Tecnología Energética y Medio Ambiente II

de los aspectos normativos y de legislación estatal y europea, sin entrar a analizar en detalle los aspectos relacionados con la preservación, la contaminación en sus diversos aspectos y la eliminación de fuentes de riesgos.

En cuanto a la tecnología energética, pretende dar a cono-cer las diferentes fuentes de energía, los combustibles, la combustión como fuente de obtención de energía térmica y su utilización para la obtención de energía mecánica y eléc-trica mediante las máquinas térmicas directas (motores de combustión interna, turbinas de gas y turbinas de vapor), las máquinas inversas o de refrigeración, así como la obtención conjunta de calor y electricidad mediante la utilización de la cogeneración.

Asimismo, se introducen las energías alternativas y, entre ellas, la energía solar.

Para el seguimiento correcto de esta publicación se requieren conocimientos de termodinámica en sus aspectos básicos y de aplicación. Ello implica conocer los principios de la ter-modinámica y de las magnitudes utilizadas (entalpía, energía interna, entropía,…) y el planteamiento de balances de ener-gía, entropía y exergía en todo tipo de dispositivos. Asimismo, es conveniente conocer los diagramas termodinámicos y las tablas de propiedades termodinámicas, y su manejo.

Yolanda Calventus, Doctora en Ciencias Físicas por la UAB, y Pere Colomer, Doctor Ingeniero Industrial por la UPC, son profesores titulares del Departamento de Máquinas y Motores Térmicos (MiMT) en la Escola Tècnica Superior d’Enginyeries Industrial i Aeronàutica de Terrassa (ETSEIAT). Su línea in-vestigadora se centra en el campo del análisis térmico de los materiales.

Ramon Carreras, Doctor en Ciencias Químicas por la UB, es catedrático de universidad del área de MiMT de la UPC. Su la-bor investigadora se centra en el campo de los combustibles y la combustión aplicada a los motores y equipos térmicos. Miquel Casals y Xavier Roca, Doctores Ingenieros Industriales por la UPC, pertenecen al Departamento de Ingeniería de la Construcción de la ETSEIAT. Han realizado diversos trabajos de investigación en el campo de la construcción industrial. Miquel Costa y Assensi Oliva son profesores del Departamen-to de MiMT e investigadores del CTTC de la UPC. Su línea de investigación se centra en la simulación numérica y la con-trastación experimental de fenómenos de transferencia de calor y masa, y su aplicación al diseño de equipos y sistemas térmicos.

Salvador Montserrat, Doctor en Ciencias Químicas, es ca-tedrático del Departamento de MiMT de la UPC y profesor de Ingeniería Termodinámica y Tecnología Energética en la ETSEIAT. Su campo de investigación se centra en el estudio de transiciones y relajaciones en materiales termoplásticos y termoestables.

Manel Quera, Ingeniero Químico por el IQS y Doctor Ingeniero Industrial por la UPC, es profesor titular del Departamento de MiMT en la ETSEIAT. Su labor investigadora se centra en el campo de la refrigeración y la climatización.

Antoni Jaén, Ingeniero Industrial por la UPC, es profesor asociado del Departamento de Ingeniería de Sistemas Indus-triales del área de MiMT de la Universidad Miguel Hernández de Elche.

Tecnología energética y medio ambiente - II

Calventus - Carreras - Casals

Colomer - Costa - Jaén

Montserrat - Oliva - Quera - Roca

9 788483 018491

Y. Calventus - R. Carreras

M. Casals - P. Colomer - M. Costa

A. Jaén - S. Montserrat - A. Oliva

M. Quera - X. Roca

Tecnología energética

y medio ambiente - II

Tecnología energética

y medio ambiente - II

Y. Calventus - R. Carreras

M. Casals - P. Colomer - M. Costa

A. Jaén - S. Montserrat - A. Oliva

M. Quera - X. Roca

Tecnología energética

y medio ambiente - II

Primera edición: febrero de 2006

Diseño de la cubierta: Jordi Calvet © los autores, 2006 © Edicions UPC, 2006

Edicions de la Universitat Politècnica de Catalunya, SL Jordi Girona Salgado 31, 08034 Barcelona

Tel.: 934 016 883 Fax: 934 015 885 Edicions Virtuals: www.edicionsupc.es E-mail: [email protected] Producción: Ediciones Gráficas Rey

C/ Albert Einstein, 54 C/B Nau 15 08940 Cornellà de Llobregat Depósito legal: B-6404-2006

ISBN: 84-8301-849-7

san-Presentación

Esta publicación pretende que el alumno de la asignatura Tecnología energética y medio ambiente dis-ponga de unos apuntes, así como de problemas resueltos, propuestos y bibliografía, para poder seguir de forma semipresencial el aprendizaje de la materia.

La publicación, de carácter tecnológico, consta de dos partes claramente diferenciadas: medio ambiente (1,6 créditos) y tecnología energética (4,4 créditos).

Para el correcto seguimiento de esta publicación, se requiere un conocimiento de la Termodinámica en sus aspectos básicos y de aplicación. Ello implica un conocimiento de los principios de la Termodiná-mica y de las magnitudes utilizadas (entalpía, energía interna, entropía,…) y el planteamiento de balan-ces de energía, entropía y exergía en todo tipo de dispositivos. Asimismo, es conveniente el conoci-miento de los diagramas termodinámicos y de las tablas de propiedades termodinámicas y su manejo. Posteriormente se indicarán aquellas fuentes bibliográficas y otros tipos de aportaciones que pueden ser de interés para el repaso de estos conocimientos.

Índice

Presentación...

7

Índice ...

9

Módulo 4 Máquinas térmicas directas

Introducción y objetivos del módulo

1

Motores alternativos de combustión interna

1.1 Introducción ...15

1.2 Características comunes de los motores alternativos de combustión interna...16

1.2.1 Características dimensionales fundamentales ...17

1.2.2 Características constructivas fundamentales ...21

1.2.3 Características operativas...24

1.2.4 Características efectivas ...25

1.3 Curvas características de un motor ...29

1.4 Exigencias y procedimientos de regulación de los MACI ...34

1.4.1 Modos de regulación del par ...34

1.4.2 La alimentación del motor de encendido por chispa (Otto) ...36

1.4.3 La alimentación del motor Diesel ...40

1.5 La renovación de la carga ...41

1.5.1 Sistemas de control ...42

1.6 Predicción teórica y análisis experimental del rendimiento de los MACI. ...45

1.6.1 Ciclos típicos de referencia de los motores de combustión interna ...46

1.6.2 Magnitudes indicadas...55

1.7 Emisiones contaminantes de los MACI ...56

2

Ciclos de potencia con turbinas de vapor

2.1 Esquema general de una instalación con turbina de vapor...59

2.2 Ciclo de Rankine. Representación en los diagramas T-s y h-s ...61

2.3 Principales transferencias de calor y trabajo. Rendimiento térmico ...65

2.4.1 Efecto de la presión del condensador...71

2.4.2 Efecto de la presión de la caldera...71

2.4.3 Efecto de la temperatura del vapor vivo...72

2.5 Efecto de las irreversibilidades ...73

2.6 Modificaciones del ciclo de Rankine ideal ...77

2.6.1

El ciclo de Rankine ideal de recalentamiento ...77

2.6.2 Ciclo de Rankine ideal regenerativo ...81

3

Turbinas de gas

3.1 Introducción ...91

3.2 Ciclo de Brayton de aire estándar ...94

3.3 Principales transferencias de calor y trabajo ...96

3.4 Análisis de los parámetros que influyen en el rendimiento de turbinas de gas Trabajo máximo y rendimiento máximo...98

3.5 Ciclo real de Brayton. Efecto de las irreversibilidades ...104

3.6 Modificaciones del ciclo de Brayton ideal...110

3.6.1 Ciclo regenerativo ideal ...110

3.6.2 Turbina de gas con recalentamiento y refrigeración ...115

3.7 Aplicaciones...121

3.7.1 Turbina de gas para propulsión aérea...121

3.7.2 Ciclo combinado ...122

Ejercicios de MACI...

