MOTORES TÉRMICOS TERMODINÁMICA

Transcripción

1 MOTORES TÉRMICOS TERMODINÁMICA

2 EXPANSIÓN ISOTÉRMICA TIEMPOS DE UN CICLO DE CARNOT

3 EXPANSIÓN ADIABÁTICA TIEMPOS DE UN CICLO DE CARNOT

4 COMPRESIÓN ISOTÉRMICA TIEMPOS DE UN CICLO DE CARNOT

5 COMPRESIÓN ADIABÁTICA TIEMPOS DE UN CICLO DE CARNOT

6 TRABAJO ÚTIL EN UN CICLO DE CARNOT

7 MÁQUINA TÉRMICA La máquina térmica debe de funcionar entre dos focos de calor, uno caliente del que extraemos calor Q c y otro frío que recibe una cantidad de calor Q f. La diferencia entre Q c Q f es el trabajo realizado. Todo el calor producido en la combustión no se puede utilizar, parte se pierden por los gases de escape En el funcionamiento de un motor hay que tener en cuenta tres factores fundamentales: a) Al motor se le suministra energía en forma de calor a temperaturas altas. b) El calor realiza trabajo mecánico. c) El motor cede calor a baja temperatura. Rendimiento: Ƞ = W/ Q c =(Q c Q f )/ Q c = 1 Q f / Q c = Ƞ = 1 (T f / T c )

8 MÁQUINA FRIGORÍFICA La máquina frigorífica se puede considerar como motor térmico que funciona en sentido inverso. Ejemplo un frigorífico doméstico. Se extrae calor del foco frío Q f, el trabajo W realizado por el moto-compresor, y Q c el calor cedido al foco caliente exterior. La máquina frigorífica se puede utilizar como calentador, el foco caliente será la habitación a T c y el frío, el interior a T f. Este proceso es ventajoso, porque la energía consumida en una resistencia eléctrica para producir una cantidad de calor es Q c = 0,24 I 2 R t, sin embargo, con el mismo consumo se puede obtener más cantidad de calor Q c = W + Q f Eficiencia o COP = Q f / W = Q f / (Q c Q f ) ó COP = T f / (T c -T f )

9 CLASIFICACIÓNES DE LOS MOTORES TÉRMICOS Motor térmico: máquina destinada a transformar energía térmica en energía mecánica produciendo un trabajo Primera clasificación.- a) Motores de combustión externa: Máquina de vapor (lineal-alternativo) Turbina de vapor (rotativo) Vídeo b) Motores de combustión interna: Motor de explosión (lineal-alternativo) Motor Diesel (lineal-alternativo) Vídeo Turbina de gas (rotativo) Vídeo Motor rotativo Wanker Vídeo Vídeo Video Vídeo Segunda clasificación.- a) Motores alternativos b) Motores rotativos c) Motores de chorro Vídeo

10 ESQUEMA GENERAL MÁQUINA DE VAPOR

11 EXPANSIÓN Y COMPRESIÓN DEL CILINDRO (MÁQUINA DE VAPOR)

12 MOTOR ROTATIVO DE COMBUSTIÓN EXTERNA. (TURBINA DE VAPOR) Tobera: conducto de sección variable, en el que la velocidad del fluido aumenta en la dirección del flujo disminuyendo la presión. Difusor: conducto de sección variable, en el que la velocidad del fluido disminuye en la dirección del flujo aumentando su presión. En las turbinas de este tipo, el flujo que entra por las toberas incide tangencialmente sobre los álabes insertados en el rodete y hacen girar a este. Las fuerzas originadas por el vapor sobre los álabes y la acción hidrodinámica debido a la forma del álabe (extradós e intradós) hace girar al rodete en el sentido adecuado. Se utilizan para producir electricidad en las grandes centrales térmicas y en la propulsión de buques.

