Ciclos Termodinámicos

MAQUINAS HIDRAULICAS Y TERMICAS
Motores de Combustión Interna Alternativos
Ciclos Termodinámicos
CICLOS TERMODINÁMICOS EN LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN
INTERNA ALTERNATIVOS
INTRODUCCIÓN
CICLO IDEAL DE AIRE
CICLO TEORICO AIRE COMBUSTIBLE
CICLO REAL EN MEC Y EN MEP
MEDIDA DE PARÁMETROS INDICADOS
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Ciclos Termodinámicos
INTRODUCCIÓN (I)
EVOLUCIÓN DEL FLUIDO EN EL MOTOR ALTERNATIVO
P
+
V
VPMS
VD
VPMI
 RENOVACIÓN DE LA CARGA
Admisión
Escape
 CICLO TERMODINÁMICO BÁSICO
Compresión
Combustión
Expansión
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INTRODUCCIÓN (II)
CICLO TEÓRICO
Ciclo termodinámico básico en el que se hacen ciertas hipótesis simplificadoras
las cuales permiten la realización de cálculos más fácilmente y sirven de
modelos de referencia o comparación.




Pérdidas de calor
Proceso de combustión
Propiedades del fluido
Proceso de renovación de la carga
1. CICLO IDEAL DE AIRE
Base teórica muy simple, el rendimiento se puede calcular a
partir de fórmulas
2. CICLO TEÓRICO AIRE COMBUSTIBLE
Se consideran las propiedades del fluido más próximas a la
realidad, el rendimiento hay que calcularlo con métodos
numéricos.
3. CICLO REAL
Se analiza a partir del
presión en el cilindro).
diagrama indicador (medidas de
Índice de calidad de un ciclo
Indica la aproximación entre un ciclo real y uno teórico, se define como:
K
WR
R

Wteorico  teorico
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CICLO IDEAL DE AIRE (I)
HIPÓTESIS
1. Calor especifico del fluido constante.
2. Sucesión de procesos similar a las del motor real.
3. La misma relación de compresión volumétrica que en el motor.
4. La misma aportación de energía por unidad de masa que en el proceso
real.
5. La misma presión y temperatura al inicio de la compresión que en el
proceso real.
CICLO AIRE A VOLUMEN CONSTANTE
La aportación de calor al fluido se hace instantáneamente en el punto muerto
superior al final de la carrera de compresión.
  1
1
r  1
Conclusiones principales:
1. El rendimiento aumenta con la relación de compresión.
2. El rendimiento sólo depende de la relación de compresión.
3. El rendimiento aumenta con  la cual disminuye con el dosado.
Este ciclo suele ser representativo de los motores de encendido provocado.
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CICLO IDEAL DE AIRE (II)
CICLO DE AIRE A PRESIÓN LIMITADA
La aportación de calor se realiza a volumen constante hasta que se alcanza
una determinada presión (Pmax) a partir de aquí el resto de calor se libera
mientras baja el pistón de manera que la presión se mantiene constante e igual
a la presión máxima.
La presión máxima suele ser la presión máxima que se da en el motor real.
  1
1
r  1
   1
  1    1
Definiciones
1. Grado de combustión a volumen constante  
2. Grado de combustión a presión constante
P3
P2

=1  P=cte.
V3 A
V3
=1  V=cte.
Este tipo de ciclo es característico de los motores diesel rápidos.
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CICLO IDEAL DE AIRE (III)
CICLO DE AIRE A PRESIÓN CONSTANTE
Es una particularización del anterior en el que ALFA es 1 y todo el combustible
se quema a presión constante.
  1
1
r  1
  1
   1
Este tipo de ciclo es característico de los motores diesel lentos.
EXPRESIONES RELACIONADAS CON LOS CICLOS
Q
 r  1  1
C v T1
Q
 r  1  1
Cv T1
Calor aportado a volumen constante
Calor aportado a presión constante
Trabajo obtenido en el ciclo
Temperatura máxima del ciclo
Presión máxima del ciclo