125

Ejercicios de turbinas de vapor y turbinas de gas ...

133

Bibliografía ...

139

Módulo 5 Cogeneración

Introducción y objetivos del módulo

1

Concepto de cogeneración: Ventajas e inconvenientes ...

143

2

Situación de la cogeneración en España y en Catalunya ...

149

3

Mapa energético de un centro consumidor. ...

Criterio de selección de tamaño...

155

4

Tecnologías utilizadas: MACI, turbinas de gas, turbinas de vapor. Comparación

4.1 Tipos de instalaciones con turbina de vapor ...160

4.1.1 Turbina de vapor de condensación...161

4.1.3 Turbina de condensación y extracción ...167

4.1.4 Turbina de contrapresión y turbina de condensación...168

4.1.5 Turbina de cabecera ...169

4.1.6 Turbina de contrapresión y de condensación con extracción...170

4.1.7 Turbina con válvula de vapor de sobrecarga...170

4.1.8 Turbo-alternador en paralelo con la red ...171

4.2 Tipos de instalaciones con turbina de gas ...172

4.2.1 Ciclos simples y modificaciones. Postcombustión. Caldera de recuperación...174

4.2.2 Ciclos combinados ...181

4.2.3 Ciclo con inyección de vapor (ciclo de Cheng) ...183

4.3 Instalaciones con MACI...185

5

Criterios de eficiencia en cogeneración

5.1 Rendimiento eléctrico ...189

5.2 Rendimiento de generación de calor de proceso ...189

5.3 Factor de utilización de la energía (FUE) ...189

5.4 Rendimiento eléctrico artificial y equivalente ...190

5.5 Consumo específico de combustible (CEC)...191

5.6 Ahorro de combustible ∆F e índice de ahorro de energía primaria (IAEP) ...191

5.7 Relación calor-electricidad (RCE) ...191

5.8 Rendimientos energéticos ...191

5.8.1 Rendimiento exergético eléctrico...191

5.8.2 Rendimiento exergético del calor útil ...192

5.8.3 Rendimiento exergético global (FUEX) ...192

Ejercicios ...

195

Bibliografía ...

215

Módulo 6 Máquinas frigoríficas

Introducción y objetivos del módulo

1

Introducción a las máquinas frigoríficas ...

219

2

Sistemas de producción de frío ...

221

3

Ciclo inverso de Carnot...

225

4

Irreversibilidades y limitaciones del ciclo inverso de Carnot

4.1 Ciclo de Carnot con gas ...229

5

Refrigeración por compresión de gas (ciclo inverso de Brayton)

5.1 Conclusiones del ciclo de refrigeración de Brayton...235

5.2 Variantes del ciclo de refrigeración de Brayton...235

5.2.1 Ciclo inverso de Brayton con regenerador ...235

5.2.2 Ciclo de refrigeración abierto de Brayton ...236

6

Refrigeración por compresión de vapor (ciclo inverso de Rankine)

6.1 Refrigerantes ...243

7

Refrigeración por absorción ...

249

Apéndice. Refrigerantes...

253

Ejercicios ...

257

Módulo 4

Máquinas térmicas directas

Ramon Carreras Yolanda Calventus Salvador Montserrat Pere Colomer

Introducción y objetivos del módulo

Al finalizar el estudio de este módulo el estudiante ha de ser capaz de:

• Conocer los procesos fundamentales de funcionamiento de un motor alternativo así como sus clasificaciones (tipo de encendido y número de tiempos).

• Conocer la descripción de un motor alternativo en sus diversos componentes. • Conocer los tipos de ciclos teóricos que se utilizan: Otto, diésel, mixto.

• Conocer los parámetros característicos: presión media, rendimientos, consumo específico, po-tencias, curvas características, etc.

• Tener un somero conocimiento respecto a los sistemas de alimentación y encendido, refrigera-ción y lubricarefrigera-ción.

• Conocer el funcionamiento general de una central térmica que opere con turbina de vapor. • Conocer el ciclo de Rankine así como las principales transferencias de calor y trabajo y la

de-terminación de un rendimiento térmico.

• Conocer aquellas modificaciones básicas del ciclo de Rankine que permitan la mejora del ren-dimiento: presión de la caldera, presión del condensador, temperara máxima del vapor.

• Conocer los ciclos modificados con recalentamientos y regenerativos y su efecto sobre el ren-dimiento térmico.

• Conocer el ciclo real y analizar las posibles irreversibilidades y sus efectos.

• Conocer brevemente el tipo de turbinas de vapor y algunas de sus características: turbinas de acción y de reacción, axiales, radiales y mixtas.

• Conocer el esquema básico en una turbina de gas y sus componentes.

• Conocer el ciclo de Joule o de Brayton estándar de aire, las principales transferencias de calor y trabajo y la determinación de su rendimiento.

• Conocer cómo afectan al trabajo y al rendimiento parámetros tales como la relación de presio-nes, la relación isentrópica de temperaturas,…

• Conocer las modificaciones básicas del ciclo de Brayton en cuanto a recalentamientos y en-friamientos intermedios y el ciclo regenerativo.

• Conocer el ciclo real, la existencia de irreversibilidades y su efecto. • Conocer brevemente el ciclo combinado y su utilización.

• Conocer otros ciclos tales como el ciclo Ericson y Stirling, sus ventajas e inconvenientes, su aplicabilidad actual y futura.

• La resolución de problemas numéricos en los ciclos aplicados a MACI, turbina de gas y de va-por, con determinación de las transferencias de calor, potencia, rendimiento térmico y si es po-sible irreversibilidades.

1 Motores alternativos de combustión interna

1.1 Introducción

Los motores de combustión interna de uso más extendido son los motores alternativos de cuatro o de dos tiempos en sus versiones diésel (encendido por compresión) y otto (encendido por chispa). No tan sólo son los típicos motores utilizados en automoción y en maquinaria para obras y servicios, sino que también los hallamos mayoritariamente en la propulsión naval y en propulsión aérea ligera y en compe-tencia con otros motores en plantas generadoras eléctricas, en tracción ferroviaria y en el accionamiento de máquinas de muy diversa índole. Debido a su mayoritaria presencia, merece que se les dedique en esta asignatura un tema monográfico que aborde las características principales de los motores alternati-vos de combustión interna.

Se supone que el alumnado conoce ya los principios operativos básicos de estos tipos de motores otto (encendido provocado por chispa) y diesel (encendido por compresión), sin embargo alguna de sus ca-racterísticas se reconsiderarán con el objetivo de insistir en su importancia conceptual. A modo de re-sumen se incluyen en la tabla 4.1 sus características más destacables.

La adaptación del diseño del motor a las diferentes exigencias derivadas de su principio operativo y de su campo de aplicación conduce a distintas soluciones. Soluciones que a su vez sirven como criterios para denominar/clasificar los motores otto y diésel. Así, se pueden clasificar según:

• Aplicación: transporte, automóvil, motocicleta, propulsión naval y aérea. Motores estacionarios (generadores), etc.

• Nº de cilindros: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, etc.

• Disposición de los cilindros: línea, boxer , V, V abatida a 180°, VR, W, H, estrella, etc. • Bielismo: émbolo buzo, cruceta, pistón rotativo (Wankel), etc.

• Tipo de combustible: gasolina, GLP, gasóleos (diésel o fuel), GN (gas natural), GNC (gas natu-ral comprimido), alcoholes, hidrógeno, etc.

• Tipo de combustión: carga homogénea (otto), carga estratificada, carga heterogénea (diésel). • Sistema de ignición: provocada por chispa (otto) o por compresión (diésel).

• Ciclo de trabajo: 2 tiempos (360° ciclo/cilindro), 4 tiempos (720° ciclo/cilindro). • Admisión aire: aspirado o atmosférico, sobrealimentado.

• Admisión del combustible: carburación, inyección de baja presión (monopunto, multipunto), inyección a alta presión: directa o indirecta (diesel). Gasolina. Mezcladores dosificadores (GLP).

• Control de la carga: cuantitativa (otto, por estrangulamiento) o cualitativa (diésel, dosificador). • Sistema de control de ignición (avance): mecánico o electrónico

• Válvulas: 2, 3, 4, 5,… válvulas por cilindro.

