analisis de un motor

8/15/2019 Analisis de Un Motor

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Eficiencia Real de un Motor

de Combustión InternaTermodinámica

2MM2

Integrantes:

García Sánchez Gustavo Eduardo.

Gutiérrez Hernández Mauricio.

Rangel Hernández Eduardo Israel.

Sánchez Cortes José Arley.

Vargas Luis Carlos Eduardo.


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Objetivo

El presente trabajo tiene como objetivo obtener información sobre la funcionalidad del

motor de una camioneta Chevrolet Venture 1997, así como calcular la eficiencia del

motor.

Marco teórico

Ciclo

Un ciclo es la sucesión de transformaciones que experimenta un sistema hasta retornar a su

estado inicial.

Por lo general los ciclos se desarrollan periódica y repetidamente. Así, por ejemplo, el motor de un

automóvil completa un ciclo cada vez que una de sus bujías produce el encendido de la gasolina.

Toda máquina térmica que funciona a ciclos comprende los siguientes elementos esenciales:

A.

Un fluido que evoluciona experimentando cambios de estado y recibiendo calor y

realizando trabajo, o viceversa.

B.

Una fuente calorífica (el foco caliente), llamada también depósito de calor, dentro del cual

se agrega calor al fluido que evoluciona y trabaja.

C.

Un receptor (el foco frio) llamado también, sumidero, donde el fluido entrega calor y que

generalmente es la atmosfera o un rio, lago o mar.

D.

Un motor o maquina en el cual el fluido puede realizar trabajo (si recibe calor) o recibir

trabajo (cuando entrega calor).

El estudio teórico de los ciclos se efectúa considerando como fluido que evoluciona, el aire con

calor especifico constante y que cumple las leyes de los gases perfectos. Tal ciclo hipotético se lo

denomina ciclo ideal o ciclo teórico.

Asimismo, se supone que el ciclo es reversible, es decir, despreciando los rozamientos; y

pudiéndose aceptar que está constituido por transformaciones isotérmicas y/o adiabáticas.

En el análisis de un ciclo cualquiera, hay interés particular en determinar:

A)

La cantidad de calor suministrada y la cantidad de calor cedida.

B)

El trabajo neto.

C)

El rendimiento

Motores a combustión interna

En estas máquinas, un gas o una mezcla de gases contenidos en un cilindro experimenta un ciclo,

obligando al embolo a comunicar a un eje, un movimiento de rotación, venciendo una fuerza.

Además, es necesario que, en determinado instante del ciclo, el gas experimente elevaciones de

temperatura y de presión.


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Hay dos tipos clásicos de motores a combustión interna:

A)

El motor a nafta (o gasolina), en el cual la combustión de la mezcla de nafta y aire se

realiza en forma explosiva, por acción de una chispa eléctrica; por esta razón también se le

llama motor a explosión.

B)

El motor Diesel que utiliza como combustible aceite pesado, cuya combustión se hace máslentamente, pulverizando el aceite dentro del cilindro.

El motor corriente de combustión interna, se le denomina también de cuatro tiempos, porque en

cada ciclo tienen lugar cuatro movimientos del embolo (o pistón), denominados:

Carrera de admisión.

Carrera de compresión.

Carrera de expansión.

Carrera de escape.

Por lo tanto, para completar un ciclo se necesitan dos revoluciones del eje motor. La secuencia delciclo se puede interpretar mediante la siguiente figura:

Figura 1.- Representación gráfica del ciclo de un motor a combustión interna.

A)

En la carrera de admisión (o aspiración) se introduce combustible y aire en un motor a

explosión o solamente aire en el motor diésel, a través de la válvula de aspiración.

B)

Al final de la carrera de admisión en la figura 1(b) ha ingresado al cilindro el aire y la nafta

y están cerradas las dos válvulas.

C)

La carrera de compresión en la figura 1 (c) es idéntica en ambos motores.

D)

Al final de la carrera de compresión tiene lugar el encendido del combustible (en el motor

a explosión mediante la chispa de una bujía y en el motor Diesel inyectando una lluvia de


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Las fases de operación de este tipo de motor son las siguientes:

Admisión (1): El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de

mezcla (aire + combustible) 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 la figura 2

aparece que la línea recta EA. Compresión (2): El pistón sube comprimiendo la mezcla. Dada la velocidad del proceso se

supone que la mezcla no tiene la posibilidad de intercambiar calor con el ambiento, por lo

que el proceso es adiabático. Se modela como la curva adiabática reversible AB, aunque

en realidad no lo es por la presencia de factores irreversibles; como la fricción.

