Motores termicos

MOTORES TÉRMICOS Motores de Combustión Interna Alternativos

Introducción. Elementos Constructivos. Clasificación

Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Andrés Melgar Bachiller

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INTRODUCCIÓN A LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS

INTRODUCCIÓN A LOS MOTORES TÉRMICOS MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVO CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS DE LOS M.C.I.A.

CLASIFICACIÓN DE LOS M.C.I.A.




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INTRODUCCIÓN A LOS MOTORES TÉRMCOS Definición de Motor Térmico:

Conjunto de máquinas Transforma Energía Térmica en Mecánica Q W Sometiendo a un fluido compresible a un ciclo termodinámico.

MOTOR TÉRMICO

Combustión Interna

Combustión externa

Se aporta calor mediante un proceso de combustión en el seno del fluido Ciclo abierto

Se aporta el calor al fluido mediante un sistema de intercambio de calor Habitualmente ciclo cerrado

Motor de combustión interna rotativo (Wankell)

Maquina de vapor (ciclo abierto) Motor Stirgling (motor alternativo) pequeña potencia

Motor de combustión interna alternativo: Transporte: terrestre y aéreo (pequeña potencia) Energía mecánica y eléctrica

Turbina de gas Habitualmente combustión interna. Aviación y producción de electricidad

Turbina de Vapor Producción de electricidad

Turbina de Vapor Turbina de Gas

Motor de Combustión Interna alternativo 0.1 kW 1 kW 10 kW 100 kW 1 MW 10 MW 100 MW 1 GW 10 GW




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MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVO

Admisión Compresión Combustión Expansión Escape

0

5

10

15

20

25

-360 -270 -180 -90 0 90 180 270 360

Ángulo (º)

Pre

sió

n (

ba

r)

Combustión Arrastrado

Presión ambiente

Volumen

Pre

sió

n

Qent

Qsal

Wsal

Went

W bombeo

MOTOR TÉRMICO

Qent

Qsal

Went Wsal

Foco frío: ambiente

Foco caliente: Combustión

RENDIMIENTO TERMICO DEL MOTOR

comb

ambCarnot

ent

salent

ent

entsalciclo T

T1

QQQ

QWW




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CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LOS M.C.I.A.

El gran desarrollo de los motores de combustión interna alternativos se debe a una serie de características entre las que se pueden destacar. Posibilidad de poder quemar combustibles líquidos de elevado poder calorífico (posibilidad de transportar mucha energía con muy poco peso). Esta característica les hace muy importantes en el campo de la automoción

ya que condiciona la autonomía del vehículo. Les permite competir con ventaja frente a los vehículos eléctricos los cuales

la energía almacenada en la batería pesa mucho más. Rendimiento térmico aceptable, dependiente del tamaño del motor pero que se mantiene bastante acotado para diferentes grados de carga y regímenes. Esta característica es de gran importancia en todas las aplicaciones en las

que la potencia que se necesite no sea constante. Cuando esta condición junto con la autonomía son determinantes los

M.C.I.A. no tienen competidores. Amplio campo de potencias desde 0.1 kW hasta 32 MW Su campo de aplicación va desde modelismo hasta grandes motores

marinos o estacionarios.




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ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS DE LOS M.C.I.A.

CILINDRO Conduce al pistón en su movimiento y es el elemento central del sistema de compresión.

BLOQUE DE CILINDROS Y BANCADA Sobre el bloque se apoyan las demás partes del motor por lo que su rigidez es esencial para el buen funcionamiento del motor. El bloque debe poseer de conductos interiores para llevar el aceite a presión a los diferentes cojinetes que soportan el cigüeñal así como conductos para llevar el aceite a la culata que a su vez tiene conductos para llevar el aceite al árbol de levas o de balancines. CULATA Es la pieza del motor de diseño más complejo por la cantidad de funciones y requerimientos que debe cumplir. Puede haber una para todos los cilindros (motores pequeños), o una para cada cilindro o par de cilindros (motores más grandes).

La culata por lo general tiene que alojar los siguientes elementos: Conductos de admisión y de escape (pipas de admisión y escape): estos

conductos empalman con los colectores de admisión y escape Asientos de Válvula: suelen ser postizos de material duro y resistente al

choque. Guías de válvulas: Es la pieza sobre la cual desliza la válvula, suele ser de

aleaciones especiales y mecanizadas con gran precisión para conseguir un buen centrado y mínimas fugas:




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Circuitos de refrigeración: tienen que ser de tal manera que minimicen las tensiones térmicas debidas a grandes diferencias de temperatura entre puntos muy próximos.

Junta de culata: sirve para evitar las fugas en la unión entre cilindro y culata, también sirve de junta en las uniones de los conductos de agua y aceite entre bloque y culata.

PISTÓN Y SEGMENTOS El pistón transmite la fuerza de los gases a la biela (requerimientos de resistencia mecánica), debe ser lo más estanco posible al paso de gases de combustión al cárter y de aceite del cárter a la cámara de combustión, para ello leva a su alrededor unos aros metálicos que se ajustan al cilindro (segmentos). Por ser piezas móviles deben pesar lo menos posible y es difícil de refrigerar.

Segmentos deestanqueidad

SegmentoRascador

Segmento de fuego

Aceite

CIGÜEÑAL Y BIELA Se encargan de transformar el movimiento alternativo en rotativo que suministre un par útil. Suele estar fabricados en fundición o forjado y en cualquiera de los dos casos posteriormente mecanizado. En algunos casos, como en los pequeños motores de dos tiempos con barrido por cárter, el cigüeñal consta de dos piezas unidas por un bulón sobre el que se coloca la biela.




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VÁLVULAS Son las encargadas de controlar el paso de fluido por la cámara de combustión durante el proceso de renovación de la carga. La forma más común de las válvulas es la denominada de plato. La válvula más solicitada es la de escape por que la temperatura del fluido cuando pasa por ella es muy alta.

SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN Agrupa a todos los elementos mecánicos que provocan la apertura y cierre de las válvulas, debe estar sincronizado con el movimiento de pistón (cigüeñal) y completa un ciclo de funcionamiento cada dos vueltas del motor (el árbol de levas gira a la mitad de revoluciones que el cigüeñal).




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ESQUEMA GENERAL DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVO

CÁRTER

ACEITE

CIGÜEÑAL

REFRIGERANTE

PISTÓN

VÁLVULA

PIPA

LEVA

BOMBADE

ACEITE APRESIÓN

SEGMENTOS

BULÓN

EJE ÁRBOLDE LEVAS

BIELA

TAPA DE BALANCINES

CULATA

BLOQUE MOTOR

CÁMARA DECOMBUSTIÓN

TAPA DEL CÁRTER

JUNTACULATA




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CLASIFICACIÓN DE LOS M.C.I.A. SEGÚN EL PROCESO DE COMBUSTIÓN Motor de encendido provocado (MEP, motor Otto) Por lo general el combustible

entra en el cilindro ya mezclado con el aire.

Al final de la compresión se dispone de una mezcla de aire y combustible más o menos homogénea.

La combustión se inicia por una causa externa, generalmente una chispa eléctrica.

Motor de encendido por compresión (MEC, motor Diesel) El fluido admitido en el cilindro es

solo aire sin combustible. Al final de la carrera de

compresión (mayor que en los MEP) se inyecta en el cilindro el combustible y debida a las altas temperaturas y presiones el combustible se autoinflama.




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SEGÚN EL MODO DE REALIZAR EL CICLO Motores de 4 Tiempos Se realiza un ciclo cada dos vueltas del motor. Existen unos procesos diferenciados para renovar el fluido que evoluciona.