• Accionamiento distribución: árbol de levas lateral, árbol de levas en culata (OHVC), árbol de levas doble. Accionamiento hidráulico, árbol de levas variable.

• Geometría espacio combustión: cámara hemisférica, tejado (pentroof), conformada en el émbo-lo (Heron, MAN,…)

• Sistema refrigeración: agua, aire, aceite,…

Tabla 4.1 Principio operativo, características fundamentales, aplicaciones típicas, estado de desarrollo y características de actuación de los motores Otto y Diesel

DENOMINAC. CARACTERISTICAS APLICACIONES I + D _{Pe y} ηe % Motor Otto (encendido provocado por chispa 2T y 4T )+ Motor Wan-kel

Combustible: Gasolina, GLP, gas

natural, metanol (...H2), premezclado con aire.

Mecanismo:

• alternativo (émbolo buzo) monoci-líndrico o policimonoci-líndrico (línea, V, VL, W, boxer, estrella...) • rotativo volumétrico.

Regulación: cuantitativa por

estran-gulamiento del aire.

Ciclo: 4 tiempos en grandes y 2

tiempos en pequeños.

Ha facilitado la extensión de la automoción y del transporte por carretera.

Automóvil, motocicleta, náutica y aeronáutica (turismo).

Pequeño motor estaciona-rio (generador eléctrico, auxiliar, bomba, motosie-rra). Activa. Minimizar consumos y emisio-nes contaminantes. Control Electrónico. Conversión de parámetros de dise-ño en variables de control. 1÷500 kW 25÷35% Motor Diesel (encendido por compresión 2T y 4T), diésel gas y dual

Combustible: Gasóleo, fuelóleo, gas

(+ dual).

Mecanismo: alternativo (pequeños:

émbolo buzo, grandes con cruceta) monocilíndrico o policilíndrico (línea, V, pistones opuestos).

Regulación: cualitativa por corte en

suministro del combustible.

Ciclo:4 tiempos en pequeños y 2

tiempos en grandes. Normalmente sobrealimentado.

Incide en el transporte industrial por carretera, marítimo y ferroviario

(locomotora diésel-eléctrica). Desplaza a la turbina de vapor en pro-pulsión naval.

Estacionario: Central eléctrica, grupos electró-genos, aplicación indus-trial, cogeneración. Activa. Minimizar emisiones NOx y humos. Control electrónico. Motores ID para automóvil turismo. Desarrollo de 2T pequeños. Grandes. 2T: barri-do uniflujo y extra-largos. Uso de combustibles de baja calidad. 10÷40000kW 35÷51%

1.2 Características comunes de los motores alternativos de combustión interna

La solución de convertir el trabajo de expansión de los gases en par motor en un eje aprovechando el sistema émbolo-cilindro-biela-manivela la hallamos en motores de combustión interna que operan con distintos procedimientos: otto o diésel, 2 tiempos, 4 tiempos... sin embargo existen en ellos algunas características comunes que resulta ventajoso tratar unitariamente. Las características del motor se pue-den dar desde distintos puntos de vista.

De estas características podemos citar: • características dimensionales, • características constructivas, • características operativas, • características efectivas.

Se analizarán a continuación por separado.

1.2.1 Características dimensionales fundamentales

En la figura 4.1 se esquematiza el mecanismo básico de la mayoría de MACI: émbolo cilindro-biela-manivela, y junto a ella se resumen algunas de las características dimensionales fundamentales.

Fig. 4.1 Caracterización geométrica de un motor alternativo con émbolo buzo centrado.

Referencias posicionales

PMS, PMI: punto muerto superior y punto muerto inferior respectivamente. Como su nombre indica,

designan las posiciones extremas del recorrido del émbolo. En el ciclo motor de 4 tiempos habrá que diferenciar entre el PMS de admisión (a partir de él el émbolo desciende aspirando la carga fresca) y el PMS de combustión, (el émbolo desciende expansionando los gases resultantes de la combustión) y entre el PMI de inicio de compresión y el PMI de fin de expansión.

Para cálculos, el origen angular es habitual referirlo al PMS de admisión. Sin embargo, en algoritmos numéricos, puede ser conveniente hacer coincidir el origen con el PMI de inicio de compresión. La determinación del PMS tiene interés en la obtención experimental de las magnitudes indicadas de forma precisa. Existen diferentes técnicas para su determinación, e incluso se comercializan equipos para este menester que se fundamentan en el uso de un sensor de proximidad.

diámetro πd2 V_d (= s = V_PMI - V_PMS) PMS PMI s (= 2r) carrera l r V_PMI d _{relación carrera/diámetro κ = s/d} cilindrada unitaria relación manivela/biela

relación volumétrica de compresión

VPMS 4 λ = r/l ε = =_VVPMI PMS V_d + V_PMS V_PMS

Referencias lineales

La dimensión lineal de referencia más importante en los motores alternativos es el diámetro del cilindro

d. En los análisis dimensionales y en cuestiones de semejanza el diámetro del cilindro es la dimensión

empleada para definir el tamaño de un motor.

La carrera s representa la distancia entre el punto muerto superior (PMS) y el punto muerto inferior (PMI). Esta magnitud, junto con el diámetro del cilindro, define la cilindrada unitaria del motor. La longitud de la biela l se mide del centro de la cabeza al centro del pie (Fig. 4.2). El radio de

manive-la r corresponde al radio del codo del cigüeñal.

r

l

Cabeza

Pie

Biela

Cigüeñal

Fig. 4.2 Biela y cigüeñal de un motor de tipo automoción

Referencias volumétricas

El volumen de la cámara combustión corresponde al VPMS. Cabe señalar que este volumen de la cámara

de combustión (constante) no coincide con el volumen del espacio de combustión (variable) y que será el delimitado por la corona del émbolo, el cilindro y la culata y que, por tanto, dependerá de la posición angular. El volumen máximo VPMI corresponderá al existente cuando el émbolo se halla en su PMI.

La cilindrada unitaria (geométrica) Vd,1 de un motor corresponde al volumen desplazado por el émbolo

al moverse entre el PMS y el PMI (Fig. 4.1) y es una medida de la capacidad de aspiración del cilindro. La cilindrada total de un motor policilíndrico resulta de multiplicar la cilindrada unitaria por el número

z de cilindros del motor.

V

_d

=

V

_d,1

⋅

z

La relación volumétrica de compresión o relación de compresión (ε) se define como la relación entre el volumen máximo y el volumen mínimo (Fig. 4.1). Tal como se justificará más adelante, en todos los MACI el rendimiento aumenta si la relación de compresión aumenta; no obstante, la pendiente (dη/dε)

resulta que cada vez es menor, por lo que llega un momento (ε≈18) a partir del cual carece de interés seguir aumentando la relación de compresión con la finalidad de aumentar el rendimiento. Los valores de la relación de compresión habituales en la actualidad dependen del tipo de proceso motor. A veces esta relación se indica como ε:1.

En el motor de encendido por chispa (otto), interesa que la relación de compresión, dentro de lo viable, sea lo mayor posible ya que ello conduce a mejores rendimientos; sin embargo, su valor viene limitado por el fenómeno del picado. La relación de compresión máxima admisible depende sobre todo del octa-naje de la gasolina disponible en el mercado y se sitúa aproximadamente en ε ≈ 10.

En el motor de encendido por compresión (Diesel) la elección de la relación de compresión viene im-puesta por criterios térmicos: ésta debe ser suficiente para que la temperatura alcanzada por el aire comprimido en el cilindro sea la precisa para inflamar el gasóleo inyectado. Así en los motores Diesel de inyección directa sobrealimentados se opera a ε ≈ 12 mientras que en los pequeños Diesel a inyec-ción indirecta a ε ≈ 22.

Relaciones entre dimensiones lineales Carrera/diámetro (s/d = κ)

Una de las características geométricas del cilindro es la relación entre la carrera del émbolo y el diáme-tro del cilindro. Se designará mediante _κ = s/d.