Combustión

Con el pistón en su punto más alto, salta la chispa de la bujía. El calor generado en la

combustión calienta bruscamente el aire, que incrementa su temperatura a volumen

prácticamente constante (ya que al pistón no le ha dado tiempo a bajar). Esto se

representa por una isocora BC. Este paso es claramente irreversible, pero para el caso

de un proceso isocora en un gas ideal el balance es el mismo que en uno reversible.

Expansión (3): 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 CD.

Escape (4): 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. El sistema es realmente abierto, pues intercambia masa con

el exterior. 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 isocora DA. Cuando el

pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, empleamos la isobara AE,

cerrando el ciclo.

Eficiencia en función del calor

Al analizar el ciclo Otto ideal, podemos despreciar en el balance los proceso de admisión y de

escape a presión constante AE y EA, ya que al ser idénticos y reversibles, en sentido opuesto,

todo el calor y el trabajo que se intercambien en uno de ellos, se cancela con un término opuesto

al otro.

1.

Intercambio de calor

De los cuatro procesos que forman el ciclo cerrado, no se intercambia calor en los procesos

adiabáticos AB y CD, por definición. Si se intercambia en los dos procesos isocoros.

En la ignición de la mezcla BC, una cierta cantidad de calor (procedente de la energíainterna del combustible) se transfiere al aire. Dado que el proceso sucede a volumen

constante, el calor coincide con el aumento de la energía interna:


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= ∆ = ∆ = El subíndice “c” viene de que este calor se intercambia con un supuesto foco caliente.

En la expulsión de los gases DA, el aire sale a una temperatura mayor que a la entrada,

liberando posteriormente un calor

al ambiente. En el modelo de sistema cerrado, en el que

nos imaginamos que es el mismo aire el que se comprime una y otra vez en el motor,

modelamos esto como que el calor es liberado en el proceso DA, por enfriamiento . Elvalor absoluto viene de que, siendo un calor que sale del sistema al ambiente, su signo es

negativo. Su valor, análogamente al caso anterior, es:

= |∆| = |∆| = El subíndice “f” viene de que el calor se cede a un foco frio, en el ambiente.

2.

Trabajo realizado

De forma opuesta a lo que ocurre con el calor, no se realiza trabajo sobre el sistema en los

dos procesos isocoras. Si se realiza en los dos adiabáticos.

En la compresión de la mezcla AB, se realiza un trabajo positivo sobre el gas. Al ser un

proceso adiabático, todo este trabajo se invierte en incrementar la energía interna, elevando

su temperatura:

→ = ∆ = ∆ = En la expansión CD es el aire el que realiza trabajo sobre el pistón. De nuevo este trabajo útil

equivale a la variación de la energía interna:

→ = ∆ = Este trabajo es negativo, por ser el sistema el que lo realiza.

El trabajo útil realizado por el motor será el trabajo neto entregado, igual a lo que produce (en

valor absoluto) menos lo que emplea en funcionar:

|| = |→| |→| = = + Por tratarse de un proceso cíclico, la variación de la energía interna es nula al finalizar el ciclo.

Esto implica que el calor neto introducido en el sistema debe ser igual al trabajo neto realizado

por este, en valor absoluto:

|| = || = |→| |→| 3.

Rendimiento

El rendimiento (o eficiencia) de una maquina térmica se define, en general como “lo que

sacamos dividido por lo que nos cuesta”. En este caso, lo que sacamos es el trabajo neto útil,


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||. Lo que nos cuesta es el calor , que introducimos en la combustión. No podemosrestarle el calor || ya que ese calor se cede al ambiente y no es reutilizado (lo que violaría elenunciado de Kelvin-Planck). Por tanto:

=

||

||

Sustituyendo el trabajo como diferencia de calores:

= || |||| = 1 ||||

Eficiencia en función de las temperaturas

Sustituyendo las expresiones del calor que entra en el sistema, ||, y el que sale de él, ||,obtenemos la expresión del rendimiento:

= 1 || = 1 = 1

Vemos que el rendimiento no depende de la cantidad de aire que haya en la cámara, ya que n se

cancela.

Podemos simplificar estas expresiones observando que BC y DA son procesos isocoros, por lo

que:

= =

Y que AB y CD son adiabáticos, por lo que cumplen la ley de Poisson (suponiéndolosreversibles):

− = − − = − Con = 1.4 la relación entre las capacidades caloríficas a presión constante y a volumenconstante. Sustituyendo la igualdad de volúmenes:

− = − − = − Dividiendo la segunda por la primera, obtenemos la igualdad de proporciones:

=

Restando la unidad a cada miembro:

=

1 =

1 =


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Intercambiando el denominador del primer miembro, con el numerador del ultimo llegamos a:

=

Con lo anterior obtenemos el rendimiento:

= 1 = 1

Esto es, la eficiencia depende solamente de la temperatura al inicio y al final del proceso de

compresión, y no de la temperatura tras la combustión, o de la cantidad de calor que introduce

ésta.

