Motores Térmicos. Cuestiones y Problemas

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1 Motores Térmios. MCIA INTRODUCIÓN Problema. Indiar justifiadamente uáles son las prinipales diferenias del motor de dos tiempos frente al motor de 4 tiempos en lo referente a: Potenia, par, presión media efetiva, preio y emisiones ontaminantes. Problema. Analizando la estrutura de un motor de 4T refrigerado por agua y difereniándolos por la presión existente en su interior y los diferentes fluidos ontenidos en ellos: Indiar los tres volúmenes existentes en el bloque de un motor sin tener en uenta los ondutos de admisión y esape ni el iruito de aeite a presión. Espeifiar que fluido y que valores de presión y temperatura existen en ada uno de ellos. Expliar omo se omunian normalmente (si es que esto ourre) o debido a que fallo se pueden omuniar entre ellos o si se omunian on el exterior. Analizar separadamente en ada aso de fallo lo que supone para el funionamiento del motor que exista ada una de estas omuniaiones.. PARAMETROS CARACTERÍSTICOS Y SEMEJANZA Problema. Dos motores de 4T y 4 ilindros on una ilindrada total de 600 on relaión S/D=, utilizan un ombustible on Fe=/5 y poder alorífio de 4 MJ/kg Trabajan en un punto de funionamiento de potenia máxima on rendimiento efetivo de 30%. Los dos motores tienen las siguientes araterístias difereniales en el punto de funionamiento de máxima potenia (m máxima): TIPO Fr η v m (m/s) MEP 0.85 MEC Los rendimientos volumétrios están referidos a las ondiiones ambientales de p=bar y T=0ºC. a) Calular para los dos motores en el punto de máxima potenia: Pme, Me, n y Ne. b) Teniendo en uenta omo se varía el grado de arga en MEC y MEP, determinar omo tendrá que variar el dosado relativo y el rendimiento volumétrio en funión del régimen de giro para ada motor, para obtener el 5% de la Ne alulada en el apartado anterior. Haer la hipótesis de que el rendimiento efetivo no depende ni del régimen de giro ni del grado de arga. ) Calular la ilindrada de un motor de dos tiempos semejante al anterior MEP para tener la misma potenia efetiva máxima, indiar a régimen de giro se produirá. Problema. De un motor de enendido provoado utilizado en aeromodelismo se onoen los siguientes datos geométrios y referentes al ombustible que utiliza: o Número de ilindros Z= o Cilindrada.5 o Relaión arrera diámetro S/D= o Dosado estequiométrio Fe=/5 o Poder alorífios H=4 MJ/kg Se onsidera un ombustible de alto peso moleular C= o Numero de tiempos El motor se enuentra trabajando en las siguientes ondiiones: o Dosado relativo Fr= o Presión media efetiva pme=7 bar o Veloidad lineal media m=0 m/s o Rendimiento volumétrio 80% o Rendimiento meánio 90% o Presión ambiente bar y temperatura ambiente 5ºC Calular el régimen de giro en rpm La presión media indiada en bar La potenia efetiva en kw Departamento de Ingeniería Energétia y Fluidomeánia Página

2 Motores Térmios el rendimiento indiado El rendimiento efetivo El gasto de aire en mg/s El gasto de ombustible en mg/s Problema.3 Se pretende diseñar un motor para onetarlo a una bomba de riego que absorbe en el eje kw y tiene que funionar a 3000rpm. Se pretende que sea un motor diesel de inyeión direta funionando a Fr 0.7. Se espera un onsumo espeífio de 50gr/kWh Dado el aráter industrial del motor se pretende que la veloidad lineal media sea baja quedando en 9 m/s. El motor tendra una relaión S/D de. Se estudian dos variables de diseño: o numero de tiempos (T-4T) o Aspiraión natural (rendimiento volumétrio 0.9) motor sobrealimentado (rendimiento volumétrio.5 onsiderando ondiiones de referenia