Se denomina motor cuadrado aquel cuya carrera es igual al diámetro. Será alargado si s>d y

supercua-drado si s<d. Los motores de encendido por chispa suelen ser más cuasupercua-drados que los Diesel. La

rela-ción s/d tiene un límite inferior impuesto en parte por el paso de la biela por la falda del émbolo. Los grandes motores diesel de 2 tiempos presentan en la actualidad un diseño superalargado.

El hecho de diseñar un cilindro motor más o menos cuadrado tiene una serie de consecuencias a veces contrapuestas. El diseño final será una solución de compromiso que satisfaga las diferentes especifica-ciones y sus prioridades.

Al ser la velocidad media del émbolo uno de los criterios definitorios de las solicitaciones mecánicas del motor, para igual cilindrada e igual velocidad media del émbolo, la disminución de la carrera a base de aumentar el diámetro, permite operar a mayor rpm, con lo que se puede conseguir mayor potencia máxima. Correspondientemente: un diseño cuadrado, para igual rpm, operará a menores velocidades medias del émbolo.

El aumento del diámetro relativo proporciona más espacio para ubicar las válvulas, por tanto mayor sección de paso y menor pérdida de carga lo que mejora la capacidad de aspiración o rendimiento

volu-métrico del motor.

En cambio, si el motor es más alargado, su cámara de combustión es más compacta y permite una com-bustión más rápida en el motor otto y resulta más adecuada para tolerar relaciones de compresión más elevadas sin picar. El análisis de algunas de las consecuencias derivadas de una modificación de la rela-ción s/d pone de manifiesto que la elecrela-ción correcta deberá basarse en el establecimiento de unas prio-ridades (consumo, potencia, emisiones de contaminantes...) ya sea en una experiencia previa y en exten-sos ensayos experimentales o bien en el uso de un buen modelo de simulación numérica completada con unos ensayos de prototipos (diseño orientado por ordenador).

El motor Diesel en general suele ser bastante más alargado que el motor Otto.

Radio manivela/longitud biela λ

La segunda relación dimensional fundamental es la relación entre el radio de manivela y la longitud de biela:

2

r

s

l

l

λ = =

(4.1)

Obsérvese que esta relación en principio (salvo interferencia entre los elementos) es independiente de la relación carrera/diámetro. Sin embargo, en los motores de émbolo buzo, el paso de la biela y del con-trapeso del cigüeñal por la falda del émbolo obliga a darle una longitud mínima. Ello se pone de mani-fiesto en la figura 4.3

En construcciones más modernas y ligeras, el valor de la bajofalda del émbolo puede llegar a ser de 0,3·d.

Fig. 4.3 Interferencia del contrapeso con la falda del émbolo para un diámetro de muñón de 0,6 d

Las consecuencias de la variación de _λ son también cinemáticas y dinámicas, pues de ella depende la posición angular _θ correspondiente a la máxima velocidad del émbolo.

Otro efecto relacionado con la relación biela/manivela es el aumento de la componente normal al cilin-dro fuerza lateral al disminuir la longitud relativa de biela tal como se esquematiza en la figura 4.4.

s 0.3 d f *d d Posición en PMI s=2r l 0.6 d

Fig. 4.4 Fuerza lateral para igual fuerza neta y para un mismo ángulo de giro de cigüeñal pero con diferentes longitudes relativas de biela

1.2.2 Características constructivas fundamentales

Tipos constructivos de los MACI

Por razones de regularidad de marcha, equilibrado y también por razones económicas y de relación peso/potencia, es habitual el uso de más de un cilindro motor actuando sobre el mismo eje.

Con ello tenemos, además del motor monocilíndrico, el bicilíndrico y en general, los motores

policilín-dricos.

En los motores policilíndricos, las disposiciones de los cilindros pueden ser también variadas: en línea, en boxer (línea con cilindros alternativamente abatidos a 180°) en V, en W, en H en X, en ∆ y en

estre-lla. Algunas de ellas aparecen en la tabla 4.2 basada en la norma DIN 1940.

La configuración final del motor también dependerá del tipo de solución adoptada en los sistemas de

distribución (válvulas, lumbreras,...), en los de refrigeración (agua, aire), en los de alimentación

(car-buración, inyección), en los de encendido (espontáneo, por chispa: magneto, inducción, condensador...). La unidad básica de los motores alternativos la constituye el cilindro unitario. Esta unidad no tan sólo sirve para el desarrollo de un nuevo motor sino también para configurar un motor policilíndrico que satisfaga las necesidades de potencia de una aplicación determinada.

Por ello pasamos a analizar las características dimensionales, constructivas y de operación en función del cilindro unitario.

Tabla 4.2 Formas constructivas de los motores alternativos de combustión interna, según norma DIN 1940.

Motor descentrado

Biela articulada para V, estrella, etc.

(maestra+bieleta) Bielas adyacentes Biela en horquilla Motor en H y en líneas de H Motor normal biela-manivela Motor de varias estrellas Motor en estrella Motor en V Motor (boxer) cilindros opuestos Motor en V y en líneas de V Motor de contraémbolo Motor con émbolos en U Motor compound Motor vertical Motor horizontal Motor suspendido Motor en línea Motor de doble línea Motor de simple efecto Motor de doble efecto Motor con émbolo buzo Motor de doble émbolo Motor con cruceta

Número y disposición de cilindros: influencia sobre peso y volumen del motor

La intuición nos podría llevar a pensar que para aumentar la potencia de un motor bastaría con aumentar su cilindrada unitaria. Sin embargo, esta solución basada en aumentar las dimensiones de sus cilindros conlleva un deterioro de la relación peso/potencia del motor. Ello se debe al hecho de que en motores mecánicamente semejantes1 _{la masa del motor aumenta con d}3 _{mientras que la potencia lo hace con d}2_.

1_{Es decir, geométricamente semejantes + construidos con iguales materiales igualmente solicitados mecánicamente, (lo que implica: igual} velocidad media del émbolo e igual presión media de trabajo).

Para mostrar esta tendencia se han tomado las características de diferentes modelos de motores indus-triales de igual número de cilindros (6) comercializados por un mismo fabricante (MAN). Todos ellos son de una misma generación (1980) y por tanto de tecnología similar.

Si con los datos de estos motores se representan gráficamente las correspondientes relaciones pe-so/potencia en función del diámetro del cilindro se ve el marcado aumento de peso (masa) por potencia asociado al aumento del diámetro (Fig. 4.5)

0 10 20 30 d [cm] kg/kW corrección Pe a igual pme = 14.15 bar

Motores Diesel 6 cil MAN 4t

: m_Pmotor

e d

RECTA ∝

10 20 30 40

Fig. 4.5 Relación peso/potencia en función del diámetro del cilindro en una serie de motores Diesel industriales de seis cilindros MAN (1980)

El fabricante, con el fin de que su producto no se vea tan afectado por esta tendencia, consiguió hacer trabajar los motores de mayor cilindrada unitaria a presiones medias más elevadas. Si todos ellos opera-sen a la misma presión que el de referencia (14.15 bar), el empeoramiento todavía sería más notable (curva superior), coincidiendo su tendencia prácticamente con la teórica de una serie de motores mecá-nicamente semejantes.

La solución al problema del aumento de la potencia de un motor pasa por ganarla no sólo a base de aumentar las dimensiones del cilindro, sino aumentando el número de cilindros del motor. Es por ello que en motores industriales se han comercializado motores constituidos por hasta 40 cilindros en H y 48 cilindros en X; sin embargo, el máximo habitual práctico se sitúa en 24.

La solución del motor policilíndrico no solamente conlleva evitar el empeoramiento de la relación po-tencia/peso sino que permite disminuir el grado de irregularidad en la velocidad de giro del motor al poder operar los distintos cilindros en forma desfasada.

Esta práctica permite también reducir la masa del volante de inercia que incorporan los motores, con el fin de regularizar su marcha y almacenar energía en las fases que el motor proporciona un par positivo (expansión de la carga) para proporcionárselo cuando su par es negativo (compresión de la carga).

