajo útil durante la carrera de expansión o carrera de potencia. Al final de esta carrera, el émbolo se encuentra en su posición más baja (la terminación del primer ciclo mecánico) y el cilindro se llena con los productos de la combustión. Después el émbolo se mueve hacia arriba una vez más y evacua los gases de escape por la válvula de escape (carrera de escape), para descender por segunda vez extrayendo una mezcla fresca de aire y combustible a través de la válvula de admisión ( carrera de admisión). Observe que la presión en el cilindro está un poco arriba del valor atmosférico durante la carrera de escape y un poco abajo durante la carrera de admisión. En las máquinas de dos tiempos, tiempos, las cuatro funciones descritas anteriormente se ejecutan sólo en dos tiempos: el de potencia y el de compresión. En estas máquinas el cárter se sella y el movimiento hacia fuera del émbolo se emplea para presurizar ligeramente la mezcla de aire y combustible en el cárter, como se muestra en la figura

El análisis termodinámico de los ciclos reales de cuatro y dos tiempos antes descritos no es una tarea simple. Sin embargo, el análisis puede simplificarse de manera significativa si se utilizan las suposiciones de aire estándar, ya que el ciclo que resulta y que es parecido a las condiciones de operación reales es el ciclo de Otto  Otto  ideal, el cual se compone de cuatro procesos reversibles internamente: 1-2 Compresión isentrópica 2-3 Adición de calor a volumen constante 3-4 Expansión isentrópica 4-1 Rechazo de calor a volumen constante La ejecución del ciclo de Otto en un dispositivo de émbolo y cilindro junto a un diagrama P-v se ilustra en la figura 9-13b). El diagrama T-s del ciclo de Otto se presenta en la figura El ciclo de Otto se ejecuta en un sistema cerrado, y sin tomar en cuenta los cambios en las energías cinética y potencial, el balance de energía para cualquiera de los procesos se expresa, por unidad de masa, como (qentrada – qsalida) - (w entrada entrada – w salida) salida) = u (kJ/kg)

 

No hay trabajo involucrado durante los dos procesos de transferencia de calor porque ambos toman lugar a volumen constante. Por lo tanto, la transferencia de calor hacia y desde el fluido de trabajo puede expresarse como q entrada =u 3 - u 2 =c v (T 3 - T 2) q salida = u 4 - u 1 =c v (T 4 - T 1) Entonces, la eficiencia térmica del ciclo de Otto ideal supuesto para el aire estándar frío es

Los procesos 1-2 y 3-4 son isentrópicos, y v 2 =v 3 y v 4 =v 1. 1. Por lo tanto,

Sustituyendo estas ecuaciones en la relación de la eficiencia térmica y simplificando, se obtiene

Donde

Que es la relación de compresión, compresión, y k es la relación de calores específicos cp /cv . Relación de compresión: La relación de compresión volumétrica  volumétrica   en un  un  motor de combustión interna es el número que permite medir la proporción en volumen, que se ha comprimido la mezcla de aire-combustible (Motor Otto) o el aire (Motor Diésel) dentro de la  la  cámara de combustión de un cilindro. un cilindro. Es  Es decir el volumen máximo o total (volumen desplazado más el de la cámara de combustión) entre el volumen mínimo (volumen de la cámara de combustión)  combustión)  CICLO DIESEL El ciclo Diesel es el ciclo ideal para las máquinas reciprocantes ECOM. El motor ECOM, por primera vez propuesto por Rudolph Diesel en la década de 1890, es muy similar al motor ECH estudiado en la última sección; la diferencia principal está en el método de inicio de la combustión. En los motores de encendido por chispa (conocidos también como motores de gasolina), la mezcla de aire y combustible se comprime hasta una temperatura inferior a la temperatura de autoencendido del combustible y el proceso de combustión se inicia al encender una bujía. En los motores ECOM (también conocidos como motores diesel ) el aire se comprime hasta una temperatura que es superior a la temperatura de autoencendido del combustible, y la combustión inicia al contacto, cuando el combustible se inyecta dentro de este aire caliente. Por lo tanto, en los motores diesel la bujía y el carburador son sustituidos por un inyector de combustible. En los motores de gasolina, una mezcla de aire y combustible se comprime durante la carrera de compresión, mientras que las relaciones de compresión están limitadas por el comienzo del autoencendido o el golpeteo del motor. En los diesel, solamente el aire se comprime durante la carrera de compresión, eliminando la posibilidad de autoencendido. Por lo tanto, los motores diesel pueden ser diseñados para operar a relaciones de compresión mucho más altas, generalmente entre 12 y 24. No tener el problema del autoencendido conlleva otro beneficio:

