CICLO OTTO CICLO DIESEL. Francisco Javier Lozano Cortés

Transcripción

1 CICLO OTTO CICLO DIESEL Francisco Javier Lozano Cortés

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9 MOTOR OTTO

10 Fases ciclo otto 4 tiempos ADMISIÓN COMPRESIÓN EXPLOSIÓN ESCAPE

11 Fase de admisión Durante la primera fase el pistón se desplaza hasta el PMI y la válvula de admisión permanece abierta, permitiendo que se aspire la mezcla de combustible y aire hacia dentro del cilindro (esto no significa que entre de forma gaseosa).

12 FASE DE COMPRESIÓN Durante la segunda fase las válvulas permanecen cerradas y el pistón se mueve hacia el PMS, comprimiendo la mezcla de aire y combustible. Cuando el pistón llega al final de esta fase, la bujía se activa y enciende la mezcla.

13 FASE DE EXPLOSIÓN Durante la tercera fase se produce la combustión de la mezcla, liberando energía que provoca la expansión de los gases y el movimiento del pistón hacia el PMI. Se produce la transformación de la energía química contenida en el combustible en energía mecánica trasmitida al pistón. Él la trasmite a la biela, y la biela la trasmite al cigüeñal, de donde se toma para su utilización.

14 En la cuarta fase se abre la válvula de escape y el pistón se mueve hacia el PMS, expulsando los gases producidos durante la combustión y quedando preparado para empezar un nuevo ciclo (renovación de la carga) FASE DE ESCAPE

15 CICLO COMPLETO

16 VIDEO CICLO OTTO 3D

17 CICLO TEÓRICO OTTO Admisión 0-1 Compresión 1-2 Encendido 2-3 Trabajo 3-4 Apertura Válvula de Escape 4-1 Escape 1-0

18 ISOBARA Admisión: El pistón se desplaza desde el PMS al PMI. La válvula de admisión se encuentra abierta. El cilindro se llena con mezcla aire/combustible. El llenado del cilindro requiere un trabajo negativo

19 ADIABATICA Compresión: Con las dos válvulas cerradas, el pistón se desplaza desde el PMI al PMS. Se realiza una carrera completa. Se comprime la mezcla aire/combustible. La compresión requiere trabajo negativo.

20 ISOCORA Encendido: Cuando el pistón llega al PMS, se enciende la chispa en la bujía y se quema la mezcla en la cámara de combustión, aumentando la presión

21 ADIABATICA Trabajo: Con las dos válvulas cerradas el pistón se desplaza desde el PMS al PMI. Se realiza una carrera completa. La evolución genera trabajo positivo. De hecho es la única evolución del total del ciclo en que se genera trabajo positivo al exterior.

22 ISOCORA Ap. Válvula de Escape: En teoría esta caída de presión de 4 a 1 es instantánea y ocurre cuando se abre la válvula de escape.

23 ISOBARA Escape: El pistón se desplaza desde el PMI al PMS. Se realiza una carrera completa. En principio la presión dentro del cilindro es igual a la atmosférica, por lo cual el trabajo requerido es cero.

24 CICLO REAL OTTO

25 1. PÉRDIDAS DE CALOR Como el cilindro esta refrigerado para asegurar el buen funcionamiento del pistón, una cierta parte de calor del fluido se transmite a las paredes. Se produce, por tanto, una perdida de trabajo útil correspondiente a la superficie A de la figura.

26 2. COMBUSTIÓN NO INSTANTÁNEA En el ciclo teórico, se supone que la combustión se realiza a volumen constante; es, por tanto, instantánea; en el ciclo real, por el contrario, la combustión dura un cierto tiempo. Si el encendido tuviese lugar justamente en el P.M.S., la combustión ocurriría mientras el pistón se aleja de dicho punto, y el valor de la presión seria inferior al previsto, con la correspondiente perdida de trabajo útil, por lo que es necesario anticipar el encendido de forma que la combustión pueda tener lugar, en su mayor parte, cuando el pistón se encuentra en la proximidad del P.M.S. Esto produce un redondeamiento de la línea teórica 2-3 de introducción del calor y, por tanto, una perdida de trabajo útil representada por el área B.