En el campo de la automoción una reducción del 10% en el peso del vehículo puede suponer una dismi-nución del 3-4% del consumo. Ello ha llevado al diseño de motores más compactos: un ejemplo lo constituye el motor VR6, motor en línea pero con los cilindros alternativamente colocados en una V cerrada y que comparten una culata común. (Fig. 4.6). Con esta disposición se reduce el tamaño y peso de la culata y del bloque respecto a la que tendría un motor de 6 cilindros en línea.

Fig. 4.6 Disposición de los cilindros en un motor Volkswagen VR6 (6 cilindros en línea abatidos según una V cerrada. Culata común)

En el campo aeronáutico, donde la ligereza es primordial, también se aplicaron estos criterios al conce-bir motores en estrella (simple o múltiple), única solución viable cuando todavía no existía la alternativa del turborreactor al motor de explosión.

1.2.3 Características operativas Velocidad media de giro

Habitualmente la velocidad media de giro N de un motor se expresa en revoluciones por minuto (rpm). La frecuencia de giro en radianes/segundo será entonces

2

60

N

π

ω =

(4.2)

Velocidad media del émbolo

Otro de los parámetros de funcionamiento de importancia en el diseño es la velocidad media del émbo-lo. Puesto que por cada revolución el émbolo recorre dos veces la carrera s, la velocidad media del ém-bolo vendrá dada por

2

60

e

sN

υ =

(4.3)

En motores de una misma tecnología se observa una cierta tendencia a la disminución de la velocidad media del émbolo al aumentar las dimensiones de sus cilindros.

En el conjunto de los MACI de automoción, las velocidades medias del émbolo se sitúan entorno a los siguientes valores:

Motores diésel de transporte industrial 8÷12 m/s Motores otto 4t de automóvil turismo 11÷16 m/s Motores otto 4t deportivos y de competición de hasta 25 m/s

1.2.4 Características efectivas

El concepto de magnitud efectiva va asociado al valor de dicha magnitud determinado en el eje del mo-tor. Las magnitudes efectivas se hallan por vía experimental, si bien cada vez es más viable efectuar una predicción teórica basada en el uso de modelos computacionales de simulación.

De entre las magnitudes efectivas más usuales, cabe citar: Trabajo efectivo W_e [J] Par motor efectivo Me [N m]

Potencia efectiva Pe [kW]

Presión media efectiva pme [N/m2], [kPa], [bar] Consumo específico ce [g/kW h]

Cuando se trata de efectuar un análisis comparativo de las calidades de actuación de motores de dife-rente cilindrada, resulta útil el empleo de magnitudes "específicas", o sea relativas a otra magnitud. Una magnitud específica habitual es la potencia efectiva específica que expresa la eficacia del aprovecha-miento de la cilindrada de un motor en la obtención de potencia:

Potencia efectiva específica p_e [kW/l]

La potencia específica de los motores de automóvil se sitúa actualmente entorno a los siguientes valores:

otto: Aspirado (4 válvulas/cil) ≈ 45-55 kW/l diésel: Aspirado22-27 kW/l.

Turbosobrealimentado 27-35 kW/l.

La comparación de las magnitudes efectivas con las indicadas pone de manifiesto que en el eje no se dis-pone de todo el trabajo termodinámico W_i de los gases en el cilindro. La diferencia se consideran pérdidas

mecánicas pérdidas que son causadas por: rozamiento (émbolo-cilindro, cojinetes,...) y por accionamiento de auxiliares (bombas de agua, de lubricante y de combustible, ventilador, alternador, etc.).

Así es habitual la introducción del concepto de rendimiento mecánico ηmcomo

e e m i i

W

P

pme

W

P

pmi

η =

=

=

(4.4)

Tanto las magnitudes indicadas como las pérdidas son función de las condiciones de operación del mo-tor, en especial de su régimen de velocidad y de su carga relativa, y en consecuencia las magnitudes efectivas también muestran esta dependencia.

Las magnitudes efectivas más usuales son:

Par motor efectivo instantáneo (me): como consecuencia de la naturaleza intermitente del proceso

motor (compresión, combustión, expansión), del bielismo y de las fuerzas de inercia, la fuerza tangen-cial, y con ello el par motor, no se mantiene constante en el transcurso del giro del cigüeñal, sino que varía en forma periódica:

t e

F

m

r

d

=

θ

(4.5)

En el caso de un motor monocilíndrico de 4 tiempos la oscilación periódica del par motor es del tipo representado en la figura 4.7 mediante la línea continua. Si el motor operase con cuatro cilindros desfa-sados en 180°, el diagrama de par resultante sería como el de la línea discontinua. El par motor medio en este segundo caso sería cuatro veces mayor que el del cilindro unitario.

0 90 180 270 360 450 540 630 720 θ cigüeñal 1 cilindro 4 cilindros 0 m_e,1cil M_{e,1 cil} M_{e,4 cil} m_e,4cil

Fig. 4.7 En línea continua: diagrama del par motor (instantáneo) de un motor de 4 tiempos y un cilindro. En línea disconti-nua diagrama para un motor constituido por cuatro cilindros iguales al anterior y que operan desfasados en 180° cada uno.

Las líneas horizontales representan los pares motores medios correspondientes a cada uno de los casos. (Ejemplo genérico.)

Tal como se visualiza, el par motor instantáneo de un motor monocilíndrico oscila entorno a un par

motor medio efectivo Me:

0 e e m d M ϕ ϕ = ϕ

∫

ϕ

= 2

π

en motores de dos tiempos

ϕ

= 4

π

en motores de cuatro tiempos (4.6) En el caso de disponer varios cilindros en un mismo eje, la frecuencia de esta fluctuación depende del número de cilindros y del desfase existente entre sus evoluciones motrices y de la periodicidad con la que se produce el proceso motor (2 o 4 tiempos), además de serlo naturalmente de la velocidad angular ω del motor.

La determinación experimental de la variación cíclica del par motor se realiza mediante un torsiómetro. El valor medio del par motor efectivo se puede obtener directamente mediante el acoplamiento de un

freno dinamométrico al eje.

El trabajo efectivo We por cilindro y ciclo motor viene dado por:

e e M w z ϕ

= z = nº de cilindros ϕ = periodo del ciclo (4.7) El trabajo específico (efectivo) w_e representa el trabajo efectivo por unidad de masa de fluido motor:

[ /

]

e e a c

W

w

J kg

m

₊

=

(4.8)

m_a+c = masa de aire + masa de combustible admitida por cada ciclo y cilindro

Potencia efectiva (Pe): es la potencia que suministra el eje del motor en unas condiciones determinadas

(ambientales: presión, temperatura, humedad, y de combustible: PCI). Con frecuencia el eje motriz ac-ciona una serie de órganos auxiliares tales como: ventilador, bomba de agua, bomba de aceite, bomba de combustible, alternador, etc. Es por ello que se debe distinguir entre potencia neta o bruta según si se considera la disponible o la suministrada por el motor. Las correspondientes normas como por ejemplo la ISO, establecen los criterios respecto a los dispositivos que se deben considerar auxiliares. La poten-cia efectiva depende del par motor y del régimen de velocidad del eje:

e e

P

=

M

ω

Presión media efectiva (pme). La presión media efectiva se puede considerar como una extensión de

los conceptos de presión media teórica o presión media indicada de un ciclo motor, conceptualmente representa el trabajo efectivo obtenido por unidad de cilindrada del motor.

Viene dada por: 3 2

[ /

] [ /

] [

]

e d

W

pme

J m

N m

Pa

V

=

=

=

(4.9) Para un motor determinado con un número z de cilindros de cilindrada unitaria Vd y de un periodo ϕ, el

par motor es linealmente proporcional a la presión media efectiva:

,1 d e

z V

pme

M

=

⋅

⋅

ϕ

(4.10)

Debido a ello en muchas hojas de especificaciones técnicas de motores policilíndricos industriales se da únicamente la característica pme (N) del monocilindro ya que tanto el par motor como la potencia efec-tiva pueden ser deducidas fácilmente.

