CICLOS IDEALES DE LOS MCI

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Máquinas Térmicas Cáp. IV

CICLOS IDEALES DE LOS MCI 4.1. INTRODUCCIÓN

Los ciclos ideales de los motores de combustión interna, la combustión juega un rol sumamente importante en el caso de los diferentes ciclos termodinámicos, de acuerdo que la sustancia de trabajo que participa en el proceso de combustión en los MCI.

Dentro de los Motores de Combustión Interna, bajo la consideraciones de los ciclos termodinámicos, donde en cada uno de los procesos fluye la sustancia de trabajo, comportándose como GAS IDEAL al AIRE, el análisis termodinámico de los MCI, bajo las consideraciones de un ciclo teórico, requiere de la transformación del cambio químico, ocurrido con la sustancia de trabajo, durante el proceso de combustión, esta suposición es admisible justificada por la relación de: Aire + Combustible = Gases de combustión.

Que determina las propiedades de la sustancia de trabajo.

Los ciclos ideales, han tomado como referencia el Ciclo de Carnot, este ciclo en su estudio termodinámico, es un ciclo ideal más perfecto imaginable, donde se obtiene la mayor cantidad de trabajo por calor agregado, pero en la práctica es inviable, pero el estudio de los ciclos termodinámicos, exige progresivos grados de aproximación en los parámetros termodinámicos próximos a los ciclos reales, es la primera aproximación sobre el cual se estructurara el desarrollo y metodología del análisis termodinámico.

En el estudio de los ciclos ideales de los Motores de Combustión Interna deberán cumplir condiciones que son muy importantes en los diferentes procesos como:

 Como en cada uno de los procesos termodinámicos lo que fluye es la Sustancia de Trabajo en todo el ciclo que será el aire comportándose como gas ideal, sin esta sustancia de trabajo difícilmente podrá ser un ciclo ideal.  El calor generado en la combustión se desarrollarse por la sustancia de trabajo Aire + Combustible = Gases de combustión, por medio de la reacción química exotérmica, además interviene el aporte calorífico de una fuente caliente externa culata caliente, cuando el motor entre en régimen de funcionamiento normal adquiriendo una temperatura normal.

 Las propiedades térmicas del aire como ser los calores específicos, el exponente isentrópico, constante del aire, permanecerán constantes en los diferentes procesos de los ciclos termodinámicos.

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Máquinas Térmicas  Las líneas descritas en los diferentes procesos, serán procesos a presión

constante, volumen constante, procesos isentrópicos, que no tendrán ninguna variación descrita en los diagramas de presión y volumen en los diferentes ciclos que estudiaremos posteriormente.

En los ciclos ideales no se tomarán en cuenta como ser:

 Las pérdidas de fricción en el sistema mecánico de los elementos que compone un Motor de Combustión Interna.

 Si el Ciclo termodinámico es un motor convencional, motor multiválvular, absolutamente no se consideraran por ser un ciclo ideal.

 Que la apertura y el cierre de las válvulas de admisión y escape, tomando en cuenta que el pistón se desplaza del PMS al PMI en un proceso, es decir no se tomaran en cuenta los grados de adelantos y retrasos.

 Que el sistema cilindro pistón es un sistema completamente hermético en los procesos no fluyentes del ciclo.

 La resistencia hidráulica que fluye la sustancia de trabajo durante el proceso de admisión, al llevar, filtro de aire, múltiple de admisión y otros elementos que interviene en el proceso de admisión.

Tomando en cuenta estas condiciones estudiaremos los ciclos ideales de los motores de combustión interna, tanto la parte teórica fundamentada y los cálculos termodinámicos, en consideraciones tanto del altiplano como en el llano.

 Ciclo Otto  Ciclo Diesel  Ciclo Dual o Mixto 4.2. CICLO OTTO

El ciclo Otto, es el ciclo ideal base para los motores a gasolina, la importancia de este ciclo radica en que es un ciclo teórico de los motores de combustión interna denominados como Ciclo Otto, encendido por chispa, que realiza la combustión a volumen constante, en este proceso la sustancia de trabajo capta mejor la naturaleza de la combustión, que prácticamente el desplazamiento del pistón es despreciable entre el (PMS-PMI), que tal velozmente se desarrolla la combustión en estos motores.