Motores de 2 Tiempos Se realiza un ciclo cada vuelta del motor. El fluido se renueva mientras el pistón está en la parte inferior de su carrera. Se utiliza para pequeñas potencias (sencillez barrido por carter y potencia

específica) y grandes potencias (potencia especifica). En barrido por carter la lubricación se hace con aceite mezclado con el

combustible.




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SEGÚN EL TIPO DE REFRIGERACIÓN La refrigeración es necesaria para acotar la temperatura de ciertas partes del motor. Refrigeración por aire (directa) El calor se transmite

directamente al aire a través de unas aletas colocadas en el cilindro.

Es más barato y fiable. Es más ruidoso y voluminoso. A veces se usa una soplante

para mover al aire.

Refrigeración por líquido (indirecta si se usa intercambiador) El motor cede calor al medio

refrigerante (casi siempre agua) que actúa como agente intermedio entre el motor y el aire.

Se necesita una bomba para mover el refrigerante.

El refrigerante suele ser agua con alcoholes para evitar la congelación y aditivos para evitar corrosión.




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SEGÚN EL NÚMERO Y DISPOSICIÓN DE LOS CILINDROS

Tiene influencia sobre el tamaño y la relación de aspecto del motor Cuantos más cilindro, mas caro y mas complicado. SEGÚN LA PRESIÓN DE ADMISIÓN Motor de aspiración natural o atmosférico La presión del aire cuando entra

al cilindro es aproximadamente la atmosférica o inferior.

Motor sobrealimentado La presión del aire a la entrada

en el cilindro es superior a la atmosférica.

Esto hace que la masa de aire

introducida en el motor sea mayor que en aspiración natural, se puede quemar más combustible (mas potencia)

Es necesaria la utilización de un compresor para conseguir esta sobrepresión.


Parámetros Característicos.


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PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LOS M.C.I.A. CONCEPTO DE DOSADO

PARÁMETROS GEOMÉTRICOS

PARÁMETROS INDICADOS

PARÁMETROS EFECTIVOS

PARÁMETROS DE PÉRDIDAS MECÁNICAS

RESUMEN DE PARÁMETROS

OTROS PARÁMETROS

POTENCIA Y PAR EN FUNCIÓN DE LOS PARÁMETROS

POTENCIA Y PAR EN FUNCIÓN DEL REGIMEN




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CONCEPTO DE DOSADO

Dosado (F) es el parámetro que caracteriza la mezcla aire-combustible:

F =Masa Combustible

Masa Aire

m

m

m

m

f

a

fcc

acc

mcc Masa por Cilindro y Ciclo (Kg)

m Gasto Másico (Kg/s)

iZn1

x

i=Número de ciclos por revolución

Dosado estequiométrico (Fe) es el dosado que tiene que haber en una

mezcla aire combustible para que en la reacción de combustión no sobre aire ni combustible:

22222mn N76.34m

nOH2m

COn)N76.3O(4m

nHC

28x76.3324m

n

mn12Fe

Es una propiedad del combustible

Para los combustibles usuales Fe 1/14.5 , 1/15.5. Dosado relativo (Fr) o riqueza:

ible)de combust (defecto Pobre1

uiometrico Esteq1=

le ) combustib(exceso de Rico 1

FF

Fe

r

Coeficiente de exceso de aire ():

1

Fr

Rangos usuales de dosado relativo: MEC Fr 0.04 , 0.7 MEP automoción Fr 0.9 , 1.3 MEP industrial Fr 0.6 , 0.8




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PARÁMETROS GEOMÉTRICOS

S Carrera Ángulo girado cigüeñal D Diámetro Pistón PMS Punto Muerto Superior ( = 0°) R Radio muñequilla PMI Punto Muerto Inferior ( = 180°) L Longitud biela S/D Relación carrera-diámetro

V

VD

Vc

R

L

S=2R

X

PMS PMI

D

Ap D

4

2

Ap Área del pistón

V SD D

4

2

VD Volumen desplazado

rV V

V

D C

C

r Relación de compresión

MEC r 12, 23, MEP r 8 , 10 V A X VP C X = f( , L, R) VC Volumen cámara de combustión V Z VT D Z Nº de cilindros VT Cilindrada de motor




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PARÁMETROS INDICADOS Son parámetros relacionados con aspectos termodinámicos del ciclo.

V

P

VPMS VPMI

pmi

VD

=

+

+

VD

Trabajo indicado (Wi): Es el trabajo que se obtiene en el ciclo durante las

carreras de compresión y expansión:

W P dVi

Presión media indicada (pmi):

pmiW

V

i

D

Potencia indicada (Ni):

NW

inpmi Vi

i

1 /

D n i i =1/ 2 en 4T

1 en 2T

Par indicado (Ti):

Di Vpmi 2

iT

Rendimiento indicado (i): Expresa "la calidad" con que se transforma la energía almacenada en el combustible en energía mecánica sobre el pistón.

C fcc

D

C fcc

i

C f

ii

Hm Vpmi

HmW

HmN

HC Poder calorífico del combustible: Energía que se desprende por unidad

de masa de combustible quemado.




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PARÁMETROS EFECTIVOS

Parámetros relacionados con aspectos termodinámicos y mecánicos del ciclo. Potencia efectiva (Ne): Es la potencia que se tiene en el eje del cigüeñal. Es

de menor valor que la potencia indicada porque esta disminuida por las pérdidas que tienen lugar hasta la salida de fuerza por el cigüeñal.

Par efectivo (Te):

n 2N

Te

e

Presión media efectiva (pme):

i VT2

i VnN

pmeD

e

D

e

Para un motor dado el par y la presión media efectiva están ligados por la cilindrada.

bar 15 , 10pme lentos 2T MEC

bar 23 , 5.5pme esindustrial 4T MEC

bar 16 , 6pme automoción MEC

bar 25 , 8.5pme deportivos MEP

bar 14 , 8pme turismos MEP

pme de Rango

max

max

max

max

max

Trabajo efectivo (We): Es el trabajo que se obtiene en el eje del cigüeñal

durante un ciclo de trabajo completo.

Wee

N

n i

Rendimiento efectivo (e): Expresa "la calidad" con que se transforma la

energía liberada por el combustible en energía mecánica en el eje (cigüeñal).

ee

f

e

fcc fcc

N

m

W

m

pme V

m H H HC C

D

C

0.5 , 0.30 MEC

0.45 , 0.35 esindustrial MEP

0.3 , 0.25 MEP

Rangos

e

e

e

e




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PARÁMETROS DE PÉRDIDAS MECÁNICAS

Parámetros que relacionan la energía mecánica existente en el pistón con la que se tiene en el cigüeñal a la salida del motor. Estas pérdidas tienen tres orígenes:

Pérdidas por fricción. Accionamiento de auxiliares. Pérdidas de bombeo.

Potencia absorbida por pérdidas mecánicas (Npm):

N N Npm i e

Presión media de pérdidas mecánicas (pmpm):

pmpm pmi pme

Par de pérdidas mecánicas (Tpm):

T T Tpm i e

Trabajo de pérdidas mecánicas (Wpm):

W W Wpm i e

Rendimiento mecánico (m): Es la relación entre la energía mecánica que se extrae a través del cigüeñal y la que se obtiene en el pistón.

me

i

e

i

e

i

e

i

pme

pmi

N

N

T

T

W

W




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RESUMEN DE PARÁMETROS i, e y pm

i INDICADOS: Energía combustible Energía mecánica sobre el pistón m MECÁNICOS: Energía mecánica pistón Energía mecánica cigüeñal e EFECTIVOS: Energía combustible Energía mecánica cigüeñal

m ie

Para un motor, conocido el régimen n, el gasto de combustible, el poder calorífico del combustible y uno de los parámetros, es posible obtener el resto.