El valor máximo admisible de la presión media efectiva depende de la presión máxima de combustión y de la carga térmica. A pequeños diámetros el límite viene impuesto por las solicitaciones mecánicas mientras que a grandes diámetros las limitaciones vienen impuestas por las solicitaciones térmicas. La acción conjunta de ambas limitaciones hace que las mayores pme se puedan obtener en el entorno de los 200 ÷ 400mm de diámetro del cilindro.

Las presiones medias efectivas de los motores alternativos de combustión interna se sitúan entorno a: Motor Otto 4t tipo automóvil: 7 ÷10 bar

Diesel ligero 4t: 5 ÷ 8 bar Diesel transporte industrial: 12 ÷18 bar Diesel estacionario 4t: 8 ÷24 bar

Consumos horarios

En los ensayos para establecer el cumplimiento de las especificaciones de los motores se suelen deter-minar los consumos por hora de combustible, aire y lubricante. Ahora bien, para obtener unas caracte-rísticas de consumo de combustible comparativas entre diferentes condiciones de operación y de puesta a punto y entre diferentes motores, el consumo se expresa comúnmente como consumo horario por potencia efectiva generada, tal es el concepto de consumo específico (de combustible):

c e e

m

c

P

=



habitualmente: [g/kWh …antes [g/CVh] (4.11)

El consumo específico de combustible es inversamente proporcional al rendimiento efectivo del motor:

1 e e e e aportado c c e W W P

Q m PCI m PCI PCI

η

η

= = = =

Nótese que el cociente entre el consumo de aire y el de combustible nos proporciona la relación ai-re/combustible r con la que opera el motor:

a c

m

r

m

=





(4.12)

Como relación aire/combustible de referencia se utiliza la relación estequiométrica (combustión quími-camente ajustada) re.

Puesto que la relación estequiométrica varía en función de la composición del combustible, es práctico utilizar el concepto de factor lambda λ = r / re el llamado factor de aire.

Así si la mezcla es rica λ < 1, si la mezcla es pobre λ > 1, y si la mezcla es neutra (o estequiométri-ca), λ =1.

1.3 Curvas características de un motor

En un motor que operase según un ciclo ideal de referencia, el trabajo por ciclo sería independiente del tiempo invertido en realizarlo (puesto que el rendimiento térmico de los ciclos ideales no es función del tiempo), y por tanto el par motor teórico (o el trabajo por ciclo), para una cantidad invariante de calor suministrado, se mantendría constante respecto al régimen de velocidad del motor. La evolución del par en este hipotético motor sería el de la línea punteada de la figura 4.8.

Ahora bien en, un motor real, el trabajo, y por tanto el par motor, dependen del tiempo empleado en realizar el proceso y, en consecuencia, del régimen de velocidad del motor. Esta dependencia se debe a que por una parte el rendimiento de un ciclo real puede depender de la velocidad con la que se realiza y por otro lado a que la cantidad de fluido motor que opera en el ciclo también se ve afectada por el tiem-po distiem-ponible para renovar la carga.

El hecho de que, a partir de un determinado régimen de velocidad, para el que se ha optimizado la reno-vación de la carga (tiempos de apertura y cierre de válvulas, longitudes y secciones de conductos, etc.), se produzca un deterioro de la capacidad de aspiración del motor (es decir, del llamado rendimiento

volumétrico), provoca que a partir de un cierto número de revoluciones por minuto la masa de aire

aspi-rado por ciclo disminuya, la cantidad de combustible que puede quemar también y asimismo el trabajo realizado; por tanto se detectará una caída del par motor.

El efecto de la velocidad sobre el rendimiento se deberá esencialmente a la variación de las pérdidas por fricción, a la variación de las pérdidas de calor y a la velocidad angular del aporte de calor (com-bustión).

M

Motor ideal

Motor real

Los conductos y la distribución están optimizados para una velocidad. Al sobre-pasarla los ciclos cada vez proporcionan menos trabajo por ser peor la admisión y el par decae...

N [rpm]

La tendencia apuntada en la evolución del par motor se muestra en forma de línea continua en la gráfica anterior. En la zona de menores rpm también se observa una disminución del par que podemos atribuir a que el motor opera fuera de la zona para la cual se ha optimizado el proceso.

Potencia. Puesto que la potencia del motor viene dada por

2

60

N M

P M

=

⋅ω =

π⋅ ⋅

(4.13)

en un motor que operase según un ciclo ideal, la potencia crecería linealmente con el régimen de velo-cidad tal como se indica mediante la recta punteada de la figura 4.9:

Fig. 4.9 Curva de potencia vs. velocidad de un motor real respecto a uno que operase según un ciclo ideal. Puntos característicos de operación. En punteado se indica toda la zona útil de trabajo.

Puesto que la disminución del par se hace cada vez más notable al ir aumentando las rpm, llega un mo-mento en que el aumo-mento del número de ciclos por unidad de tiempo no llega a compensar el empeo-ramiento de éstos, y el producto P_e = Mω , tras pasar por un máximo, disminuye.

Las magnitudes efectivas (disponibles en el eje motor) se obtienen experimentalmente mediante un freno dinamométrico. Conceptualmente este dispositivo es una máquina que se acopla al eje del motor y que es capaz de ofrecer un par resistente controlado y regulable a voluntad. El freno necesitará un pro-cedimiento para disipar la energía mecánica absorbida.

Para obtener las características efectivas del motor será necesario disponer de un sistema medidor del par y un sistema indicador del régimen de velocidad al que opera (tacómetro [rpm]). El principio opera-tivo es el que se desprende del siguiente esquema:

P

N [rpm] Motor ideal

Motor real

La disminución de la calidad de los ciclos no llega a ser compensada por el aumento del nº de ciclos realizados por unidad de tiempo

M max max

N_min

P max tangente

Fig. 4.10 Representación esquemática del principio operativo de un freno dinamométrico.

Representando gráficamente la variación de las magnitudes efectivas en función del régimen de veloci-dad del motor se obtienen las llamadas curvas características (par motor -eventualmente pme-, potencia y consumo específico), representación que proporciona una rápida visión de la actuación de un motor. Tanto el par motor como la potencia efectiva son función del régimen de velocidad y de carga del mo-tor, por lo que para la representación gráfica de la función se requiere un gráfico “tridimensional” o bien uno bidimensional con familias de curvas o con curvas de nivel.

En la práctica se manejan básicamente dos tipos de gráficas: las curvas características a plena carga, -es decir, a gas máximo-, en las que se suele repr-esentar el par motor, la potencia y el consumo - específi-co vs. velocidad N [rpm], y las curvas de utilización o planos acotados en los que se indican los valores

de la magnitud de interés en todo el campo de utilización del motor haciendo uso de curvas de nivel (o sea de isovalor).

En la figura 4.11 se representan las 3 curvas características usuales (a plena carga) + la curva del índice de humos pertenecientes a un motor Diesel de inyección directa Volkswagen.

Para un análogo tamaño y principio operativo de un motor, el régimen de velocidad al cual se obtiene el máximo de potencia es más o menos elevado según sea el diseño de su sistema de renovación de la carga.

Así por ejemplo, el uso de válvulas con secciones totales de paso relativamente mayores y de apertura más rápida (3, 4 ó 5 válvulas por cilindro), el uso de conductos de admisión de geometría variable y el uso de sistemas de distribución variable permiten aumentar el régimen a partir del cual decae sensible-mente el par, y por tanto el valor y el correspondiente régimen de máxima potencia se desplazan a ma-yores cotas, consiguiéndose también potencias específicas superiores.

Especialmente en el caso de la automoción, un motor no suele operar siempre gas a fondo sino que pue-de trabajar pue-dentro pue-de un campo pue-de utilización pue-delimitado por un régimen pue-de mínima velocidad estable, un régimen de máxima velocidad segura (sin daños), una carga mínima (en vacío) y una carga máxima (máxima alimentación).

En el campo de los motores industriales estacionarios sí que es frecuente que el motor opere continua-mente a plena carga, razón por la cual, un mismo motor, si se destina al campo industrial, se le rebaja la curva de par a plena carga respecto a la que se le toleraría en automoción.