W
 r  1  1     1     1
Cv T1
T3 A
 r  1
T1
P3
 r  1
P1
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CICLO IDEAL DE AIRE (IV)
COMPARACIÓN DE LOS DIFERENTES CICLOS
a)Mismo calor aportado y misma relación de compresión.
El ciclo con mejor rendimiento es el de volumen constante después el de
presión limitada y el de peor rendimiento el de presión constante. Sin embargo
el de presión constante es el que tiene una menor presión máxima.
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CICLO IDEAL DE AIRE (V)
b) Misma presión máxima y mismo calor aportado
Para un mismo calor aportado y con limitación de presión máxima el ciclo con
mejor rendimiento es el de presión constante y es el que puede tener mayor
relación de compresión.
c) Misma presión máxima y misma temperatura máxima
El ciclo con mejor rendimiento es el de presión constante, también es el de
mayor trabajo ya que tiene más área.
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CICLO IDEAL DE AIRE (VI)
CONSIDERACIONES FINALES SOBRE EL CICLO IDEAL DE AIRE
 Los motores de encendido provocado tienen menor relación de compresión
que los motores de encendido por compresión y dentro de estos últimos los
lentos tienen menor relación de compresión que los rápidos.
 La comparación de ciclos sólo tiene sentido para situaciones similares.
 En motores de encendido provocado el calor aportado por unidad de masa
es mayor (mayor dosado).
 El grado de explosión a volumen constante  está muy relacionado con la
primera fase de la combustión en MEC.
 En MEC la relación de compresión mínima viene fijada por razones de
arranque en frío y en MEP la relación de compresión máxima viene fijada por
razones de detonación (picado de biela).
 Las presiones máximas son mayores en los MEC rápidos que en los lentos y
son menores aún en los MEP.
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CICLO TEÓRICO AIRE COMBUSTIBLE
En este tipo de ciclo el calor específico aumenta con la temperatura con lo cual
empeora el rendimiento.
Si Cv crece aportando el mismo calor obtenemos una menor temperatura final
con lo cual el rendimiento disminuye.
Q = Cv (Tf - Ti)
Cv cte < Cv aire < Cv aire-combustible
Cv=cte
Cv=f(T)
Cv=f(T,F)
P1=1 bar
T1=320 K
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CICLO REAL EN MEP(I)
Ciclo ideal sin
transmisión de
calor
Perdidas
de tiempo
Ciclo ideal con
transmisión de calor
Perdidas
de calor
Perdidas de
calor
Ciclo real con
adelanto en
apertura de
valvula de
escape
Ciclo real
con
adelanto en
apertura de
valvula de
escape
Perdidas
de escape
Causas de las diferencias:
 Fugas
En motores nuevos y puestos a punto son muy bajas.
 Combustión incompleta
Retención de HC en huecos, depósitos y lubricante.
Apagado de llama.
Pared
Tª Combustión
Tª Mínima de combustión
Tª Pared
Distancia de apagado
(inquemados)
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CICLO REAL EN MEP(II)
 Pérdidas de tiempo
En el proceso de combustión existe un frente de llama que tiene que
recorrer toda la cámara de combustión para que la combustión se
complete.
El tiempo que tarda en recorrerse toda la cámara depende
fundamentalmente de:
Naturaleza del combustible y dosado.
Forma y tamaño de la cámara de combustión.
Número y posición de las bujías.
Condiciones operativas del motor.
La potencia y el rendimiento máximo se obtienen cuando la combustión
está centrada respecto del punto muerto superior.
 Combustión progresiva
Debido a que las condiciones de presión y temperatura a lo largo del
periodo de combustión varían, el rendimiento del proceso también varía,
dando lugar a una pérdida.
 Pérdidas de calor
Es necesario refrigerar la cámara de combustión y esto provoca las
pérdidas de calor. La mayor transmisión de calor se produce durante el
proceso de expansión y escape, siendo muy poco lo que se produce
durante la compresión. Durante el proceso de admisión el calor se
transmite de las paredes al fluido (ganancia de calor).
 Pérdidas de escape
La válvula de escape se abre antes del PMI intencionadamente para
mejorar el proceso de renovación de la carga. Lo que se pierde en el
proceso de expansión se recupera en el proceso de renovación de la