13 CICLO DE RANKINE

14 TURBINA DE GAS (Motores rotativos de combustión interna)

15 CICLO BRAYTON (TURBINA DE GAS) COMBUSTIBLE

16 PARTES DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA (Otto)

17 FUNCIONAMIENTO MOTOR GASOLINA (Otto)

18 ANIMACIÓN MOTOR GASOLINA 4 T. Vídeo

19 DIAGRAMA DEL CICLO TEÓRICO (Otto) η = W/Q 1 = 1- Q 2 /Q 1 η = 1 (T 5 -T 2 /T 4 -T 3 ) η = 1 1/r γ-1

20 DIFERENCIAS ENTRE LA CARBURACIÓN Y LA INYECCIÓN En los motores de gasolina, la mezcla se prepara utilizando un carburador o un equipo de inyección. Hasta ahora, el carburador era el medio más usual de preparación de mezcla, medio mecánico. Desde hace algunos años, sin embargo, aumentó la tendencia a preparar la mezcla por medio de la inyección de combustible en el colector de admisión. Las razones de este cambio residen en el hecho de que la inyección permite una dosificación muy precisa del combustible en función de los estados de marcha y de carga del motor; teniendo en cuenta así mismo el medio ambiente, controlando la dosificación de tal forma que el contenido de elementos nocivos en los gases de escape sea mínimo. Además, asignando una electroválvula o inyector a cada cilindro se consigue una mejor distribución de la mezcla. También permite la supresión del carburador; dar forma a los conductos de admisión, permitiendo corrientes aerodinámicamente favorables, mejorando el llenado de los cilindros, con lo cual, favorecemos el par motor y la potencia, además de solucionar los conocidos problemas de la carburación, como pueden ser la escarcha, las inercias de la gasolina, etc.

21 INYECCIÓN DE GASOLINA (VENTAJAS) Consumo reducido Con la utilización de carburadores, en los colectores de admisión se producen mezclas desiguales de aire/gasolina para cada cilindro. La necesidad de formar una mezcla que alimente suficientemente incluso al cilindro más desfavorecido obliga, en general, a dosificar una cantidad de combustible demasiado elevada. La consecuencia de esto es un excesivo consumo de combustible y una carga desigual de los cilindros. Al asignar un inyector a cada cilindro, en el momento oportuno y en cualquier estado de carga se asegura la cantidad de combustible, exactamente dosificada. Mayor potencia La utilización de los sistemas de inyección permite optimizar la forma de los colectores de admisión con el consiguiente mejor llenado de los cilindros. Gases de escape menos contaminantes La concentración de los elementos contaminantes en los gases de escape depende directamente de la proporción aire/gasolina. Para reducir la emisión de contaminantes es necesario preparar una mezcla de una determinada proporción. Los sistemas de inyección permiten ajustar en todo momento la cantidad necesaria de combustible respecto a la cantidad de aire que entra en el motor. Arranque en frío y fase de calentamiento Mediante la exacta dosificación del combustible en función de la temperatura del motor y del régimen de arranque, se consiguen tiempos de arranque más breves y una aceleración más rápida y segura desde el ralentí.

22 MOTOR DE GASOLINA DOS TIEMPOS (Otto)

23 ANIMACIÓN MOTOR GASOLINA 2 T. Vídeo

24 DIAGRAMA DEL CICLO TEÓRICO (DIESEL) η = W/Q 1 = 1- Q 2 /Q 1

25 DIAGRAMA DEL CICLO MIXTO TEÓRICO (DIESEL)

26 COMPARACIÓN DE CICLOS TEÓRICOS E INDICADOS. MOTORES OTTO-DIESEL

27 BALANCE ENERGÉTICO COMPARATIVO MOTORES GASOLINA-DIESEL GASOLINA Pérdidas térmicas 45%- Rendimiento térmico 55% Pérdidas diagrama 10%- Rendimiento diagrama 90% Pérdidas combustible no quemado 0%-5% Rendimiento combustible no quemado 95%-100% Pérdidas mecánicas 10%- Rendimiento mecán.90% Pérdidas volumétricas 0%-5% Rendimiento volumétrico 95%-100% DIESEL Pérdidas térmicas 35%- Rendimiento térmico 65% Pérdidas diagrama 5%- Rendimiento diagrama 95% Pérdidas combustible no quemado 0% Rendimiento combustible no quemado 100% Pérdidas mecánicas 20%- Rendimiento mecánico 80 % Pérdidas volumétricas 0%-5% Rendimiento volumétrico 95%-100% Perdidas totales: del 65 al 75% Rendimiento total: del 25 al 35% Perdidas totales: del 60 al 65% Rendimiento total: del 35 al 40%