Puesto que < , siendo la temperatura máxima que alcanza el aire, vemos ya que este ciclova a tener un rendimiento menor que un ciclo de Carnot que opere entre esas las temperaturas

.Eficiencia en función de la razón de compresión

Aplicando de nuevo la relación de Poisson:

− = − Es posible expresar el rendimiento como:

= 1 = 1 ()

−= 1 1−

Con:

=

El factor “r” se conoce como la razón de compresión entre el volumen inicial y el final.


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Desarrollo.

Para poder calcular de la eficiencia de un motor real que cumpla el ciclo Otto, tuvimos que medir

las dimensiones de los cilindros que componen al motor. Estos fueron medidos de una camioneta

Chevrolet Venture modelo 1997, de 6 cilindros con transmisión automática.

Figura 4.- Medición de las dimensiones del motor.

Figura 5.- Midiendo el tamaño del cabezal del pistón.

Para realizar la medición de estos cilindros utilizamos un calibrador vernier, las medidas arrojadas

fueron las siguientes:

: = 91.5 :ℎ = 84


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:ℎ = 22.45 Teniendo estos datos se pudo calcular los volúmenes iniciales y finales, teniendo en cuenta que un

ciclo Otto tiene 2 fases isocoras, ósea que el volumen es constante en esos extremos. Arrojando

los volúmenes siguientes:

= 1.468210− = 2.20910−

Estos datos fueron corroborados en el libro "Manual y datos técnicos de motores a Gasolina”1,

comprobando así los valores medidos, como también se obtuvo el valor de la potencia que ejerce

el motor, el cual es:

= 134.22 Con una velocidad angular de:

= 5200 = 544.5

Y una velocidad tangencial de:

= 170

También encontramos el valor de la temperatura del radiador, el cual es de:

= 82° = 384

1 "Manual y datos técnicos de motores a Gasolina”, Tf Victor, Edición 19.


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Ya teniendo los datos, procedimos a buscar en tablas los valores de la gasolina, los cuales son:

Capacidad calorífica a presión constante: = 2220 ∗

Factor poli trópico: = 1.12 Temperatura de ignición: = 456° = 729 Densidad de la gasolina: = 0.68 Poder calorífico: % = 41.4 Energía: = 134.33

Teniendo estos datos, pudimos calcular el valor de la capacidad calorífica a volumen constante de

la gasolina.

= ∗ = 2486.4 ∗

También con estos datos, calculamos la masa de cada pistón, lo cual es:

= = 3.24210−

= 5.410− Los volúmenes del ciclo son los siguientes:

= = 1.468210− = = 2.26210−

Figura 6.- Diagrama P-V del ciclo Otto, mencionando sus fases


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Teniendo esto, procedimos a calcular el calor de entrada:

∆ = ∆ ∆ = = 375

∆ = 5.410−2486.4375 ∆ = 503.49

Para obtener la diferencia de temperatura, utilizamos la ecuación poli trópica para un proceso

adiabático:

− = Dando como resultado un valor de temperatura de:

∆ = 302.99

Con estos valores, se puede calcular el calor de salida del sistema, el cual se obtiene por:

∆ = ∆ ∆ = 5.410−2486.4302.99

∆ = 406.81 Por ultimo utilizamos la ecuación para la eficiencia, la cual está dada por:

= 1

Dando como resultado final de:

= . . %

Conclusiones

Durante el desarrollo del presente trabajo, se observó la necesidad de mejorar el rendimiento de

las máquinas de combustión interna; debido a que con el resultado obtenido del 19.2% se observa

que poco más del 80% de la energía que genera el motor, se pierde en forma de calor disipado

dentro del motor y en general sobre los elementos que producen fricción durante sufuncionamiento.

A su vez otro factor que afecta a este tipo de sistemas, es su capacidad para extraer la energía

proporcionada por la combustión de la gasolina; principalmente se debe a la pureza existente en la

gasolina que no permite que con el simple encendido de la bujía, se obtenga la energía esperada

de dicha explosión. Así como la calibración de los sistemas de inyección para regular la cantidad de

combustible que ingresa en cada inicio del ciclo termodinámico.


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Bibliografía

http://web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes/notes.html

Stevenazzi, Termodinámica, Buenos aires, Cesarini Hnos.- Editores, Quinta Edición.

"Manual y datos técnicos de motores a Gasolina” , Estado de México, Edición 19.

Anexos.

Escaneo de hojas de datos del libro “Manual y datos técnicos de motores a Gasolina”.

http://web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes/notes.htmlhttp://web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes/notes.htmlhttp://web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes/notes.html


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Anexos.


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