N (Potencia)

(Rendimiento)

M (Par)

Pm (Presión media)

W (Trabajo)

i nV D

D

c fcc

VHm

c fccHm1

n 21

i 2




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OTROS PARÁMETROS (I)

Régimen (n): Es la velocidad angular con que gira el cigüeñal. Suelen utilizarse los tres tipos de unidades siguientes.

n (rev/s)

rpm (rev/min) (rad/s)

21

602

60

Velocidad lineal media (Cm): Velocidad media con que se mueve el pistón.

Cm 2 S n

Rango de C

MEP turism

MEP deport s

MEC automo

MEC 4T ind

MEC 2T len

m a N

os C 8 16 m / s

ivos C 15 23 m

cion C 9 13 m / s

ustriales C 6 11 m / s

tos C 6 7 m / s

max

m

m

m

m

m

,

, /

,

,

,

Potencia específica: (puede ser por unidad de masa o volumen)

Nf (vol) =N

VD (Potencia por unidad de cilindrada)

Nf (mas) =N

mmotor (Potencia por unidad de masa del motor)

Los MEP presentan mayores Nf que los MEC no sobrealimentados. Los motores 2T presentan mayores Nf que los motores 4T.




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OTROS PARÁMETROS (II)

Consumo específico (gf): Mide (habitualmente en g/Kwh) el consumo de combustible por unidad de potencia extraída. Es un parámetro relacionado con el rendimiento a través del poder calorífico del combustible. Puede ser indicado (gif) o efectivo (gef).

gm

N Hf

f

c 1

Rango de gMEP

MEC ef

ef

ef

g 320 280 g / kWh

g 280 180 g / kWh

,

,

Rendimiento volumétrico (v): Es un indicador del llenado de aire o mezcla del motor, comparándolo con el llenado teórico a una temperatura de referencia.

inVm

C1

inVm

Vm

ia T

a

im T

m

im D

mccv

ia Densidad del aire en las condiciones de referencia. C Relación entre el volumen ocupado por el aire y el ocupado por la mezcla

admitida.

ff

fha

a

i

a

T

a

MF

18h

291

291

Mm

18m

29m

29m

pp

VV

C

Para combustibles de elevado peso molecular (gasolina, gasoleo) y las humedades habituales en el aire C toma valores próximos a uno.

Grado de carga: para un régimen de giro dado, el grado de carga expresa la relación entre el par máximo del motor a ese régimen y el que está suministrando el motor en las condiciones de funcionamiento. En MEP se actúa sobre la posición de la mariposa de admisión y de esta manera se modifica la macc y el sistema de formación de la mezcla ajusta la mfcc. En MEC se actúa sobre la bomba inyectora para modificar directamente la mfcc.

2

iHm

2

iwM ecfcce

e

Existe una relación siempre creciente entre el actuador del grado de carga y el par efectivo. Algunas veces se el grado de carga se define como la posición del actuador respecto a su posición máxima o de plena carga.




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POTENCIA Y PAR EN FUNCIÓN DE LOS PARÁMETROS (Concepto de grado de carga)

La potencia suminstrada por un motor alternativo se puede expresar como sigue:

miCerviaTeCaecfe HFFCVinHFmHmN el par se puede expresar de la misma forma dividiendo por la velocidad angular:

miCerviaTe HFFCVi21

M

Podemos hacer un análisis de la dependencia de cada uno de estos parámetros y agruparlos: Parámetros dependientes del combustible y de las condiciones atmosféricas;

Fe Dosado estequiométrico Hc Poder calorífico del combustible ia Densidad del aire. C Depende muy ligeramente del dosado, en los motores donde ese

parámetros es importante (MEP a gas) el dosado relativo no varía. Parámetros de diseño del motor, algunos se eligen y otros indican el grado de éxito en el diseño:

i Tipo de motor (2T o 4T). VT Cilindrada del motor. e Rendimiento efectivo, este parámetro depende de las condiciones de

funcionamiento. Parámetros de diseño que se modifican en funcionamiento respecto de su valor máximo de diseño, podríamos llamarlos parámetros de funcionamiento:

v Rendimiento volumétrico: en los MEP. Se modifica para variar el par que suministra el motor, el valor máximo depende ligeramente del régimen de giro.

Fr Dosado relativo: en MEC se modifica para variar el par, en MEP varia poco en todos los puntos de funcionamiento.

n Régimen de giro: este parámetro se fija en el punto de equilibro entre el par resistente y el par motor.

A la relación entre el par máximo y el par real que está dando el motor se le suele denominar grado de carga.




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POTENCIA Y PAR EN FUNCIÓN DEL REGIMEN

miCerviaTe HFFCVi2

1M

Para un motor dado y en unas condiciones atmosféricas definidas, el par depende fundamentalmente del producto de los tres rendimientos y del dosado relativo. En condiciones de plena carga, ninguno de los cuatro varía mucho cuando se modifica el régimen. Cabe destacar la caída del rendimiento mecánico a alto régimen y algo similar le ocurre al rendimiento volumétrico en los motores de aspiración natural. Se puede decir que a plena carga el par permanece sensiblemente constante al variar el régimen. Las variaciones que puede tener son fundamentalmente debidas al rendimiento volumétrico y en menor medida al dosado relativo y el rendimiento indicado, a alto régimen la caída del rendimiento mecánico y el rendimiento volumétrico hace que el par decrezca.

ee Mn2N

En consecuencia la potencia aumenta linealmente con el régimen de giro y solo a alto régimen alcanza un máximo cuando el incremento de régimen no compensa la caída del par.

Nemax

n

Memax

Diferentes curvas de para para diferentes grados de cargas: Modificación de Fr MEC Modificación de v MEP




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BIBLIOGRAFÍA

Muñoz, M., Payri, F. Motores de Combustión Interna Alternativos. Servicio Publicaciones E.T.S. Ingenieros Industriales, Universidad Politécnica Madrid, 1994. Cap. 1: Características Fundamentales de los MCIA (pp. 3-25).


Semejanza


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SEMEJANZA DE MOTORES ALTERNATIVOS

BASES DE LA SEMEJANZA CONSECUENCIAS DE LA SEMEJANZA IMPLICACIONES DE LA SUBDIVISIÓN DE LA CILINDRADA CONSIDERACIONES FINALES EJEMPLOS: Subdivisión de la cilindrada Curvas de par Estudio comparativo de motores de automoción


Semejanza


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BASES DE LA SEMEJANZA EN MCIA

FINALIDAD: Sirve para explicar las tendencias que presentan los MCIA al variar su

tamaño (al variar su cilindrada). Teoría simple (utiliza aproximaciones) y no exacta pero que es una

herramienta útil y rápida para el diseño y elección de motores según la aplicación que se les quiera dar.

CONDICIONES A CUMPLIR POR MCIA SEMEJANTES: 1. Semejanza geométrica: La relación entre dos dimensiones geométricas

cualesquiera, en uno de ellos, es igual a la relación entre las dimensiones geométricas respectivas, en el otro (motores iguales pero a escala).

2. Trabajar en iguales condiciones ambientales.

3. Trabajar con iguales reglajes

Tª agua refrigerante

Dosado

Punto de encendido

etc.

4. Poseer la misma velocidad media del pistón Cm.


Semejanza


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IGUALDAD DE LAS PRESIONES MEDIAS EN MCIA SEMEJANTES(I)

IGUALDAD DE PMI EN MOTORES SEMEJANTES:

pmiW

V

i

D

i i i v ia

H m

V

H F m

VH F

c fcc

D

c acc

Dc

El rendimiento volumétrico (v) se verá que se puede hacer depender

únicamente de relaciones entre magnitudes geométricas (1), condiciones ambientales (2) y Cm (4). Así para motores semejantes v se mantiene.

F es el mismo (3). ia es la misma (2). Hc es el mismo pues se utiliza el mismo combustible. i a pesar de variar las pérdidas de calor se supone que se mantiene.

