Motores Térmicos Cuestiones y Problemas

Motores Térmicos
Cuestiones y Problemas
3. CICLOS MCIA
Problema 3.1
Determinar una expresión del rendimiento de un ciclo ideal a volumen constante en función de la relación de
compresión y del exponente politrópico.
Problema 3.2
Un ciclo ideal de aire de presión limitada con r=14 y pmax=70 bar tiene en el instante inicial de la compresión
una presión de 0.9 bar y una temepratura de 41ºC. El calor total aportado en el ciclo es de 2000 kJ/(kg de masa
en el ciclindro). Calcular:
 El dosado relativo.
 Presión temepratura y volumen específico de los puntos del ciclo.
 Determinar wi (trabajo específico), Pmi y rendimiento indicado sin utilizar la expresión del rendimiento en
función de alfa y beta.
 Sabiendo que este ciclo se desarrolla en un motor de 4 tiempos, 2 litros de ciclindrada total y que
funciona a 1500 rpm, determinar par y potencia indicada.
Cp=1 kJ/kg/K, Fe=1/15, Hc=42 MJ/kg, R=287 J/kg/K, =1.4
 Comparar este ciclo con otro en el que se eleva la presión inicial isoentrópicamente hasta 2 bar y se
mantiene el calor aportado por unidad de masa en cada fase de la combustión.
 Comparar también con un ciclo con la misma presión de sobrealimentación pero con un posterior
enfriamiento hasta la temperatura inicial.
Problema 3.3
Se pretende aumentar la potencia de un motor de encendido provocado. Para ello se recurre a aumentar el
trabajo indicado desarrollado en el ciclo de aire equivalente de volumen constante, de las siguientes
características:
o Qcombustion = 2000 kJ/kg
o padmisión = 0.9 bar
o Tadmisión = 30ºC
o rc = 8
o vadmisión = 1 m3/kg
o =1.35
Analizando la cuestión se llega a la conclusión de que las alternativas para aumentar el trabajo indicado podrían
ser utilizar un combustible de mayor poder calorífico (aumentar Qc) o aumentar la relación de compresión
volumétrica.
 Si se aumenta la relación de compresión de 8 a 10, manteniendo el calor de combustión, ¿cuál es el
aumento de trabajo indicado del ciclo?
 En cuanto se debería aumentar el calor de combustión para, manteniendo la relación de compresión en
8 lograr el mismo aumento de trabajo indicado que en el apartado a.
 Examinar los resultados de los apartados anteriores analizando el aumento de temperaturas y presiones
máximas de combustión en cada caso.
 Analizar que ocurre en el caso de aumentar la relación de compresión, si la mitad del calor se libera a
volumen constante y el resto a presión constante
Problema 3.4
Determinar una expresión de la temperatura de escape en función del dosado para un ciclo ideal a volumen
constante con relación de compresión “r”, temperatura de admisión T1, exponente politrópico , calor especificoa
volumen constante Cv y poder calorífico del combustible Hc.
Problema 3.5
Un MEP industrial de cuatro tiempos con una potencia indicada de 1 MW funciona a 1500 rpm según un ciclo
ideal a presión limitada de manera que la mitad del calor se libera a volumen cte y la otra mitad a presión
constante. El dosado relativo es 0.65 y es un motor sobrealimentado con presión de admisión 2bar y temperatura
de admisión después del intercooler de 60ºC
Determinar:
 Para todos los puntos del ciclo, presión temperatura y volumen específico.
 El trabajo indicado y el rendimiento indicado del ciclo.
 Determinar la cilindrada y el gasto de aire.
Hc=45000 kJ/kg Fe=1/17 r=12 γ =1.4 Cp=1kJ/kg/K
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indicación: para el último apartado, despreciar el volumen de la cámara de combustión frente al volumen
desplazado.
Problema 3.6
Se tiene un motor diésel de aspiración natural que inicialmente funciona con Fr=0.75. El motor tiene una relación
de compresión volumétrica rc=15. Se establece que el 50% de la masa de combustible se quema en la fase a
volumen constante y el resto en la fase de presión constante
Se quiere sobrealimentar este motor con una presión de admisión de de 1.6 bar a una temperatura de 310 K.
 ¿Qué Fr se requerirá si se pretende mantener la temperatura máxima?
 ¿Qué presión máxima se obtendrá si se aplica este criterio?
Otro criterio aplicable es mantener el nivel de presión máxima. Si se aplica este criterio,
 ¿qué Fr se obtiene?
 ¿qué temperatura máxima se obtiene en este caso?
 Elabore una tabla con los trabajos específicos de expansión, compresión y total en los 3 casos.
Datos:
p1=0.95 bar, T1= 293.15 K. Fe=1/15. Hc=42000 kJ/kg. Cp=1 kJ/(kgK). γ=1.35.
Problema 3.7
Un MEC de 4 cilindros, 4 tiempos y 6000 cc de cilindrada total, tiene una relación de compresión volumétrica de
17:1 y una presión máxima de combustión de 85 bar operando en unas condiciones ambientales de 1 bar y 20
ºC. Se considera que estas condiciones se dan al inicio de la compresión.
La masa de combustible inyectado por cilindro y ciclo en el motor es de 38.4 x 10-6 kg y su poder calorífico de
42000 kJ/kg. Si el motor funcionando a 1500 rpm tiene un factor de calidad referido a los parámetros efectivos de
0.8 respecto del ciclo ideal de aire, determinar el valor de la pme y de la potencia.
Datos para el aire: Cp = 1 kJ/kgK,  = 1.4
Problema 3.8
Determinar una expresión para la diferencia entre la temperatura de escape y la de admisión de un MCIA en
función del rendimiento efectivo, dosado, poder calorífico del combustible y Cp y calor cedido al refrigerante por
unidad de masa.
Las curvas de temperatura de escape con el grado de carga a régimen de giro
Tª escape (ºC)
constante son bastante diferentes en MEC y MEP como se muestra en la figura.
900
MEP
Explicar:
 Porque en MEC aumenta en gran medida con el grado de carga
mientras que en MEP prácticamente se mantiene constante.
600
 A que se debe el ligero incremento de temperatura de escape que se
MEC
produce en el MEP al aumentar el grado de carga.
 Porque la temperatura de escape de grado de carga máximo es mayor 300
Pme (bar)
en MEP que en MEC.
 Indicar razonadamente que ciclo tiene mayor temperatura de escape
0
5
10
para el mismo calor aportado: el de volumen constante o el de presión
limitada.
Problema 3.9
 Dibujar en un grafico P-V de la evolución de la presión de varios ciclos a V=cte con diferente grado de
carga. Diferenciar en gráficos diferentes lo que ocurre en un MEC y en un MEP. Destacar también las
diferencias entre el lazo térmico y el lazo de bombeo.
 Determinar una expresión de la temperatura máxima del ciclo a volumen constante en función del
dosado y poder calorífico, de la relación de compresión y de la temperatura inicial del ciclo.
 Asumiendo que la concentración de NOx en escape es proporcional a la temperatura máxima del ciclo,
justificar porque las emisiones de NOx en un MEP en gr/kWh no se modifican al modificar el grado de
carga.
Problema 3.10
 Comentar las diferencias entre ciclo ideal, teórico y real.
 Justificar la fiabilidad de la información que se puede obtener de ellos.
 Comparar ciclos de volumen constante, presión limitada y presión constante que tengan la misma
presión máxima y la misma cantidad de calor aportado justificando cuál es el de mayor rendimiento.
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