las atmosférias). Estudiar el número de ilindros que debería ponerse en ada aso para onseguir las espeifiaiones y no superar el dosado de 0.7. Indiar el dosado que tendría el motor en ada aso. Si se pudiese modifiar la ilindradas unitaria en ada aso manteniendo el número de ilindros, indiar las veloidades lineales medias que se obtendrían si se mantuviese el dosado en 0.7. (no olvidar que el régimen se tiene que mantener en 3000 rpm). Datos adiionales: o Pamb: bar o Tamb: 0 ºC o H: 4 MJ/kg o Fe: /5 Problema.4 Un motor Diesel de 4 tiempos, sobrealimentado sin refrigeraión a la salida del ompresor, para serviio ferroviario se enuentra funionando en un bano de ensayos, en donde se han obtenido los siguientes datos: Número de revoluiones: Par a este régimen: Tiempo en onsumir 3 litros de ombustible: Masa de aire que absorbe el motor: Diámetro del pistón: Carrera del pistón: Número de ilindros: Densidad del ombustible: Poder alorífio del ombustible: 430 r.p.m Nm. 47 s..643 kg/seg. 80 mm. 90 mm kg/dm kj/kg. Calular a partir de estos datos: Potenia que está desarrollando el motor en kw. Presión media efetiva en bar. Veloidad lineal media del pistón. Combustible inyetado por ilindro y ilo. Consumo espeífio de ombustible en g/kwh. Qué densidad tiene el aire en el oletor de admisión, después del ompresor de sobrealimentaión, suponiendo un rendimiento volumétrio de 0.9 referido a la pipa de admisión? Si después del proeso de ompresión isoentrópia se enfría el aire a 5 C sin pérdida de presión. Calular la nueva densidad del aire Si el rendimiento volumétrio se mantiene onstante así omo el dosado. Calular la nueva Ne y Me. El motor original se monta en un vehíulo de manera que el onjunto pesa 9000 kg. Funionando el motor en las ondiiones iniiales, el vehíulo irula en llano a 00km/h, si tiene que subir una pendiente del 3% (sube 3 m ada 00 m reorridos). Calular el nuevo dosado para poder mantener la veloidad si el resto de ondiiones de funionamiento se mantienen. Indiaiones: se supone que el proeso en el ompresor es isoentópio. Pamb= bar Tamb=0ºC y =.4 Departamento de Ingeniería Energétia y Fluidomeánia Página

3 Motores Térmios o Compresión isoentrópia de a : T P T P P v P v Problema.5 En una ompetiión de motos los motores son de 4 tiempos y se puede optar por dos alternativas de diseño 4 ilindros y 600 de ilindrada total o ilindros y 800 de ilindrada total. Asumiendo que los dos motores son semejantes y funionan on los mismos reglajes, determinar la relaión de potenias de los dos motores y ual tiene mas potenia. Nota: aunque no es neesario, se pueden asumir valores razonables de Pme, m y S/D para resolver el problema. Problema.6 Un motor diesel industrial de uatro tiempos 8 ilindros (S/D=) y 4 litros de ilindrada total, funiona a 500 rpm produiendo 50 kw. Con un rendimiento efetivo de 0.4, rendimiento volumétrio referido al oletor de admisión de 0.9 y dosado relativo de 0.5. o Tamb: 0ºC o Pamb: bar o :.4 o H: 39 MJ/kg o Combustible: C H Determinar: El dosado estequiométrio a partir de la fórmula de sustituión del ombustible. Problema.7 Par efetivo, presión media efetiva, Gasto de ombustible y gasto de aire. Las emisiones de NOx en gr/kwh si en los gases de esape hay una onentraión en volumen de NOx de 500 ppm. Despreiar los moles de NOx a la hora de alular los moles produto de la reaión de ombustión. Determinar la presión en el oletor de admisión para el aso de sobrealimentaión sin interooler (ompresión isoentrópia) y para el aso de refrigeraión intermedia hasta 80ºC. Un MEP de 4T, triilíndrio de 600 m3, tiene una relaión arrera-diámetro