Posiblemente esta hipótesis es la más alejada de la realidad.

La pmi se puede considerar igual para motores semejantes.


Semejanza


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IGUALDAD DE LAS PRESIONES MEDIAS EN MCIA SEMEJANTES(II)

IGUALDAD DE PMPM EN MOTORES SEMEJANTES: Las pérdidas de rozamiento (pmpmR) se pueden considerar iguales ya que

dependen de manera fundamental de Cm (4) y pmi (se mantiene). Las pérdidas por bombeo (pmpmB) son las mismas pues dependen

fundamentalmente del v (se mantiene), Cm (4) y relaciones entre dimensiones geométricas (1).

Las pérdidas por accionamiento de auxiliares (pmpmA) se suponen que son

iguales porque la variación de la energía necesaria para el accionamiento de auxiliares será proporcional a la variación del tamaño.

pmpm pmpmR pmpmB pmpmA

La pmpm se puede considerar igual para motores semejantes IGUALDAD DE PME EN MOTORES SEMEJANTES:

pme pmi pmpm La pme es igual para motores semejantes.


Semejanza


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CONSECUENCIAS DEDUCIDAS DE LA SEMEJANZA DE MOTORES (I)

Nos referiremos a motores monocilíndricos aunque los resultados se pueden extender a motores policilíndricos con igual o distinto número de cilindros, siempre y cuando se guarde la semejanza cilindro a cilindro.

Para dos motores semejantes 2 y 1, siendo 2 más grande que 1, se define la

relación de semejanza geométrica como la relación entre dos magnitudes lineales geométricas cualesquiera de ambos motores.

L

L

2

1

1

1.- Relación entre potencias

N = A pme S n i A

2 pme C ie

pm p

Así la relación entre potencias:

N

N=

A

2 pme C i

A

2 pme C i

e2

e1

p2m

p1m

2

La potencia crece con el cuadrado de , no con el cubo como la cilindrada.


Semejanza


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CONSECUENCIAS DEDUCIDAS DE LA SEMEJANZA DE MOTORES (II)

2.- Relación entre pares

T = pme i V

2

pme i V

2

pme i V

2

eT

T2

T1

T

T

e

e

2

1

3

El par crece como la cilindrada, con el cubo de 3.- Relación entre el número de revoluciones

nC

Cm

m

2S

n

n2SC

2S

12

1

2

m

1

Los motores son tanto más lentos cuanto más grandes son. 4.- Relación entre potencias por unidad de superficie de pistón: La potencia por unidad de área de pistón no varía en motores semejantes:

N

A

pme CN

AN

A

e

p

e

p

e

p

m i

2

1

2

2

1

1

La potencia dividida por el área del pistón da una idea del éxito en el diseño.


Semejanza


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CONSECUENCIAS DEDUCIDAS DE LA SEMEJANZA DE MOTORES (III)

5.- Relación entre potencias específicas: Tanto la masa del motor como la cilindrada varían con 3.

V

V

1 1D1

D2

3

N

mN

m

N

VN

V

N

N

e

motor

e

motor

e

D

e

D

e

e

2

2

1

1

2

2

1

1

2

1

2

En motores semejantes conforme aumenta el tamaño disminuye la potencia específica. Si se quiere mejorar la potencia específica en un motor grande hay que acudir a la sobrealimentación o a los motores de 2T. 6.- Relación entre el cociente calor cedido al refrigerante - calor aportado: Calor aportado por el combustible c c , HH fccfcccombap mmQ Varía como la cilindrada.

Calor cedido al refrigerante Qn i

ref A h T

Depende fundamentalmente del

área (A) y del régimen (n).

Q

Q n

n

11

ap, comb1

ap, comb2

1

2

3

Q

QQ

Q

A

A

ref

ap comb

ref

ap comb

2

2

1

1

2

1

2,

,

Si el coeficiente de película (h) se mantuviese en motores semejantes, el cociente entre el calor cedido al refrigerante y el calor aportado se mantendría constante. Ocurre que el coeficiente de película disminuye al aumentar el tamaño del motor por lo que los motores más grandes son más adiabáticos.

Realmente el cociente varía con 1

0.25


Semejanza


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IMPLICACIONES DERIVADAS DE SUBDIVIDIR LA CILINDRADA(I)

Se parte de dos motores semejantes con igual cilindrada y distinto número de cilindros. Como los cilindros del motor 2 son más grandes, el número de cilindros del motor 1 será mayor que el número de cilindros del motor 2:

L

L1

V = V

2

1

T2 T1

Z Z1 2

Como las cilindradas son iguales:

V

V

A

A

T

T

p

p

2

1

2

1

3 S Z

S Z

Z

Z1

Z

Z=

1

2 2

1 1

2

1

2

1

3

Así la relación entre potencias totales queda:

N

N

Z

Z

Z

Z

e

e

2

1

2

1

2

1

2

p2m

p1

m

A

2 C pme i

A

2 C pme i

1 13

2

Para igual cilindrada, al aumentar el número de cilindros aumenta la potencia.


Semejanza


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IMPLICACIONES DERIVADAS DE SUBDIVIDIR LA CILINDRADA(II)

Otras implicaciones de subdividir la cilindrada son: Al subir el número de cilindros el par motor es más regular. Al subir el número de cilindros el número de piezas aumenta, si bien son más

pequeñas. Al aumentar el número de cilindros el régimen del motor aumenta (los

cilindros son más pequeños). Al subir el número de cilindros la vida de las piezas disminuye al aumentar su

desgaste relativo (mayores regímenes). Al subir el número de cilindros las disposiciones constructivas son más

complicadas (disposición de cilindros en V,..etc). En MEP al subir el número de cilindros aumenta la trasmisión de calor a

través de las paredes existiendo menos posibilidades de detonación. En MEC al subir el número de cilindros aumenta la transmisión de calor

provocando: dificultad en el arranque, marcha dura, más humos, etc.


Semejanza


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CONSIDERACIONES FINALES SOBRE LA SEMEJANZA

En la práctica Cm y pme no se mantienen al variar la cilindrada. Al aumentar la cilindrada Cm y pme bajan por existir criterios más conservadores en el diseño.

Sin embargo Cm y pme sí que se mantienen bastante constantes cuando se

trata de motores para una misma aplicación. Así, la semejanza puede ser muy útil en la elección de un motor para una determinada aplicación entre varios existentes en el mercado.

En la tabla adjunta se relacionan los parámetros más característicos de los

motores, tomando los valores típicos en función del tipo de aplicación.

TIPO DE MOTOR

S/D

Cm

(m/s)

pme (bar)

Ne/VT (kW/l)

Ne/Ap

(kW/cm2)

gef

(g/kWh)

Régimen

(rpm) MEP automoción 4T (1000 cc, 4 cilindros)

0.9

13

10

40

0.2

300

5800

MEP automoción 4T (2000 cc)

0.9

14

9

35

0.2

300

5500

MEP competición (400 kW)

0.6

23

12

130

0.5

430

12000

MEC automoción 4T inyecc. indirecta (45 kW)

1.2

11

9

15

0.22

260

4500

MEC automoción 4T (100 kW) aspiración natural

1.1

10

8

14

0.18

235

2600

MEC automoción 4T (200 kW) sobrealimentado

1.1

10

12

18

0.25

225

2600

MEC Tractor 4T (45 kW) aspiración natural

1.2

9

6

13

0.14

225

2500

MEC Tractor 4T (75 kW) aspiración natural

1.2

8.5

6

11

0.13

225

2400

MEC Tracción ferroviaria 4T (1400 kW) sobrealimentado

1

11

16

13

0.40

215

1500

MEC Industrial 4T (10000 kW) sobrealimentado

1.2

8.5

20

8

0.42

200

520

MEC Barco 2T (35000 kW) sobrealimentado

2.2

6.6

13

2

0.42

190

80 - 150


Semejanza


Página 11

EJEMPLO DE LA SUBDIVISIÓN DE LA CILINDRADA (I)

Se tiene un MEP tricilíndrico, de 4T, con una cilindrada de 600 cm3 y con una relación carrera-diámetro igual a la unidad, que suministra una potencia de 35 kW a 7500 rpm. (Motor nº1). Se pretende diseñar un motor semejante al anterior, bicilíndrico y que suministre la misma potencia. (Motor nº2). Relación de semejanza.