Disipación de energía Regulación

par resistente Regulación

carga del motor

Freno rpm Dinamómetro l F F [N]

En la figura 4.12 se han trazado dos curvas de potencia efectiva, la superior correspondiente a plena carga y la inferior correspondiente a una carga parcial. La zona sombreada, situada entre Nmin y Nmáx,

representa todo el campo de utilización del motor.

Sobre el mismo gráfico se ha trazado una curva representativa de una potencia resistente del tipo de la hallada en una aplicación automotriz. Los puntos de intersección de la curva de potencia resistente con una curva de potencia motriz (efectiva) indican un régimen de equilibrio. Si se aumenta el gas, el motor acelera hasta interseccionar con la curva resistente a un mayor régimen de velocidad. Recíprocamente, para una carga (gas) constante, si se aumenta la resistencia (por ejemplo como consecuencia de un au-mento de la pendiente de la carretera) se pasa a otra curva de resistencia de mayor curvatura (no repre-sentada) con lo que el motor perderá velocidad hasta hallar el nuevo punto de equilibrio.

Un punto singular de la operación en vacío, y por tanto en el que toda la potencia generada es absor-bida para vencer las pérdidas mecánicas de fricción y de accionamiento de auxiliares, es el de ralentí. En ralentí el motor no produce trabajo efectivo y gira al régimen de velocidad al que se equilibran las pérdidas mecánicas (función de N) con el trabajo generado (función de la cantidad de combustible suministrado). Este régimen de velocidad debe ser suficiente para que la energía cinética inercial almacenada como consecuencia del giro inducido por una explosión pueda realizar la compresión de la carga en el ciclo siguiente. En caso de que (Iω2_{) sea insuficiente, no se completará la compresión y}

el motor se calará. 80 120 160 200 240 Par motor [Nm] Potencia [kW] 20 30 40 50 60 70 80 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Régimen de velocidad [rpm] Índice de humo 0 2 4 200 240 280 Consumo específico [g/ kW h]

Fig. 4.11 Curvas características a plena carga de un motor Diesel de inyección directa para automóvil turismo (Volkswa-gen TDI 81 kW 1.9 litros). Potencia efectiva máxima 81 kW a 4150 r.p.m. Par motor máximo 235 Nm a 1900 r.p.m. Consumo

Fig. 4.12 Campo de utilización de un motor

En un motor en concreto su rendimiento, y en consecuencia su consumo específico, no es constante sino que es función de las condiciones variables o controladas de operación. (variables: % carga, régimen de velocidad, estado térmico, y controladas: avances/retrasos en encendido, inyección, distribución, etc.). Es por ello que los consumos específicos variarán dentro de todo el campo de utilización del motor. Tal como ya se indicó, para visualizar los niveles de consumo específico dentro de toda la zona de utili-zación del motor se usan planos acotados de consumo específico, en los que mediante unas curvas de nivel se demarcan las zonas de isoconsumo (las curvas unen puntos de igual consumo específico). Esta técnica de representación gráfica se puede utilizar para describir otras características de operación del motor, trazando, por ejemplo dentro de la zona de utilización, las curvas de igual nivel de emisión de un determinado contaminante, las curvas de igual rendimiento mecánico, las de igual trabajo de bombeo, las de igual emisión sonora, etc. A título de ejemplo se reproduce el plano acotado de consumo especí-fico de un motor de gasolina de automóvil turismo actual. Nótese que en este caso la curva envolvente superior es la de trabajo por cilindrada, que será proporcional a la curva de par motor y por tanto tendrá la misma forma que aquélla.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 0 .2 .4 .6 .8 1.0 1.2 1.4 240 250 260 270 280 300 330 360 400 500 600 232 N [rpm] 3 W [J/cm ]

Fig. 4.13 Plano acotado de consumo específico del motor de automóvil turismo Opel Vectra 2 l (4 válvulas/cil. con catalizador) (Adaptado del original.)

Vacío (*ralentí P = 0) Plena carga P = max

Nmin P_e Carga intermedia Potencia resistente puntos de equilibrio Pe = Pr * e CAMPO DE UTILIZACIÓN Nmax e

1.4 Exigencias y procedimientos de regulación de los MACI

En la mayoría de aplicaciones de los motores térmicos es necesario poder efectuar una regulación del par motor en función de los pares resistentes. Así, en el frecuente caso de la propulsión de automóviles, el motor que lleva el vehículo es capaz de suministrar un par motor máximo que no es requerido de forma permanente. Este sobredimensionado del motor permite disponer de una reserva de par y poten-cia destinada a superar satisfactoriamente un aumento de pendiente o responder a una demanda de ace-leración. Sin embargo, la mayor parte del tiempo de actuación el motor operará a una carga parcial, caracterizada por una demanda de par del 0.5 al 0.75 de su par máximo. Análogamente, en el caso de un motor estacionario que accione una máquina (generador, bomba, compresor, molino, etc.) también será necesario poder regular el par motor de acuerdo con el par resistente. Esta regulación puede tener como objetivos:

• Mantener constante la velocidad de giro del motor ante una variación del par resistente.

• Variar la velocidad del motor con el fin de alcanzar un nuevo régimen de velocidad de equili-brio.

La regulación del par motor efectivo implica una regulación del trabajo suministrado por el motor en cada uno de sus ciclos de trabajo. Evidentemente el campo de regulación estará acotado por unos pares máximos que son los que suministrará el motor a plena carga (gas máximo) y por unos regímenes de velocidad (rpm) de mínimo estable y de máximo seguro. Ahora bien, no tan sólo es necesario poder regular el par motor por debajo del máximo alcanzable en cada régimen de velocidad, sino que dicha operación se debe efectuar en mínimo detrimento del rendimiento efectivo del motor. En relación con ello, las presiones derivadas del creciente coste de los combustibles han desencadenado una serie de investigaciones conducentes a paliar en parte el aumento del consumo específico del motor al operar a cargas parciales.

1.4.1 Modos de regulación del par

Los motores incorporan un dispositivo que permite modificar el par motor dentro del campo de utiliza-ción. Este dispositivo suele ser una varilla, un eje o una palanca que actúa sobre la alimentación del motor. En cuanto su accionamiento puede ser: manual -es decir accionado por el operario-, o

automáti-co -si es accionado por un sistema basado en un sensor y un actuador.

El accionamiento manual -que puede ser mediante un pedal- puede ser de acción directa sobre la ali-mentación del motor o indirecta a través de elementos intermedios destinados a evitar variaciones exce-sivamente bruscas.

El accionamiento automático se aplica principalmente en aquellos motores que deben funcionar por largos periodos de tiempo en régimen casiestacionario. Es un regulador (“governor” de tipo mecánico, hidráulico, electrónico... el que se encarga de controlar la alimentación del motor para que este gire al régimen de velocidad de consigna.

Un repaso de las ecuaciones del par motor y del trabajo, juntamente con un análisis fenomenológico del proceso de combustión, permiten deducir las variables sobre las que se puede actuar para variar el par de un motor alternativo de combustión interna y adecuarlo a la carga externa. Así, el par motor está relacionado con el trabajo efectivo por ciclo motor según la ecuación

e e

W

M

=

ϕ

(4.14)

en la cual el desplazamiento angular ϕ representa el ángulo en radianes que debe girar el eje motriz para la producción de un ciclo de trabajo We.En el caso de una transmisión directa, ϕ es constante y sólo

depende del ciclo motor; así en un motor monocilíndrico de dos tiempos, ϕ = 2 π, y en uno de cuatro tiempos, ϕ = 4 π. Evidentemente, una primera posibilidad de regular el par motor reside en variar el desplazamiento angular mediante una caja de velocidades o un variador continuo y por tanto, a expen-sas, de perder (o ganar) velocidad; sin embargo, esta solución no está vinculada al tipo de motor y esca-pa del ámbito del análisis que aquí se presenta.