igual a la unidad, suministrando una potenia de 35 kw a 7500 rpm. Se pretende diseñar un motor semejante al anterior, biilíndrio y que suministre la misma potenia. Determinar la relaión de semejanza entre ambos motores. Determinar la veloidad lineal media del pistón y la presión media efetiva de ambos motores. Determinar las otas geométrias, ilindrada y régimen de giro de máxima potenia del nuevo motor. Manteniendo la ondiión de semejanza ual sería la potenia del nuevo motor si el diámetro del ilindro no pudiera superar los 75 mm por problemas térmios y de autoenendido. Tomando omo elemento de omparaión el motor del apartado, qué ventajas e inonvenientes presenta frente al motor original?: Problema.8 En una ompetiión de rally a fin de equiparar la potenia de los diferentes vehíulos se opta por limitar el gasto de aire de los motores, para ello se obliga a oloar en el onduto de admisión del motor una tobera alibrada de 5 mm de diámetro, de esta manera el gasto de aire de los motores queda limitado por el audal máximo que puede pasar por la tobera uando ésta esté bloqueada. Calular: Gasto máximo de aire que puede tener el motor para Patm=bar y Tamb=0ºC, suponiendo flujo isoentrópio. Potenia máxima que pueden tener un motor on e =0.3 F r = F e =/5 y H =40 MJ/kg Si se instala la tobera alibrada en un motor MEP de 4T, sobrealimentado, 3 litros de ilindrada total, ompresor on rendimiento isoentrópio unidad en ualquier ondiión y relaión de ompresión de.5. El rendimiento volumétrio referido al oletor de admisión es de 0.9 independiente del régimen de giro. Determinar el régimen de giro a partir del ual puede tener esta potenia máxima, sin interooler y on un interooler sin pérdida de arga y on T salida =60ºC. Indiaiones: o Asumir que después de pasar por la tobera el fluido reupera la temperatura iniial pero no la presión. Departamento de Ingeniería Energétia y Fluidomeánia Página 3

4 Motores Térmios o Presiones, veloidades y temperaturas ritias en una tobera on ondiiones de remanso P 0 y T 0 P P0 o Compresión isoentrópia de a T T 0 T P T P RT Problema.9 De un motor de uatro tiempos se onoen los siguientes datos: o Número de ilindros 6 o Diámetro - arrera mm o Potenia máxima - régimen 47 kw 00 rpm o Par máximo - régimen 747 Nm 300 rpm o Consumo espeífio mínimo - régimen gr/kwh 600 rpm o Condiiones atmosférias bar, 5ºC (R = 89 J/kgK) o Combustible Fe=/5 de alto peso moleular C= =.4 Cp=kJ/kg/K Calular: Vt, m máxima, pme máxima. El rendimiento volumétrio en el punto de onsumo espeífio mínimo, sabiendo que la potenia orrespondiente son 8 kw (suponer el dosado relativo apropiado). Justifiar el tipo de motor: MEP o MEC, AN o SA, ampo de apliaión. La potenia que se obtendría on un motor semejante de 4 litros de ilindrada y mismo número de ilindros, y a que régimen de giro se daría. La potenia que se obtendría on el motor original turbosobrealimentando on interooler, si la relaión de ompresión (P /P ) en el ompresor es de y la temperatura del aire a la entrada de la pipa de admisión es de 50ºC y se ha tenido que reduir el dosado máximo en un 30% para disminuir las argas meánias y térmias. Problema.0 De un motor de enendido provoado se onoen los siguientes datos: o Cilindrada total 000 Numero de ilindros 4 Relaión arrera/diámetro o Régimen de giro máximo 6000 rpm o Dosado relativo en todos los puntos de funionamiento o Presión media de perdidas meánias Pmpm (bar)= Cm/.3 (on m en m/s) o Rendimiento indiado en todos los puntos de funionamiento 0.4 o Poder alorífio del ombustible 39 MJ/kg Dosado estequimétrio /4.5 o Densidad de referenia.05 kg/m3 En un