En el ciclo Otto la sustancia de trabajo se comporta como gas ideal, (aire + combustible = mezcla gaseosa), lo que determina que para un estado cualquiera del ciclo cumpla la condición de la ecuación de estado de los gases ideales como:

RT pV

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Máquinas Térmicas El ciclo Otto, es un motor que está constituido por el sistema cilindro – pistón, en el cual el pistón se mueve permanentemente en forma alternativa entre las posiciones del PMS al PMI, el desplazamiento está regido por un mecanismo llamado biela – manivela según el cual ese desplazamiento es llamado como carrera del pistón (s), y el diámetro del pistón (D) es el área de la cabeza del pistón.

En este acápite del ciclo Otto representamos los diagramas de:  Presión – volumen

 Temperatura - entropía

Estos diagramas representan a un motor de combustión interna atmosférico de 4 tiempos motor gasolina.

p V T S 1 2 3 4 0 1 2 3 4 a c q q  R q a c q q  R q Vc Vh PMI PMS Va Ve W q

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Máquinas Térmicas 4.2.1. PROCESOS DEL CICLO OTTO

Proceso de 0 – 1: Proceso de admisión.

 Proceso a presión y temperatura atmosférica constante.  El pistón se desplaza del PMS al PMI.

 Se admite la sustancia de trabajo (AIRE+COMBUSTIBLE) Los parámetros a determinar son:

 

3 2 m s D 4 Vh

 

3 k m 1 r Vh Vc  

 

3 1 Vc Vhm V  

 

Kg RT Vh p mh 0 0 

 

Kg RT ) Vc Vh ( p m 0 0  

 

Kg r mh mc c a 

Podemos considerar parámetros como la presión atmosférica y temperatura atmosférica, para los cálculos termodinámicos, considerando en sus condiciones de alimentación, tanto en el altiplano como en el llano:

Altiplano Llano

 

_      0 ₂ 1 m N 65300 bar 653 , 0 p p 1 0 

 

 5_ ₂_ m N 10 x 1 bar 1 p p

 

C 283

 

K 10 T T1 0 0  0 T T 20

 

C 293

 

K 0 0 0 1  

Proceso de 1 – 2: Proceso de compresión.

 Proceso isentrópico o adiabático a entropía constante.  El pistón se desplaza del PMI al PMS.

 Se comprime la sustancia de trabajo. Los parámetros a determinar son:

             ₂ K 2 1 1 2 m N V V p p ( K) V V T T 1 K 2 1 1 2         

 

J k 1 V p V p W1 2 2 2_ 1 1   

Proceso de 2 – 3: Proceso de combustión o explosión.  Proceso a volumen constante.

 El desplazamiento del pistón es despreciable entre su inicio y final.  El pistón permanece en el PMS.

 Se combustióna la mezcla de (AIRE+COMBUSTIBLE) Los parámetros a determinar son:

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Máquinas Térmicas

 

J HU m q q q23 a c c T

 

K mCv q T 2 c 3        2 2 3 2 3 m N T T p p

 

K J T T ln mCv S 2 3 3 2   

Proceso de 3 – 4: Proceso de expansión.

 Proceso isentrópico o adiabático a entropía constante.  El pistón se desplaza del PMS al PMI.

 Se expanden los gases quemados lo cual producen trabajo. Los parámetros a determinar son:

             ₂ K 4 3 3 4 m N V V p p ( K) V V T T 1 K 4 3 3 4         

 

J k 1 V p V p W3 4 4 4_ 3 3   

Proceso de 0 – 1: Proceso de calor rechazado.  Proceso a volumen constante

 El pistón permanece en el PMI.