28 RENDIMIENTOS EN EL MOTOR Rendimiento térmico (ᶯ ) t Rendimiento del diagrama (ᶯ ) d Rendimiento indicado (ᶯ) i ᶯ i = ᶯ t ᶯ d Rendimiento mecánico (ᶯ m ) Rendimiento útil (total) (ᶯ u ) ᶯ u = ᶯ t ᶯ d ᶯ m = ᶯ i ᶯ m

29 POTENCIA GENERADA POR UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA P = N/2 V T d a ɗ Q c ɳ u P en kw N en rps y N/2 es el número de ciclos que se realizan en un segundo (en los motores de cuatro tiempos). V T cilindrada total del motor (en litros) d a densidad del aire en kg/l (tomaremos aprox. 1,2 kg/m 3 ) ɗ dosado (1/14,9 para la gasolina y 1/14,5 para el gasóleo) Q c poder calorífico del combustible ( kj/kg para la gasolina y kj/kg para el gasóleo). ɳ u el rendimiento útil (producto de todos los rendimientos).

30 TURBINA Y COMPRESOR RADIALES ACOPLADOS

31 EL TURBOCOMPRESOR Tiene la particularidad de aprovechar la fuerza con la que salen los gases de escape para impulsar una turbina colocada en la salida del colector de escape, dicha turbina se une mediante un eje a un compresor. El compresor esta colocado en la entrada del colector de admisión, con el movimiento giratorio que le transmite la turbina a través del eje común, el compresor eleva la presión del aire que entra a través del filtro y consigue que mejore la alimentación del motor. El turbo impulsado por los gases de escape alcanza velocidades por encima de las rpm Un turbocompresor no funciona de igual manera en distintos regímenes de motor. A bajas revoluciones, el turbocompresor no ejerce presión porque la escasa cantidad de gases no empuja con suficiente fuerza. Un turbocompresor más pequeño evita la demora en la respuesta, pero ejerce menos fuerza a altas revoluciones. Ciclos de funcionamiento del Turbo: Funcionamiento a ralentí y carga parcial inferior. Funcionamiento a carga parcial media. Funcionamiento a carga parcial superior y plena carga.

32 INTERCOOLER Para evitar el problema del aire calentado al pasar por el rodete compresor del turbo, se han tenido que incorporar sistemas de enfriamiento del aire a partir de intercambiadores de calor (intercooler). El intercooler es un radiador que es enfriado por el aire que incide sobre el coche en su marcha normal. Por lo tanto se trata de un intercambiador de calor aire/aire a diferencia del sistema de refrigeración del motor que se trataría de un intercambiador agua/aire. Con el intercooler (se consigue refrigerar el aire aproximadamente un 40% desde hasta ). El resultado es una notable mejora de la potencia y del par motor gracias al aumento de la masa de aire (aproximadamente del 25% al 30%). Además se reduce el consumo y la contaminación.

33 ESQUEMA DEL MOTOR CON TURBOCOMPRESOR E INTERCOOLER

34 LUBRICACIÓN Debido al rozamiento de las piezas móviles en contacto se producen unos desgastes que serían excesivos si no fuera por un sistema de engrase o lubricación que reduce considerablemente el desgaste, evitando además el sobrecalentamiento de las piezas y el gripaje o fusión de las mismas. Las partes del motor que más necesitan la lubricación, son entre otras: las articulaciones de las bielas, los cojinetes, el cigüeñal, el árbol de levas, los taqués, las válvulas, los balancines y los engranajes. Se produce una lubricación por barboteo del aceite al producirse la inmersión de la cabeza de la biela en el depósito (cárter) y otra forzada mediante una bomba, filtrando previamente dicho aceite y lanzándolo a presión por los conductos que el motor tiene para este fin.

35 REFRIGERACIÓN La refrigeración es necesaria para bajar la temperatura del motor. Se realiza extrayendo parte del calor que se produce en la combustión. La refrigeración puede hacerse con aire o con agua (líquido refrigerante). Se utiliza el aire en los motores de pequeña cilindrada. Unas aletas dispuestas en el exterior motor aumenta la superficie de refrigeración y la eficacia de la misma. Cuando se utiliza el agua, esta circula por unos conductos que el motor tiene en el interior de la culata y del bloque. Cuando esta sale del motor está a mayor temperatura que cuando entro en él y vuelve a enfriarse al pasar por el radiador (intercambiador agua/aire) ayudado mediante un ventilador, y de nuevo el agua fría vuelve a refrigerar el motor.