punto de funionamiento a plena arga (punto ) el régimen de giro es 000 rpm y la presión media efetiva es de 9 bar. Comparando este punto on otro de igual potenia efetiva a régimen de giro máximo, alular para los dos puntos: El gasto de ombustible y de aire en kg/h La masa de ombustible por ilindro y ilo. El onsumo espeífio de ombustible en gr/kwh. El rendimiento volumétrio. Suponiendo que el rendimiento volumétrio de plena arga no varía on el régimen Determinar la potenia máxima del motor y a que régimen se da, ompararlo on la potenia máxima a 6000 rpm Indiaiones: El par efetivo a plena arga varía on el régimen de giro de debido a que la Pmpm no es onstante. En el aso de que fuese un MEC on Fr max =0.7 y n max =4500 Departamento de Ingeniería Energétia y Fluidomeánia Página 4

5 Motores Térmios Calular el rendimiento volumétrio del punto si la presión media efetiva es de 8.5 bar Calular el dosado del punto si la potenia es la misma que en el punto Problema. Comparar la potenia que se puede obtener de un motor alternativo de uatro tiempos funionando a 3000 rpm on los siguientes ombustibles: Biogas on Fr= Gas de gasifiaión (gas pobre) Fr= Otano C 8 H 8 (gasolina) Fr= Gas natural Fr=0.8 Deano C 0 H (gasoleo) Fr=0.7 Hidrógeno puro on Fr=0.5 Entalpías de formaión en fase gaseosa (kj/mol) Composiión BIOGAS (%) Composiión GAS POBRE (%) Datos del motor: CO o Rendimiento efetivo 0.3 N 0 47 o Cilindrada total 00 CH o Rendimiento volumétrio 0.9 H 0 8 o Pamb bar CO -0 o Tamb 0ºC H O C 8 H 8-09 C 0 H -50 Problema. Expliar: De los parámetros que depende el par máximo, indiar uales de ellos varían on el régimen de giro y en que ondiiones. Como varían ada uno de ellos en funión del régimen de giro. A la hora de diseñar y onstruir el motor, expliar para ada uno de ellos si se intentan optimizar al máximo o están limitados por algún aspeto meánio, térmio, emisiones et. Expliar porque los motores diesel trabajan on dosado relativo de máximo par inferior a la unidad. Indiar porque en los motores de enendido provoado las emisiones de partíulas son inferiores que en los motores de enendido por ompresión a pesar de trabajar estos últimos on dosado relativo mas bajo. Problema.3 A partir de la siguiente formula de la potenia de un motor de ombustión interna alternativo Ne= n ia Vt i v Fe Fr H i m indiar: Qué representa ada parámetro y lasifiarlos según sean araterístios del diseño del motor, ondiiones de funionamiento o propiedades del ombustible. Cómo se modifian estos parámetros según el grado de arga del motor en un MEC y en un MEP?. Problema.4 Para motores semejantes de la misma ilindrada: Cómo varía la potenia y el par al aumentar el número de ilindros? Justifiar las ventajas o inonvenientes del aumento del número de ilindros manteniendo la ilindrada en lo que se refiere a par, régimen, vida del motor. Problema.5 Demuéstrese que el punto de funionamiento de máxima presión media efetiva oinide on el de máximo par efetivo. Se tiene la máxima veloidad lineal media del pistón para el punto de potenia máxima?. Argumentar la respuesta difereniando lo que ourre en MEP y en MEC. Problema.6 Justifiar porque un motor diesel tiene pistón igüeñal y biela más soliitados que un MEP de la misma ilindrada. Departamento de Ingeniería Energétia y Fluidomeánia Página 5