Como ambos motores suministran la misma potencia:

14 60

4 60

2

1

22

2 2

11

1 1

2

1

22

12

2

1

2 N

N

zA

c pme

zA

c pme

z

z

D

D

z

ze

e

pm

pm

z

z1

2

3

2122.

Determinación de las cotas geométricas, cilindrada y régimen de

máxima potencia del nuevo motor.

V D s z D zT1 12

1 1 13

14 4

DV

zm sT

11

1

3 21

46 4 10

.

D D m s2 12

27 8 10 .

V

V

z D s

z D sT

T

2

1

2 22

2

1 12

12

31

V V cmT T2 1

3732

n n rpm2 11

6147


Semejanza


Página 12

EJEMPLO DE LA SUBDIVISIÓN DE LA CILINDRADA (II)

Velocidad lineal media del pistón y presión media efectiva.

Por ser semejantes los dos motores, la cm y la pme serán iguales en ambos.

cm s n ms cm1 1 1 22 16

pmeNe

Vn

bar pme

T

11

1

2

2 60

9 3 .

Ventajas e inconvenientes entre los dos motores, donde el motor nº2 es

más grande y tiene menos cilindros: z z1 2 D D1 2

Inconvenientes del motor nº2:

- Como V V

Ne Ne

Ne

V

Ne

VT T

T T

2 1

2 1

2

2

1

1

por lo que la potencia especifica del

motor 2 es menor que la del 1

- Como z2 < z1 , el Me2 será más irregular que el Me1. -Como es un MEP, y el motor nº2 es más grande (más adiabático), la

tendencia a la detonación aumentará en este motor. Ventajas del motor nº2: - Como VT2>VT1 2 > 1 ya que tiene menos pérdidas de calor. - Como z2 < z1 , el número de piezas del motor nº2 será menor y por tanto su disposición constructiva será menos complicada. - Como D2 > D1 , las piezas del motor nº2 serán más grandes y robustas y entonces la vida de éstas será más larga (para un igual desgaste mecánico).


Semejanza


Página 13

ESTUDIO DE SEMEJANZA DE MOTORES A PARTIR DE SUS CURVAS DE

PAR (I)

400030002000

101,25 Nm

Te

rpm

30 Nm

1000 5000

3500 5250

Las curvas corresponden a dos motores de aspiración natural, de 4 Tiempos y 4 cilindros cuadrados es decir, D/S=1. Para ser semejantes deben tener la misma presión media efectiva, pme, y la misma velocidad lineal media del piston, cm.

Suponiendo que la velocidad lineal media es la misma, se puede decir:

2 2S n S n1 1 2 2


Semejanza


Página 14


PAR (II) Aplicando la ecuación anterior en los puntos de par máximo se tiene:

22000

602

3000

60S S1 2

de donde:

S

S1

2

2000

30001,5

También podemos decir:

T Vpme

L pmee T1 1 13

11

4

T Vpme

L pmee T2 22

23

2 4

de donde se obtiene la relación ya conocida:

T

T

L

Le

e

1

2

1

2

3

3

Tomando el punto de par máximo:

101,25

303,375 1,53 3

Por lo tanto, se cumple la relación y los motores son semejantes.


Semejanza


Página 15


PAR (III)

Para ver si los valores de par son coherentes con el régimen de giro y las características indicadas, suponemos un valor razonable de presión media efectiva, por ejemplo 10 bares. De la relación entre el par y la presión media efectiva obtenemos:

VT

pmemT

e2

2

2

3 4

4 101,25 (Nm)

10 10 (Pa)0.001272 1272 cm

5

3

La cilindrada de un motor cuadrado (S = D) responde a la fórmula:

V S Z TT

S

S4 V

Z

23

4

S m2 0,074

La velocidad lineal media del pistón en el punto de régimen máximo es:

c S n m sm2 2 2 2 2 0.0743500

608.63 /

La velocidad media del pistón toma valores entre 10 y 20 m/s, por lo tanto, los valores de par de los motores no son coherentes con el régimen de giro y las características indicadas.


Semejanza


Página 16


PAR (IV) El planteamiento podía haber sido inverso; si se supone un valor razonable de Cm de 13 m/s para el régimen máximo:

SCm 2 n

S13 m / s

2 3500

60

0.110 m2

La cilindrada de un motor será:

V Z T T S

V 0.110

44 0.004181 m 4181 cm

33 3

3

24

La presión media efectiva máxima (en el punto de máximo par) es:

pmeT

Ve

T2

2

2

4

4 101,25 (Nm)

0.00418 (m304315 Pa 3.04 bar

3

)

Los valores habituales de pme oscilan entre 9 y 11, en consecuencia la presión media efectiva a quedado muy pequeña lo que redunda en que los valores de par de los motores no son coherentes con el régimen de giro y las características indicadas. Las curvas de par de los motores corresponden, o bien a motores de pequeña cilindrada con una pme aceptable pero que sin embargo no pueden subir de revoluciones hasta los valores habituales, o a motores grandes acordes con el régimen de giro que no tienen una buena pme.


Semejanza


Página 17

ESTUDIO COMPARATIVO DE MOTORES DE AUTOMOCIÓN Algunas conclusiones que se pueden extraer del análisis de las tablas son: Los MEC tienen una menor velocidad lineal media que los MEP. Los MEC tienen una menor pme que los MEP y los motores

sobrealimentados tienen mayor pme que los de aspiración natural. En los MEP la velocidad lineal media máxima crece con la cilindrada.

BIBLIOGRAFÍA

Muñoz, M., Payri, F. Motores de Combustión Interna Alternativos. Servicio Publicaciones E.T.S. Ingenieros Industriales, Universidad Politécnica Madrid, 1994. Cap. 9: Semejanza de Motores (pp. 215-227). OTROS: Revistas de Motociclismo del 1996 Autocatálogo 1995 y 1996


Semejanza


Página 18


Ciclos Termodinámicos


Página 1

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




Página 2

INTRODUCCIÓN (I)

EVOLUCIÓN DEL FLUIDO EN EL MOTOR ALTERNATIVO

V

P

VPMS VPMI

+

VD

RENOVACIÓN DE LA CARGA

Admisión Escape

CICLO TERMODINÁMICO BÁSICO

Compresión Combustión Expansión




Página 3

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 diagrama indicador (medidas de presión en el cilindro).

Índice de calidad de un ciclo

Indica la aproximación entre un ciclo real y uno teórico, se define como:

KW

WR

teorico

R

teorico




Página 4

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.

11

1r

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.




Página 5

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.

11 1

1 11r

Definiciones

1. Grado de combustión a volumen constante P

P3

2 =1 P=cte.

2. Grado de combustión a presión constante V

VA3

3 =1 V=cte.

Este tipo de ciclo es característico de los motores diesel rápidos.




Página 6

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.

11 1

11r

Este tipo de ciclo es característico de los motores diesel lentos.

EXPRESIONES RELACIONADAS CON LOS CICLOS

Calor aportado a volumen constante Q

C Tr

v

1

1 1

Calor aportado a presión constante 1rTC

Q 1

1v

Trabajo obtenido en el ciclo 111rTC

W 1

1v

Temperatura máxima del ciclo T

TrA3

1

1

Presión máxima del ciclo P

Pr3

1

1




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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.