 En este proceso se expulsan los gases quemados. Los parámetros a determinar son:

 

J ) T T ( mCv q q41 R 1 4

 

J _K T T ln mCv S 4 1 1 4    Cálculos finales

 

J q q qT  a R Wt W12W34

 

J

 

Kw 120000 ni W P t 100[% ] q W n a t t    2 t m m N Vh W p

4.2.2. ANÁLISIS TERMODINÁMICO DEL CICLO OTTO 4.3. CICLO DIESEL

En un MCI, un motor considerado encendido por la ignición del combustible, es decir encendido por compresión, donde la inyección del combustible se desarrolla desde una fuente exterior.

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Ese ciclo termodinámico Diesel se adecua a los motores de combustión interna de cuatro tiempos, que utilizan combustibles (Diesel), que queman lentamente a medida de que el pistón se va desplazando de manera que la combustión se va consumiendo de manera progresiva, debido a la característica fundamental del combustible, se asume que el fluido termodinámico es considerado al aire como un gas ideal, de manera que los gases de combustión van empujando el émbolo del pistón, expandiendo su volumen, mientras la presión en su interior queda la misma.

Estos motores son considerados también, motores Diesel de inyección directa, lo que da lugar que la combustión se desarrolla a presión constante.

p V T S 1 2 3 4 0 ₁ 2 3 4 a c q q  R q a c q q  R q Vc Vh PMI PMS Va Ve q W

Diagramas de p-V; T-S de un Motor Diesel de 4 tiempos atmosféricos. 4.3.1. PROCESOS DEL CICLO DIESEL

Proceso de 0 – 1: Proceso de admisión.

 Se admite la sustancia de trabajo (AIRE) Los parámetros a determinar son:

 

3 2 m s D 4 Vh

 

3 k m 1 r Vh Vc   V1VcVh

 

m3

 

Kg RT ) Vc Vh ( p m 0 0  

 

Kg r mh mc c a 

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Máquinas Térmicas Podemos considerar parámetros como la presión atmosférica y temperatura atmosférica, para los cálculos termodinámicos, considerando en sus condiciones de alimentación, tanto en el altiplano como en el llano:

 

_      0 ₂ 1 m N 65300 bar 653 , 0 p p  

 

 _ 2_ 5 0 1 m N 10 x 1 bar 1 p p

 

C 283

 

K 10 T T1 0 0  0 T T 20

 

C 293

 

K 0 0 0 1  

Proceso de 1 – 2: Proceso de compresión.

             ₂ K 2 1 1 2 m N V V p p ( K) V V T T 1 K 2 1 1 2         

 

J k 1 V p V p W1 2 2 2_ 1 1   

Proceso de 2 – 3: Proceso de combustión o explosión.  Proceso a presión constante.

 Se inyecta el combustible se produce la (AUTOINFLAMACION), La combustión se va consumiendo de manera progresiva a medida de que pistón se desplaza.

 El pistón se desplaza de una condición inicial a una condición final. Los parámetros a determinar son:

 

J HU m q q q23 a c c T

 

K mCp q T₃ c  ₂ 

 

3 2 3 2 3 m T T V V 

 

Kg r mh mc c a 

 

K J T T ln mCp S 2 3 3 2    W23p3(V3V2)

 

J

Proceso de 3 – 4: Proceso de expansión.

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Máquinas Térmicas ( K) V V T T 1 K 4 3 3 4                       ₂ K 4 3 3 4 m N V V p p

 

J k 1 V p V p W3 4 4 4_ 3 3   

Proceso de 0 – 1: Proceso de calor rechazado.  Proceso a volumen constante

 

J ) T T ( mCv q q41 R 1 4

 

J q q qt  a R WtW12W23W34

 

J

 

Kw 120000 ni W P t 100[% ] q W n a t       t ₂ m m N Vh W p

4.3.2. ANÁLISIS TERMODINÁMICO DEL CICLO DIESEL 4.4. CICLO DUAL

El ciclo dual, es un ciclo teórico Diesel que se aproxima a las actuaciones de un ciclo real, de los motores modernos rápidos encendidos por compresión, gracias a la inyección del combustible en un momento exacto que se produce la (auto combustión o auto inflamación de la mezcla), por las elevada presión de compresión.