Para un ϕ dado, el par motor varia linealmente con el trabajo obtenido por ciclo. El análisis de los facto-res de que depende dicho trabajo sugiere las posibilidades de regulación: así, partiendo de la definición de rendimiento efectivo como relación entre el trabajo efectivo W_e y calor suministrado Q

e e

W

Q

η =

(4.15)

aceptando el convenio de que el calor suministrado es igual al PCI·mc resulta

a a

e e c e e

e

m

m

W

m PCI

PCI

PCI

r

r

= η ⋅

⋅

= η ⋅

⋅

= η ⋅

⋅

λ ⋅

(4.16)

y sustituyendo masa de aire por volumen de aire aspirado:

d A e e e

V

W

PCI

r

⋅ρ

= η =

⋅

λ ⋅

(4.17) donde:

W_e trabajo efectivo por ciclo [J]

PCI poder calorífico inferior del combustible [J/Kg] V_d cilindrada total [m3]

ρA densidad de la carga [kg/m3]

λ factor de aire = (mA / m A estequiométrica )

r_e relación másica de mezcla estequiómetrica

Analizando la expresión (4.17) del trabajo efectivo por ciclo se constata que el rendimiento efectivo no es una variable idónea para ser empleada como parámetro de regulación, puesto que interesará mante-nerlo en su máximo valor posible.

Tanto el calor calorífico inferior PCI del combustible, como su relación de mezcla estequiométrica con el aire r_e son propiedades relacionadas con su composición; por tanto, difícilmente se podrá actuar so-bre ellas como medio de regular el par motor. Descartadas las citadas, sólo quedan la densidad de la carga ρ, la dosificación λ y el volumen desplazado Vs.

En los motores diésel, como consecuencia de operar en combustión heterogénea, la regulación se puede lograr actuando sobre la dosificación: bastará modificar la cantidad de combustible inyectado en el ci-lindro para variar el calor liberado en la combustión y con ello el trabajo desarrollado por ciclo. La re-gulación se podrá efectuar entre unos límites en función de la disponibilidad de aire para la combustión; ello constituye la llamada regulación cualitativa.

Por el contrario, en el caso de motores de encendido por chispa (motor otto de gasolina o gas) la regula-ción basada exclusivamente en la dosificaregula-ción no es viable. Ello se debe a que la inflamabilidad de la mezcla homogénea aire/combustible sólo se consigue dentro de un intervalo de relaciones de mezcla relativamente estrecho, limitado por los llamados límite pobre y límite rico de inflamabilidad.

Debido a ello, en los motores de encendido por chispa se ha recurrido tradicionalmente a la regula-ción por estrangulamiento. Con este procedimiento, para variar el par motor se actúa sobre la densi-dad de la carga, a base de crear una caída de presión variable a voluntad en el conducto de admisión (mariposa o similar). Obsérvese que en este caso lo que varía es la cantidad de mezcla atrapada en el cilindro -regulación cuantitativa- y con ello también el calor liberado en el transcurso de su combus-tión, por tanto, más o menos trabajo y, por tanto, par motor.

La simplicidad de la regulación por estrangulamiento en los motores Otto presenta en contrapartida el inconveniente de que, a cargas parciales, el motor consume una fracción importante de su trabajo indi-cado en aspirar y expulsar la carga del cilindro (trabajo de bombeo), con lo que el consumo específico crece sensiblemente. Además, como consecuencia de la progresiva estrangulación del conducto de ad-misión, a menor carga mayor pérdida de bombeo. Debido a ello, en estos últimos años diferentes auto-res han propuesto soluciones alternativas a la regulación por estrangulamiento.

1.4.2 La alimentación del motor de encendido por chispa (Otto)

Se denomina mezcla carburada la mezcla de combustible y aire (tanto si se ha preparado en un carbu-rador o mediante inyectores) destinada a alimentar un motor de encendido provocado por chispa. La diferente naturaleza de los combustibles utilizados (gases o líquidos, componentes puros o mezclas) y las diferentes técnicas de preparación y dosificación de la mezcla carburada, causan que sus caracte-rísticas de ignición y combustión sean muy variadas. La adecuación de dichas caractecaracte-rísticas de igni-ción y combustión a las exigencias de operaigni-ción del motor en un régimen de funcionamiento dado cons-tituye los requerimientos de la mezcla. Para ello es conveniente efectuar una primera revisión de qué variables de operación del motor y del sistema de preparación de la mezcla tienen una influencia en las características de encendido y de combustión de la carga.

Para establecer los requerimientos de la mezcla es conveniente dilucidar a través de qué mecanismos afecta la riqueza al comportamiento del motor. En este sentido se analizarán a continuación algunos de los procesos controlantes.

El proceso de combustión a nivel de llama tiene lugar en fase homogénea, es decir, entre el aire y el combustible vaporizado (gas); la inflamabilidad de la mezcla es función de la cantidad de vapor de ga-solina presente, y por tanto, de la fracción de gaga-solina que se haya evaporado en las condiciones de temperatura y presión de la mezcla ingresada en el motor. Los combustibles habituales están constitui-dos por mezclas de diferentes hidrocarburos de distinta volatilidad; en esta situación, el % de

combusti-ble evaporado es función de la formulación del combusticombusti-ble, de la temperatura y de la dosificación (re-lación aire/combustible).

Arranque en frío. conociendo de las curvas de % evaporación (T, mA/mC ) se puede diseñar el sistema

de control de riqueza para arranque en frío (starter). El sistema de alimentación se diseña para que al arrancar en frío, la fracción de gasolina evaporada sea tal que, en el entorno de los electrodos de la bu-jía, se tenga una mezcla ligeramente rica de 1l de gasolina por cada ≈ 13.5 de aire. En otras palabras: si la temperatura de operación es insuficiente para que la evaporación del combustible sea total (100%), una dosificación correcta en función de la cantidad de gasolina líquida resultará excesivamente pobre en fase vapor y su composición podrá caer fuera del límite de inflamación.

Para corregir esta circunstancia, cuando el motor esté frío deberá enriquecerse la mezcla hasta un nivel tal que su % evaporado sea suficiente para dar una relación aire/gasolinavapor que caiga dentro del límite

de inflamabilidad. Ello se consigue por ejemplo, estrangulando el aire cuando el motor está frío, fun-ción que realiza el starter o choque y que puede ser de actuafun-ción manual o automática.

Comportamiento del motor en régimen. La riqueza afecta notablemente a las características efectivas

del motor y también a las emisiones de contaminantes.

Como ilustración se presentan dos gráficas típicas que muestran el efecto de la riqueza de la mezcla sobre el par motor y sobre su consumo específico. Se supone que los valores se han obtenido experi-mentalmente con un determinado motor variando progresivamente la relación de mezcla (m_C/m_A) y ajustando para cada una el avance de encendido, de tal forma que se obtenga el máximo par.

En la figura 4.14, primeramente se observa que para un combustible dado hay unas determinadas rique-zas límite a partir de las cuales el motor no puede funcionar, puesto que la mezcla se hace no inflama-ble. El rango de riquezas dentro del cual puede operar el motor alimentado con gasolina se sitúa entre un límite rico (m_C/m_A ≈ 1/9) y un límite pobre (m_C/m_A ≈ 1/17).

Se observa también que el par motor efectivo es función de la riqueza y que presenta un máximo que se obtiene operando con una mezcla ligeramente rica (λ ≈ 0.9), situación que, dado el defecto de oxígeno, provocará forzosamente la emisión de inquemados. Este máximo coincide muy aproximadamente con la riqueza que conduciría a una velocidad de llama máxima.

Por otro lado existe un dosado que es el que conduce al mínimo consumo específico ce, y por tanto, al

máximo rendimiento efectivo ηe del motor; éste se obtiene operando a mezclas relativamente pobres, y es

el de elección si se desea optimizar la economía del motor. También cabe señalar que la variación de par motor que se consigue utilizando la riqueza como variable de control es tan solo de un ≈ 20% y a costa de desviarse de la dosificación a la que pudiera interesar operar; debido a ello en el motor de gasolina resulta inadecuado un procedimiento de regulación del par basado en actuar sobre la riqueza de la mezcla.

El máximo de par motor coincide con el máximo de trabajo por ciclo motor. Por contra el mínimo con-sumo específico y, por tanto, el máximo rendimiento efectivo se obtiene con mezclas pobres.