27 3. TIEMPO DE ABERTURA DE LA VÁLVULA DE ESCAPE En el ciclo teórico también habíamos supuesto que la sustracción de calor ocurría instantáneamente en el P.M.I En el ciclo real la sustracción de calor tiene lugar en un tiempo a que una parte de los gases salgan del cilindro antes de que el pistón alcance el P.M.I. de manera que su presión descienda cerca del valor de la presión exterior al comienzo de la carrera de expulsión. Este hecho provoca una perdida de trabajo útil representada por el arrea C, perdida que es, sin embargo, menor que la que se tendría sin el adelanto de la abertura de la válvula de escape.

28 /asignaturas/fisica/termo2p/otto.html

29 Ciclo Otto dos tiempos (Admisión - Compresión). Cuando el pistón alcanza el PMI empieza a desplazarse hasta el PMS, creando una diferencia de presión que aspira la mezcla de aire y gasolina. Cuando el pistón tapa la lumbrera, deja de entrar mezcla. (Expansión - Escape de Gases). Una vez que el pistón ha alcanzado el PMS, se la enciende una chispa de la bujía. El pistón se desplaza hacia abajo, realizando trabajo hasta que se descubre la lumbrera de escape. Los gases quemados salen por ese orificio.

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31 MOTOR DIESEL

32 Fases ciclo diesel 4 tiempos ADMISIÓN COMPRESIÓN EXPANSIÓN ESCAPE

33 FASE DE ADMISIÓN Aire puro entra en el cilindro por el movimiento de retroceso del pistón.

34 FASE DE COMPRESIÓN El pistón comprime el aire muy fuerte y éste alcanza una temperatura muy elevada.

35 FASE DE EXPANSIÓN Se inyecta el gasoil, y éste se enciende inmediatamente por causa de la alta temperatura

36 El pistón empuja los gases de combustión hacia el tubo de escape FASE DE ESCAPE

37 CICLO COMPLETO

38 CICLO DIÉSEL DOS TIEMPOS VIDEO CICLO DIESEL DOS TIEMPOS

39 CICLO TEÓRICO DIÉSEL Admisión E A Compresión A B Combustión B C Expansión C D Escape D A y A E

40 ISOBARA Admisión E A El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de aire en la cámara. Esto se modela como una expansión a presión constante (ya que al estar la válvula abierta la presión es igual a la exterior). En el diagrama PV aparece como una recta horizontal.

41 ADIABATICA Compresión A B El pistón sube comprimiendo el aire. Dada la velocidad del proceso se supone que el aire no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiabático. Se modela como la curva adiabática reversible A B, aunque en realidad no lo es por la presencia de factores irreversibles como la fricción.

42 ISOBARA Combustión B C Un poco antes de que el pistón llegue a su punto más alto y continuando hasta un poco después de que empiece a bajar, el inyector introduce el combustible en la cámara. Al ser de mayor duración que la combustión en el ciclo Otto, este paso se modela como una adición de calor a presión constante. Éste es el único paso en el que el ciclo Diesel se diferencia del Otto.

43 ADIABATICA Expansión C D La alta temperatura del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él. De nuevo, por ser un proceso muy rápido se aproxima por una curva adiabática reversible.

44 ISOCORA Escape D A Se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una temperatura mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en la siguiente admisión. No obstante, dado que la cantidad de aire que sale y la que entra es la misma podemos, para el balance energético, suponer que es el mismo aire, que se ha enfriado. Este enfriamiento ocurre en dos fases. Cuando el pistón está en su punto más bajo, el volumen permanece aproximadamente constante y tenemos la isócora D A.

45 ISOBARA Escape A E Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, empleamos la isobara A E, cerrando el ciclo.

46 CICLO REAL DIESEL

47 1.COMBUSTIÓN A PRESIÓN CONSTANTE Como se ve en el diagrama indicado, en la practica la combustión se realiza en tales condiciones, que la presión varia durante el proceso, mientras que en el ciclo teórico habíamos supuesto que se mantenía constante. En realidad, una parte de la combustión se lleva a cabo a volumen constante, y otra parte, a presión constante, casi como en el ciclo Otto real.