carga, por lo que en cierto modo no se pueden considerar como
pérdidas.
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CICLO REAL EN MEP(III)
EFECTO DE LA VARIABLES OPERATIVAS
 Punto de encendido
Tiene una gran influencia sobre la potencia y el rendimiento, para que la
combustión se mantenga centrada al aumentar el régimen de giro es
necesario aumentar el avance.
0
 Régimen de giro
A regímenes bajos las pérdidas de calor y por fugas aumentan.
Para la misma velocidad de combustión, al aumentar el régimen de giro,
la combustión dura más angularmente por lo que hay que avanzar el
inicio de la combustión para que esta permanezca centrada.
ejemplo:
Si la combustión dura 3ms, a 2000 rpm angularmente esto es:    t  360  2000 0.003  36  esto
60
supone un avance de 18° para que la combustión esté centrada en el PMS.
Si el régimen de giro es 4000 rpm    t  360  4000 0.003  72 lo cual supone un avance de 36° para
60
conseguir el mismo centrado de la combustión.
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CICLO REAL EN MEP(IV)
 Presión de admisión
Al aumentar la presión de admisión aumenta la presión media indicada y
por tanto la potencia.
4/4
3/4
2/4
1/4
La modificación de la presión de admisión se da en los casos de
sobrealimentación y de regulación de la carga, esto último sólo en MEP.
 Presión de escape
Influye en el proceso de renovación de la carga de manera que al
aumentar la presión de escape se aumentan los residuales y esto hace
que la combustión se desarrolle más lentamente.
 Relación combustible aire (dosado)
Mejora la potencia hasta valores del dosado relativo del orden de 1.15 y
el rendimiento es mejor para valores del orden de 0.9
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CICLO REAL EN MEC (I)
Características del proceso de combustión en MEC
 En los MEC existe un retraso desde que se inicia la inyección de combustible
hasta que se inicia la combustión.
 El tiempo de retraso va seguido de un aumento brusco de la presión debido
a que se quema gran parte del combustible inyectado durante el tiempo de
retraso.
 Posteriormente el resto del combustible se quema en un proceso de
combustión más lento durante el proceso de expansión.
 La duración angular de cada una de estas tres fases varían con el diseño y
las condiciones operativas.
MEP
MEC
MEC
MEP
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CICLO REAL EN MEC (II)
Pérdidas de tiempo en MEC
Las pérdidas de tiempo en MEC son más variables que en los MEP pues
el proceso de combustión se ve muy modificado en función de las
variables operativas: régimen y grado de carga fundamentalmente.
MEP
MEC
MEP
MEC
No hay que olvidar que en estos diagramas los dos ciclos tienen la misma
relación de compresión pero realmente en MEC la relación de
compresión es aproximadamente el doble que en MEP.
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MEDIDA DE PARÁMETROS INDICADOS
En la actualidad se utilizan captadores piezoeléctricos para medir la presión, la
adquisición de datos está sincronizada con un codificador angular que genera
la señal de disparo de la adquisición (1xVuelta) y la señal de reloj (NxVuelta).
La señal de disparo indica el inicio de la adquisición y es necesario saber en
que posición angular está respecto de alguna referencia generalmente el PMS.
La señal de reloj dispara cada una de las adquisiciones individuales de datos,
con lo que sabiendo el incremento angular de la señal de reloj se sabe la
distancia angular entre cada dato.
De esta manera sólo se registra una señal, la de presión pero se sabe a que
posición angular corresponde cada dato y consecuentemente se conoce el
volumen en el interior del cilindro.
Captador presión
(piezoeléctrico)

N  Vuelta
Captadores de posición
(magnéticos u ópticos)
Señal 1 Vuelta
1  Vuelta
Referencia Angular
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BIBLIOGRAFÍA
Taylor, C. F., The Internal Combustion Engine in Theory and Practice. The MIT Press, 1982.
Cap. 2: Air Cycles (pp.22-39). Cap. 4: Fuel-Air Cycles (pp. 67-106). Cap. 5: The Actual Cycle
(pp. 107-146).
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