6 Motores Térmios Expliar que onseuenias tiene esto sobre el régimen máximo y porque. Indiar justifiándolo que onseuenias tiene esto último sobre la potenia máxima para la misma Pme. A partir de una expresión del par por unidad de ilindrada, justifiar porque un MEP suele tener este parámetro de mayor valor que el MEC no sobrealimentado. Determinar una expresión del rendimiento volumétrio neesario en un MEC para onseguir la misma potenia máxima que un MEP, en funión de la relaiones de dosado y régimen máximo de los dos motores. Problema.7 Demostrar a partir de que el trabajo efetivo es la presión media efetiva por el volumen desplazado, la relaión existente entre el par efetivo y la presión media efetivo, difereniando entre y 4 tiempos. A partir de lo anterior determinar una expresión que relaione la potenia on la presión media efetiva y la veloidad lineal media. A partir de la expresión anterior expliar porque para un tamaño de motor la potenia que se puede alanzar está limitada. Indiar que onseuenias tiene el aumento exesivo del la pme y del la veloidad lineal media. Problema.8 Comparar estas dos situaiones a las que se somete un motor alternativo: a) Cuando un vehiulo viaja a una ierta veloidad onstante on un grado de arga medio, en un instante dado de forma rápida el ondutor pisa a fondo el aelerador onsiguiendo on ello que aumente la veloidad del vehiulo. b) El mismo motor del vehíulo oloado en bano de ensayos y ontrolado a régimen te on un grado de arga medio se le aelera brusamente hasta plena arga. Dibujar sobre un mapa par-régimen la evoluión de los dos motores distinguiendo el instante iniial, el instante después de la aeleraión brusa y la nueva situaión estaionaria. Dibujar sobre un diagrama par-régimen la evoluión de un motor al que se le hae una prueba de aeleraión libre desde ralentí hasta régimen máximo y posteriormente se suelta el aelerador y se le deja volver a ralentí. Problema.9 Indiar los dos parámetros en que se basa la teoría de semejanza de motores. Expliar razonadamente porque el valor máximo de ada uno de estos parámetros está limitado. En ondiiones diferentes de potenia o par máximo omo varían estos parámetros. Indiar formas de aumentar el valor máximo de estos parámetros en un motor determinado. Problema.0 Comparando dos MEP uno de dos tiempos y el otro de uatro tiempos de la misma ilindrada y régimen de giro, a partir de la expresión de la Pme ia v i m Fe Fr H, indiar de forma justifiada: Que parámetros pueden ser diferentes en los dos motores debido a las diferenias de funionamiento entre un tipo de motor y otro Que impliaión tiene todo ello en la Pme final de ada motor (en que tipo de motor será mayor). Calular uanto se modifia el rendimiento efetivo final del motor T (definido omo trabajo obtenido dividido entre el ombustible entrante por su poder alorífio), si el rendimiento indiado respeto a la masa de ombustible quemada es igual en ambos motores y el motor de T ortoiruita el 5% de la masa de ombustible admitida. Calular la relaión de potenias de los dos motores si el rendimiento volumétrio del motor de 4T es igual que el oefiiente de admisión del de T. (Tener en uanta el efeto del ortoiruito en el motor de T y despreiar el V frente al V D ). Problema. Responder a ada una de las siguientes uestiones: Demostrar que dos motores semejantes tienen el mismo valor de la relaión alor edido a las paredes/alor aportado por el ombustible, si el oefiiente de pelíula de transferenia de alor de los gases a la pared de la ámara de ombustión es el mismo. Expliar porque en la realidad el motor más grande tiene esa relaión menor. Demostrar que un motor sobrealimentado on interooler que tiene las mismas temperaturas en el ilo que el de aspiraión natural y el mismo oefiiente de pelíula, tiene menor valor de la misma relaión Qw/Q que el de aspiraión natural. Departamento de Ingeniería Energétia y Fluidomeánia Página 6