Este ciclo Dual, es un ciclo que los suministros de calor se desarrollan en dos procesos, uno a volumen constante y el otro a presión constante, significa que tiene dos fases de combustión, una primera fase donde se inicializa la combustión a V=Cte, que luego una segunda fase donde termina la combustión de manera progresiva a p=Cte. Estos motores diesel tienen un sistema de alimentación de inyección indirecta, esto implica que es un motor diesel que tiene una precámara de combustión.

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Luego los otros procesos son procesos semejantes a las que se han considerado en los ciclos Otto y Diesel.

p V T S 1 2 3 5 0 1 2 3 4 4 3

q

_ R q 3 2 q_ R

q

Vc Vh PMI PMS Va Ve

q

3 2

q

_ 4 qcqaq23q34

W

4 3 q_ 5

Diagramas de p-V; T-S de un ciclo dual de 4 tiempos atmosféricos. 4.4.1. PROCESOS DEL CICLO DUAL

Proceso de 0 - 1 Proceso de admisión

 Se admite la sustancia de trabajo (AIRE) Los parámetros a determinar son:

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 

3 2 m s D 4 Vh

 

3 k m 1 r Vh Vc   V1VcVh

 

m3

 

Kg RT ) Vc Vh ( p m 0 0  

 

Kg r mh mc c a 

Podemos considerar parámetros como la presión atmosférica y temperatura atmosférica, para los cálculos termodinámicos, considerando en sus condiciones de alimentación, tanto en el altiplano como en el llano:

 

_      0 ₂ 1 m N 65300 bar 653 , 0 p p  

 

 _ 2_ 5 0 1 m N 10 x 1 bar 1 p p

 

C 283

 

K 10 T T1 0 0  0 T T 20

 

C 293

 

K 0 0 0 1  

Proceso de 1 – 2 Proceso de compresión

             ₂ K 2 1 1 2 m N V V p p ( K) V V T T 1 K 2 1 1 2         

 

J k 1 V p V p W1 2 2 2_ 1 1   

Proceso de 2 – 3 Proceso primera fase de la combustión  Proceso a volumen constante.

 Se inicializa la combustión a gracias a la inyección del combustible Diesel.  El desplazamiento del pistón es despreciable entre su inicio y final.

 Permanece en el PMS.

 Se inicializa la combustión a gracias a la inyección del combustible Diesel.  Considerar la relación de presión según M.S. Jovaj y Lukanin establecen:

2 , 2 2 , 1   

Los parámetros a determinar son:

 

J HU m q qa c  c p3 p2N_m2

 

K p T p T 2 2 3 3  

 

c c a Kg r mh mc

 

J ) T T ( mCv q23 3 2

 

J _K T T ln mCv S 2 3 3 2   

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Máquinas Térmicas Proceso de 3 – 4 Proceso segunda fase de la combustión

 Proceso a presión constante.

 La combustión se va consumiendo de manera progresiva a medida de que pistón se desplaza, lo cual completa la combustión.

 El pistón se desplaza. Los parámetros a determinar son:

 

J q q qa 23 34 q34qaq23

 

J T

 

K mCp q T 3 4 3 4    

 

3 3 4 3 4 m T T V V 

 

J _K T T ln mCp S 3 4 4 3    _ W34p4(V4V3)

 

J

Proceso de 4 – 5 Proceso de expansión

             ₂ K 5 4 4 5 m N V V p p ( K) V V T T 1 K 5 4 4 5         

 

J k 1 V p V p W4 5 5 5_ 4 4   

Proceso de 5 – 1 Proceso de calor rechazado  Proceso a volumen constante

 

J ) T T ( mCv q q51 R 1 5

 

J q q q_t _a _R W_tW₁_₂W₃_₄W₄_₅

 

J

 

Kw 120000 ni W P t % 100 * q W n a t  _m t _ ₂_ m N Vh W p