Página 8

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.




Página 9

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.




Página 10

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 barT1=320 K




Página 11

CICLO REAL EN MEP(I)

Perdidas de calor

Perdidas de tiempo

Ciclo ideal sin transmisión de calor

Ciclo ideal con transmisión de calor

Ciclo real con adelanto en apertura de valvula de escape

Perdidas de calor

Perdidas de escape

Ciclo real con adelanto en apertura de valvula 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)




Página 12

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.




Página 13

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

600 003 36. esto

supone un avance de 18° para que la combustión esté centrada en el PMS.

Si el régimen de giro es 4000 rpm

t360 4000

600 003 72. lo cual supone un avance de 36° para

conseguir el mismo centrado de la combustión.




Página 14

CICLO REAL EN MEP(IV)

Presión de admisión Al aumentar la presión de admisión aumenta la presión media indicada y por tanto la potencia.

1/4

2/4

3/4

4/4

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




Página 15

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.

MEPMEC

MEC

MEP




Página 16

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

MEC

MEP

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.




Página 17

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.

N Vuelta

1 Vuelta

Captador presión(piezoeléctrico)

Captadores de posición(magnéticos u ópticos)

Señal 1 Vuelta

Referencia Angular




Página 18

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).


Refrigeración y Lubricación


Página 1

REFRIGERACIÓN Y LUBRICACIÓN

OBJETIVOS DE LA REFRIGERACIÓN REFRIGERACIÓN POR LÍQUIDO REFRIGERACIÓN POR AIRE COMPARACIÓN ENTRE TIPOS DE REFRIGERACIÓN PERDIDAS MECÁNICAS TIPOS DE LUBRICACIÓN LUBRICACIÓN A PRESIÓN PROCEDIMIENTOS PARA LA DETERMINACIÓN DE LAS PÉRDIDAS MECÁNICAS




Página 2

OBJETIVOS DE LA REFRIGERACIÓN

La refrigeración en los motores de combustión interna alternativos viene impuesta por exigencias mecánicas. Desde el punto de vista del ciclo es una pérdida y por lo tanto tiene una influencia negativa en el rendimiento Disminución de las pérdidas de calor: - Aumento del rendimiento - Motores adiabáticos OBJETIVOS Acotar la temperatura, lubricación, dilataciones.

Cilindro: 200 °C Pistón: 200 a 350 °C Culata: 300 °C Válvula de escape: 700 °C Segmentos: 225 °C

Estos valores dependen del tamaño del motor y de las condiciones operativas, por ejemplo la temperatura de las distintas zonas del pistón varía con el régimen de giro o con la presión media efectiva:




Página 3

REFRIGERACIÓN POR LÍQUIDO

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1 Bomba 2 Bloque 3 Culata 4 Termómetro 5 Termostato 6 Radiador 7 Refrigerador aceite 8 Electroventilador 9 Termointerruptor 10 Vaso de expansión

Fluido refrigerante: agua. Anticongelante. Circuito presurizado para subir las temperaturas de ebullición.

Bomba de impulsión centrífuga:

Tamaño reducido. Grandes caudales con alturas

reducidas. Caudal de refrigerante: punto de

corte de las curvas.

aprox. 2 l min

kW en máxima potencia.

Presión: 0.5 a 1.5 bar.

Sistema de regulación para cargas parciales.

Termostato: distribuye el agua entre el circuito básico y el bypass.

Puesta en marcha: circuito básico cerrado.

Apertura del termostato: 80 - 85°C Apertura completa: 90°C




Página 4

Radiador: Intercambiador agua-aire ambiente. A bajas velocidades: electroventilador.

REFRIGERACIÓN POR AIRE El calor transmitido a las paredes se refrigera con el aire por medio de un aleteado en la superficie externa del motor.

En motores estacionarios y de automoción se necesita: Soplante Carcasa envolvente Elemento de regulación del

caudal de aire.




Página 5

COMPARACIÓN ENTRE LA REFRIGERACIÓN POR AIRE FRENTE A LA DE POR LÍQUIDO

VENTAJAS

Menor número de averías. Más autónomo. Menor inercia térmica. Menos sensible a variaciones de la temperatura exterior.

INCONVENIENTES

Temperaturas de funcionamiento más elevadas: v, NOx, problemas de autoencendido.

Problemas térmicos: juegos en frío. Tamaño del motor mayor. Potencia de accionamiento de la soplante elevada. Más ruidos por:

Mayores juegos para compensar dilataciones. Construcción menos rígida (cilindros independientes). Soplante. Aletas.

Suciedad en aletas: menor refrigeración y peligro de incendio.




Página 6

BALANCE TÉRMICO DE UN MOTOR:

Q Q Q Q Q Q Qt N r g res a ra

Q t: Calor equivalente introducido en el motor debido al combustible suministrado por unidad de tiempo ( m Hf c ). Q n: Calor equivalente a la potencia

efectiva obtenida del motor. Q r: Calor transmitido al refrigerante. Q g: Calor equivalente al estado térmico

perdido en los gases de escape. Q res: Calor equivalente que corresponde a

la combustión incompleta (residuales). Q a: Calor transmitido al aceite. Q ra: Calor transmitido por radiación al

ambiente. Q pm:Calor equivalente a las pérdidas

mecánicas.

Q Qa raQres

Qg

Qr

QN

Qn=40%

Qg

Qr

QresQres

30%

30%

Qt=100%

Qa

QraQpm




Página 7

LUBRICACIÓN Y PERDIDAS MECÁNICAS

IMPORTANCIA DE LAS PÉRDIDAS MECÁNICAS Las necesidades derivadas de disminuir las emisiones de CO2 (efecto invernadero) y el precio de los combustibles fósiles han traído consigo el desarrollo de una importante línea de investigación: e gef.

e i m ei

m

La disminución del consumo se puede llevar a cabo:

i mejorando aspectos termodinámicos del ciclo. m disminuyendo las pérdidas mecánicas.

TIPOS DE PÉRDIDAS MECÁNICAS

Por fricción o rozamiento: Debidas al rozamiento entre partes móviles (denotadas por R). pmpmR f (C L CP G pmi + C CI m

2 ) Por bombeo: Ocasionadas por el proceso de renovación de la carga en

motores de 4T (denotadas por B). De accionamiento de auxiliares: Son las pérdidas asociadas al

movimiento de aquellos dispositivos arrastrados por el motor: Alternador, bombas, dirección asistida, etc. (denotadas por A).

LA LUBRICACIÓN EN LOS MCIA (requerimientos)

CONJUNTO DESPLAZAMIENTO TEMPERATURA PRESIÓN VELOCIDADRELATIVA

Pistón-camisa alternativo alta moderada alta Pistón-biela oscilante moderada muy alta baja Biela-cigüeñal rotativo baja alta alta Cigüeñal-bloque rotativo baja alta alta Levas-empujadores rotativo baja muy alta baja Válvula de escape alternativo muy alta baja moderada

El sistema de lubricación, debe de engrasar las distintas partes del motor y hacer frente a las distintas exigencias que se presentan en cada una de las partes e incluso refrigerar cuando sea necesario.




Página 8

TIPOS DE LUBRICACIÓN:

Por barboteo: Mediante cucharillas y anillos se proyecta aceite del carter hacia aquellas superficies que se quieren lubricar.

A aceite perdido: Utilizada en motores pequeños de 2T, la mezcla

arrastra en suspensión aceite. Presenta problemas por contaminación.