48 2.PÉRDIDA POR BOMBEO Las perdidas por bombeo son inferiores a las que se producen n ciclo Otto, puesto que no hay estrangulamiento en el aire de aspiración; en los motores de encendido por compresión no existe la válvula mariposa, característica de los motores de encendido por chispa, provistos de carburador. Por ello, la superficie negativa del ciclo Diesel real es menor que la del ciclo Otto.

49 APLICACIONES 2T gasolina: tuvo gran aplicación en las motocicletas, motores de ultraligeros (ULM) y motores marinos fuera-borda hasta una cierta cilindrada, habiendo perdido mucho terreno en este campo por las normas anticontaminación. Sólo motores muy pequeños como moto sierras y pequeños grupos electrógenos siguen llevándolo. 4T gasolina: domina en las aplicaciones en motocicletas de todas las cilindradas, automóviles, aviación deportiva y fuera borda. 2T diesel: domina en las aplicaciones navales de gran potencia, hasta CV hoy día, tracción ferroviaria. En su día se usó en aviación con cierto éxito. 4T diesel: domina en el transporte terrestre, automóviles, aplicaciones navales hasta una cierta potencia. Empieza a aparecer en la aviación deportiva.

50 Diferencias motor gasolina / motor diesel

51 Las diferencias principales entre el motor a gasolina y el Diesel son: Un motor a gasolina succiona una mezcla de gas y aire, los comprime y enciende la mezcla con una chispa. Un motor diesel sólo succiona aire, lo comprime y entonces le inyecta combustible al aire comprimido. EL calor del aire comprimido enciende el combustible espontáneamente. Un motor diesel utiliza mucha más compresión que un motor a gasolina. Un motor a gasolina comprime a un porcentaje de 8:1 a 12:1, mientras un motor diesel comprime a un porcentaje de 14:1 hasta 25:1. La alta compresión se traduce en mejor eficiencia. Los motores diesel utilizan inyección de combustible directa, en la cual el combustible diesel es inyectado directamente al cilindro. Los motores a gasolina generalmente utilizan carburación en la que el aire y el combustible son mezclados un tiempo antes de que entre al cilindro, o inyección de combustible de puerto en la que el combustible es inyectado a la válvula de succión (fuera del cilindro).

52 Rendimiento El motor Diesel funciona de una forma distinta al de gasolina; ambos son de combustión pero la diferencia esta en como la logran. En el motor de gasolina, se realiza una mezcla de aire con combustible y se pasa al cilindro del motor. Se comprime la mezcla y se provoca una explosión con la chispa de la bujía. Este proceso se repite una y otra vez para mantener en marcha al motor. El motor diesel realiza el proceso de forma diferente: El aire (sin mezclarse con el diesel) se pasa al cilindro del motor. Se comprime el aire y una vez en este punto se inyecta combustible para generar la explosión (no se utilizan bujías). Esto ocurre porque el aire al comprimirse se calienta y cuando el combustible entra en contacto con este, se genera la explosión. Este proceso se repite una y otra vez para mantener en marcha al motor.

53 Ahora viene lo interesante: que hay de especial en el método empleado por el motor Diesel? El secreto esta en la compresión del aire. Mientras mas aire se comprime, el combustible puede interactuar con más oxigeno y originar una explosión mayor que resulta en más potencia para el motor. El motor de gasolina tiene un radio de compresión de 8:1 a 12:1 mientras que el Diesel lo tiene entre 14:1 y 25:1. Si parte del secreto esta en la compresión, entonces por qué los motores de gasolina no la aumentan? Sencillo, como en los motores de gasolina el aire y el combustible entran mezclados al cilindro no se puede aumentar tanto la compresión porque la mezcla se calentaría demasiado y explotaría de forma descontrolada provocando daños al motor. En los motores diesel esto no ocurre porque el aire se comprime sin el combustible y cuando llega al punto máximo entonces se realiza la inyección, resultando en una explosión controlada.