 

muchos de los exigentes requerimientos impuestos a la gasolina pueden ser eliminados, de manera que los combustibles menos refinados (y por lo tanto menos costosos) pueden utilizarse en los motores diesel. El proceso de inyección de combustible en los motores diesel empieza cuando el émbolo se aproxima al PMS y continúa durante la primera parte de la carrera de potencia. Por lo tanto, en estos motores el proceso de combustión sucede durante un periodo más largo. Debido a esta mayor duración, el proceso de combustión en el ciclo Diesel ideal se obtiene como un proceso de adición de calor a presión constante. De hecho, éste es el único proceso donde los ciclos de Otto y Diesel difieren. Los tres procesos restantes son los mismos m ismos para ambos ciclos ideales. Es decir, el proceso 1-2 es una compresión isentrópica, el 2-3 adición de calor a presión constante, el 3-4 una expansión isentrópica y el 4-1 un rechazo de calor a volumen constante. La similitud entre los dos ciclos es también evidente en los diagramas P-v y T -s del ciclo Diesel, mostrado en la figura:

Si se observa que el ciclo Diesel se ejecuta en un dispositivo de émbolo y cilindro, que forma un sistema cerrado, la cantidad de calor añadida al fluido de trabajo a presión constante y rechazada por éste a volumen constante puede expresarse como:

Entonces, la eficiencia térmica de un ciclo Diesel ideal bajo las suposiciones de aire estándar frío se vuelve

Ahora se define una nueva cantidad, la relación de corte de admisión rc, como la relación de los volúmenes del cilindro antes y después del proceso de combustión:

 

  Al usar esta definición y las relaciones de gas ideal isentrópicas para los procesos 1-2 y 3-4, la relación de la eficiencia térmica se reduce a

Donde r es la relación de compresión definida por la ecuación 9-9. Si se observa cuidadosamente la ecuación 9-12, se notará que bajo las suposiciones de aire estándar frío la eficiencia de un ciclo Diesel difiere de la de un ciclo de Otto por la cantidad que está entre paréntesis, la cual siempre es mayor que 1. Por lo tanto,

Bibliografía   Yunus Cengel, Michael A. Boles. (2011) Termodinámica. México The McGraw Hill(497-505) 

Standard 34 de ASHRAE Nomenclatura de los Gases Refrigerantes. La tabla de seguridad para los gases refrigerantes, se basa en la toxicidad y la inflamabilidad del gas La empresa DUPONT inventó este método y el uso público del sistema numérico para clasificar los gases fue autorizado en el año de 1956 y con el tiempo se volvió una norma utilizada por la industria. Posteriormente, ANSI y ASHRAE lo convirtieron en el Standard34.La tabla de seguridad para los gases refrigerantes, se basa en la toxicidad y la inflamabilidad del gas. La clasificacióndelatoxicidaddelosgasesestábasada enlosíndicesTLV/TWA. “TLV” (ThresholdLimitValue) Concentración máxima permisible, expresada en la exposición al gas en el orden de 8 a 12 hrs. por día, cinco días a la semana, durante 40años, y el TWA (Time-Weighted Average)  Average) Concentració ón n ponderada en el tiempo, expresada en horas por día. Los gases refrigerantes están clasificados en dos clases, dependiendo del tiempo máximo permisible en que una persona puede estar expuesta a éstos. La intención de este estándar es la de referirse, por un método simple, a los refrigerantes con números y letras, en vez de utilizar el nombre químico del gas, fórmula o marca

CAMARAS TERMOGRAFICAS

 

Una cámara térmica o térmica o cámara infrarroja  infrarroja es un dispositivo que, a partir de las emisiones de de infrarrojos  infrarrojos medios del espectro del espectro electromagnético de los cuerpos detectados, forma imágenes luminosas visibles por el ojo el ojo humano. Estas cámaras operan, más concretamente, con longitudes de onda en la zona del infrarrojo térmico, que se considera entre 3 µm 3  µm y 14 µm Todos los cuerpos emiten cierta cantidad de radiación de radiación de cuerpo negro (en forma infrarroja) en función de su temperatura. su temperatura.   Generalmente, los objetos con mayor temperatura emiten más radiación infrarroja que los que poseen menor temperatura. Las imágenes visualizan en una pantalla, una pantalla, y  y tienden a ser monocromáticas, porque se utiliza un sólo tipo de sensor de sensor que percibe una particular  particular  longitud de onda infrarroja. Muestran las áreas más calientes de un cuerpo en blanco y los menos en negro, y con matices grises los grados de temperatura intermedios entre los límites térmicos.