A presión: Es el sistema más utilizado, ya que cubre las exigentes

necesidades de lubricación en los motores actuales. LUBRICACIÓN A PRESIÓN

En el circuito de engrase se pueden distinguir 4 partes fundamentales:

Bomba: Suministra la presión al aceite. Conductos de engrase: Por ellos circula el aceite. Filtro: Elimina las impurezas del aceite. Refrigerador: Mantiene la Tª del aceite dentro de unos límites.

B

M

Árbol de balancines

Árbol de levas

Manómetro

Cigüeñal

Válvula de retención

Válvula de descarga del circuito

Bomba

Filtro en serie

Filtro en paralelo

Válvula de descarga del filtro

Taladros en el cigüeñal




Página 9

BOMBA: Son bombas volumétricas habitualmente de engranajes, a la salida de la bomba se coloca una válvula de descarga para evitar sobrepresiones con el aceite frio o a regímenes elevados.

La bomba de engranajes posee un gasto másico ( mbomba ) proporcional a las

revoluciones con que gira (nb): m K nbomba b

FILTRO: Puede estar dispuesto en el circuito de las siguientes formas: En serie con el circuito:

- El filtro es atravesado por todo el aceite. - Introduce pérdidas de carga muy grandes al colmatarse.

En paralelo con el circuito:

- El filtro no es atravesado por todo el aceite. - Introduce pocas pérdidas de carga.

En serie con el circuito y en paralelo con una válvula de descarga: recoge las ventajas de las dos disposiciones anteriores.

REFRIGERADOR: Se suele colocar en paralelo entrando en funcionamiento mediante una válvula termostática cuando la Tª del aceite es alta.




Página 10

P

Nb

Gasto de aceite

nb

Potencia absorbidaantes de que actúe laválvula de descarga

Potencia absorbidadespues de que actúela válvula de descarga

Caida de presiónen el circuito

Presión máximaen el circuito

Caudal que circulapor el motor

Caudal que circula por laválvula de descarga

P

Nb

ACEITE FRÍOACEITE CALIENTE




Página 11

PROCEDIMIENTOS PARA DETERMINAR LAS PÉRDIDAS MECÁNICAS Se busca fundamentalmente la dependencia de pmpm con Cm. 1.- Método del diagrama indicador Diagrama indicador pmi

Par resistente pme pmpm = pmi - pme

También del diagrama indicador se puede obtener la pmpmB, y desconectando sucesivamente los auxiliares se puede obtener la pmpmA. Así es posible determinar las pérdidas por rozamiento:

pmpmR pmi pme pmpmB pmpmA

Método exacto. Permite desglosar los componentes de las pérdidas. Necesidad de instrumentación para recoger el diagrama

indicador. 2.- Método Morse Estando el motor en funcionamiento, se desconecta la combustión en uno de los cilindros midiéndose la potencia en banco motor. Esta operación se repite para cada uno de los cilindros: Sin combustión en el cilindro 1: Ne

I N N N Ne2 e3 e4 pm1

Sin combustión en el cilindro 2: NeII N N N Ne1 e3 e4 pm2

Sin combustión en el cilindro 3: NeIII N N N Ne1 e2 e4 pm3

Sin combustión en el cilindro 4: NeIV N N N Ne1 e2 e3 pm4

Sumando resulta: N N N N NeI

eII

eIII

eIV

pm 3Ne

Método sencillo. No se considera la influencia de la presión de los gases.




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3.- Recta de Willans Se basa en la hipótesis de que gif o lo que es igual i es constante cuando se mantiene el régimen de giro:

gm

cte coniff

i i

m H

1

H n = cte

f C C

Así:

m cte Nf i = cte pmi V 2

n = cte pmi = cte pme+pmpmD

Si se representa gráficamente el gasto de combustible frente a la pme utilizando como parámetro el régimen de giro, es posible determinar las pérdidas mecánicas asociadas a cada régimen:

2500 rpmmf (kg/h)

12

3

8

6

4

2

10864

16

10

14

2 1 0 2pmpm (bar)

2000 rpm

1500 rpm

1000 rpm

pme (bar) Método muy laborioso. La hipótesis de mantenimiento del rendimiento indicado a

régimen fijo no es buena: - En MEP las variación de las pérdidas de bombeo con el grado de carga es importante poco preciso en MEP. - En MEC la hipótesis sólo deja de cumplirse a grados de carga altos por el aumento del dosado.




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4.- Método de arrastre Tras hacer funcionar el motor, éste es arrastrado sin combustión por una dinamo-freno. El par que la dinamo-freno da al motor es el par de pérdidas mecánicas

Normalmente es posible determinar las pérdidas ocasionadas por cada elemento auxiliar de manera sencilla.

No se considera la influencia de la presión de los gases. 5.- Método de deceleración libre Se estabiliza al motor en aquel régimen por debajo del cual se quieran conocer las pérdidas y tras esto se corta el suministro de combustible o el encendido, frenándose el motor únicamente por las pérdidas mecánicas. Si se registra la deceleración angular durante el periodo de frenado, y se conoce el momento de inercia del conjunto I, es posible determinar el par de pérdidas mecánicas y la presión media de pérdidas mecánicas para cada régimen aplicando la siguiente ecuación:

T I pm pmpm = 2

i V I

D

Cuando no se conoce el momento de inercia del conjunto es posible utilizar un volante postizo de momento de inercia conocido IC y repetir el ensayo añadiendo esta inercia, obteniéndose el par y el momento de inercia:

T I

T I I

pm

pm C

( ) I, Tpm

Sencillo y rápido. Se obtienen con un sólo ensayo las pérdidas para el rango de

regímenes por el que pasa el motor mientras se va frenando. Es necesario un dispositivo de adquisición rápida. No tiene mucha precisión y es necesario conocer el momento

de inercia del motor.


Combustión


Página 1

COMBUSTIÓN EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS

INTRODUCCIÓN

DESCRIPCIÓN DE LA COMBUSTIÓN EN MEP

PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LA COMBUSTIÓN EN MEP

COMBUSTIÓN NORMAL Y ANORMAL EN MEP

VELOCIDADES DE COMBUSTIÓN

DIAGRAMAS DE PRESIÓN EN CÁMARA Y CALOR LIBERADO

AUTOINFLAMCIÓN, AUTOENCENDIDO Y TIPOS DE COMBUSTIÓN

ANORMAL

GEOMETRÍAS DE CÁMARAS DE COMBUSTIÓN EN MEP

DISPERSIÓN CICLICA

DESCRIPCIÓN DE LA COMBUSTIÓN EN MEC

PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LA COMBUSTIÓN EN MEC

FASES DE LA COMBUSTIÓN EN MEC

CAMARAS DE COMBUSTIÓN EN MEC

COMPARACIÓN MEC-MEP


Combustión


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COMBUSTIÓN EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS

Proceso de oxidación del combustible por el aire, que provoca la conversión de la energía química que posee el combustible en energía térmica. Este proceso tiene lugar dentro del cilindro, suponiendo un incremento de presión que permite extraer energía mecánica mediante el movimiento del pistón.

Motor de encendido provocado (MEP)

Habitualmente formación de la mezcla fuera del cilindro.

La combustión se inicia por una causa externa, habitualmente el salto de una chispa.

La combustión se realiza sobre una mezcla de aire y combustible homogénea.

La relación aire-combustible utilizada está en el entorno de la estequiométrica.

Motor de encendido por compresión (MEC)

El motor admite aire sin combustible inyectándose combustible (chorro) al final de la carrera de compresión.

La mezcla se autoinflama como consecuencia de la propia compresión.

La combustión se desarrolla sobre una mezcla heterogénea.

Siempre trabajan con mezclas con exceso de aire.


Combustión


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DESCRIPCIÓN DE LA COMBUSTIÓN EN MEP

En MEP se habla de combustión homogénea o premezclada ya que la mezcla que se encuentra en el cilindro es homogénea: posee en cualquier punto el mismo dosado. El sistema de formación de la mezcla se encuentra fuera de la cámara de combustión.