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55 MOTORES GASOLINA Tenemos a una industria petrolera que aparentemente no ha reaccionado ante tanto coche eléctrico y de hidrógeno. El motivo es muy sencillo: sienten que su posición de privilegio es todavía muy segura y que mientras haya reservas de petróleo para refinar combustibles fósiles, el público seguirá optando por la gasolina y sus derivados en el futuro cercano. Se calcula que las actuales reservas mundiales de petróleo alcanzarán para abastecer al mundo por aproximadamente otros 60 años, promediando las reservas de los países de la OPEP, con la demanda de los tres grandes consumidores mundiales: Rusia, China y EEUU.

56 MOTORES DIESEL Hoy en día, los Diesel consumen aproximadamente un 30% menos que los motores de inyección de gasolina y alrededor de un 25% menos que los motores de gasolina por inyección directa. El Diesel es una solución eficiente, incluso, para coches deportivos. Además las emisiones de CO 2 son, de media, un 25% inferiores que las de un vehículo de gasolina de las mismas prestaciones. El motor de Diesel, va a seguir siendo el sistema de propulsión principal en las próximas décadas, mientras que el automóvil eléctrico se mejorará notablemente en el futuro, pero aún necesita tiempo para reemplazar, a largo plazo, a los motores de combustión. Según las previsiones, en 2025, aproximadamente, el 3% de las ventas mundiales de vehículos serán de eléctricos.

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58 CÉLULA COMBUSTIBLE Motores más silenciosos No emite gases tóxicos No es fácil almacenar hidrógeno líquido. Las células todavía tardan demasiado en "calentarse", y el rendimiento de estos motores es menor que el de aquellos que funcionan a gasolina. El proceso para extraer hidrógeno del agua insume gran cantidad de energía (combustible fósil) y contamina el ambiente.

59 HÍBRIDOS un automóvil que aprovecha la potencia de su motor a gasolina para alimentar un motor eléctrico paralelo. De este modo se logra gran eficiencia en el uso del combustible. son casi tan eficientes como los diesel queda mucho para que los automóviles híbridos igualen a los actuales en precio. en países como Estados Unidos y el Reino Unidos no parecen estar en la preferencia de los consumidores.

60 BIO - COMBUSTIBLES Si bien la idea nunca germinó, muchos creen que ha puesto de relieve un hecho fundamental: que la naturaleza puede proveernos de numerosas fuentes de energía más baratas y limpias que el petróleo. En Brasil y Francia ya se utiliza el bioetanol mezclado con gasolina. Se trata de un alcohol obtenido de la caña de azúcar o la remolacha. Teóricamente, el aceite de cocina puede ser utilizado en automóviles diesel. Algunas firmas británicas han comenzado a ofrecerlo y podría reemplazar enteramente al combustible diesel.

61 ENERGÍA ELEMENTAL Este automóvil utiliza, de hecho, aire comprimido como combustible y su inventor, el ingeniero francés Guy Negre, asegura que no contamina el ambiente. Otra alternativa gratuita, la energía solar, tampoco ha logrado imponerse, aunque existe un gran entusiasmo en el mundo científico. Frecuentemente se realizan carreras de automóviles solares en las que compiten equipos de investigadores. Los críticos han objetado que de todos modos se necesita electricidad para comprimir el aire. En países como en Reino Unido, la escasez de días soleados ha jugado en contra de esta tecnología.

62 MECANISMO DE RELOJERÍA Si las reservas de petróleo realmente se acaban, los conductores podrían hallar algún "consuelo" en los trabajos de Leonardo da Vinci. El vehículo de madera es accionado por resortes extendidos en la dirección opuesta al destino del conductor. También incorpora un sistema rudimentario de frenos.

63 EFECTOS MEDIOAMBIENTALES MOTORES DIESEL MOTORES GASOLINA MONOXIDO DE CARBONO 0,2 % 6 % OXIDOS DE NITROGENO 0,45 % 0,35 % HIDROCARBUROS 0,04 % 0,4 % DIOXIDO DE AZUFRE 0,04 % 0,007 % HOLLIN 0,3 % 0,05 %

64 el/compensa/sucio/elpepisoc/ elpepi soc_1/tes

65 Motores diesel emiten menos CO2 que los motores gasolina En cambio, los motores diesel emiten más partículas en suspensión (PM2,5) y más óxido de nitrógeno. Las partículas PM2,5 se pueden acumular en el sistema respiratorio y están asociadas con el aumento de las enfermedades respiratorias.

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