En MEP la combustión normal tiene lugar en el frente de llama que es la superficie que separa la zona fresca de la zona quemada.

MezclaQuemada

MezclaFresca

P T

Frente de llama


Combustión


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PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LA COMBUSTIÓN EN MEP

Son parámetros característicos:

Tiempo de combustión (tC): Es el tiempo que tarda el frente de llama en recorrer la cámara de combustión. A este tiempo se le puede asociar un intervalo angular llamado ángulo de combustión C(°):

c 360 n tC

Gradiente de presión (dP/d o dP/dt): Expresa la velocidad con que cambia la presión a lo largo del ciclo (bar/° ó bar/s).

Presión máxima de combustión (Pmax): Es el máximo valor de la presión dentro de la cámara de combustión a lo largo del ciclo (bar).

El proceso de combustión supone un desarrollo de presión por en cima del desarrollo de presión asociado al motor arrastrado (sin combustión).

Sin comb.

Con comb.

Pmax

c


Combustión


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COMBUSTIÓN NORMAL Y ANORMAL EN MEP

La combustión en MEP puede ser:

Combustión por avance del frente de llama: La zona quemada trasmite calor al frente de llama, entonces la mezcla que integra el frente se inflama, pasando a engrosar la zona quemada, provocando que avance el frente de manera suave y comprimiendo la mezcla fresca.

T

x

Tq

TC

Tsq

1 2 3

4

t C

Frente de llama

Zona 1: Umbral elevación de temperatura.Zona 2: Calentamiento.Zona 3: Combustión.Zona 4: Prerreaciones.

La presión es la mismapara las dos zonas

Combustión por autoinflamación: La combustión se origina como consecuencia del alto estado térmico (P, T) que adquiere la zona fresca. Es una combustión brusca y rápida. Si la masa de mezcla autoinflamada es grande la autoinflamación es muy perjudicial para el motor hablándose de combustión detonante o picado de bielas.


Combustión


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VELOCIDADES DEL FRENTE, DE COMBUSTIÓN Y DE ARRASTRE

Velocidad del frente (CF): Es la velocidad con que el frente de llama barre la cámara de combustión (velocidad absoluta).

Velocidad de expansión (CA): Es la parte de la velocidad del frente que es consecuencia de la expansión de la zona quemada contra la zona fresca (velocidad de arrastre).

Velocidad de combustión (CC): Es la parte de la velocidad del frente que es consecuencia del trasvase de masa desde la zona fresca a la zona quemada fruto de la combustión (velocidad relativa).

C C CF C A

MezclaFresca

CFMezcla

Quemada

FRENTE

MezclaQuemada

MezclaFresca

Cc

Combustión

COMBUSTIÓN

MezclaFresca

CAMezcla

Quemada

TP

Expansión

EXPANSIÓN


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VELOCIDAD DE COMBUSTIÓN LAMINAR

LLAMA LAMINAR LLAMA TURBULENTA

La velocidad de combustión laminar (CCL) es aquella con la que progresa el frente en ausencia de turbulencia.

CCL depende de:

Temperatura de combustión TC (mucho)

Presión (poco)

Composición de la mezcla

Los factores que afectan a CCL son los que afectan a TC:

Residuales T CC CL

Humedad T CC CL

Dosado es el factor que más influye. Se define un dosado relativo de máxima temperatura (FrTmax), éste es ligeramente rico (1.05) siendo el dosado para el cual la velocidad de combustión laminar es máxima:

Si Fr rTmax r C CL< F F T C

Si Fr rTmax r C CL> F F T C


Combustión


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VELOCIDAD DE COMBUSTIÓN TURBULENTA

La turbulencia es el parámetro que más afecta al proceso de combustión, dando lugar a un incremento del ritmo de propagación del frente de llama. A la velocidad de combustión en régimen turbulento se le denomina velocidad de combustión turbulenta (CCT).

Se define el FSR (flame speed ratio):

FSRC

C

CT

CL 1 C = FSR CCT CL

Los factores que afectan a la velocidad de combustión turbulenta son aquellos que afectan a la velocidad de combustión laminar y al grado de turbulencia.

C C

FSRCT

C L


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DIAGRAMAS DE PRESIÓN EN CÁMARA Y CALOR LIBERADO

Se pueden distinguir tres fases en la combustión:

1ªFASE (C1): Corresponde con el tiempo desde que salta la chispa hasta que se separan los desarrollos de presiones con y sin combustión. Ocupa aproximadamente 15% del ángulo de combustión.

2ªFASE (C2): Ocupa aproximadamente un 80% del ángulo total de combustión, siendo una combustión muy rápida y turbulenta.

3ªFASE (C3): La combustión se hace más lenta y concluye.

C1 C2 C3

Sin Combustión(motor arrastrado)

Con Combustión


Combustión


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AUTOINFLAMACIÓN EN MEP

Combustión por autoinflamación La mezcla fresca se inflama por sí misma por estar sometida a altas presiones y temperaturas que son ocasionadas como consecuencia de la compresión sufrida por la mezcla fresca. Es una combustión rápida y brusca ("descontrolada").

Habitualmente, la combustión por autoinflamación en MEP se ve precedida por la combustión normal, ya que al avanzar el frente de llama como consecuencia de la combustión normal se produce la compresión de la zona fresca. Se podría hablar así de un % de combustión normal y un % de combustión por autoinflamación.

sqq

PT

q

PT

q

+

La combustión por autoinflamación es casi instantánea, mucho más rápida que la combustión normal, provocando elevados gradientes de presión, con aparición de ondas de presión a menudo audibles, hablándose entonces de detonación o picado de bielas.


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Detonación

Fracción de MezclaQuemada por Autoinflamación

La detonación es un fenómeno muy peligroso, ya que las vibraciones inducen mayor transmisión de calor a través de las paredes, pudiendo destruir el motor si el fenómeno es intenso y se mantiene de manera prolongada.


Combustión


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Para que la mezcla se autoinflame es necesario que se den una serie de prerreacciones químicas. Estos fenómenos requieren un tiempo que se denomina tiempo de retraso o inducción, éste es menor cuanto mayores son la presión y la temperatura. Transcurrido el tiempo de retraso si la combustión normal no ha concluido se producirá la autoinflamación.

La intensidad de la detonación está muy ligada a la masa de mezcla que sufre la autoinflamación. Esta viene caracterizada fundamentalmente por el % de mezcla que se autoinflama y por el grado de carga del motor.

La detonación es un fenómeno que limita las prestaciones del motor: obliga a veces a mantener avances a la combustión menores a los que dan la máxima potencia en unas condiciones de funcionamiento dadas.

Elegido

CUÑ20

Límite Detonación

En la geometría CUÑ20 no se puede tener el avance

óptimo por detonación.

Elegido

LAB8

Límite Detonación

En la geometría LAB8 se permite el avance óptimo.

Los motores actuales llevan acelerómetros que en caso de detectar detonación informan al sistema de ignición para disminuir el avance al encendido, preservándose así la vida del motor.


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ENCENDIDO SUPERFICIAL

Se ocasiona por la aparición, en determinadas situaciones, de puntos calientes que son fuentes de encendido, generando frentes de llama en cualquier instante del ciclo.

Puntos calientes:

- Electrodo central de la bujía.

- Depósitos.

- Zonas mal refrigeradas.

Tipos de encendido superficial:

- Anterior al encendido normal Preencendido.

- Posterior al encendido normal Post-encendido.

Post-encendido Mayores gradientes de presiones.

Preencendido Avance Tendencia a detonar

El preencendido con detonación es muy peligroso ya que la detonación realimenta el efecto de incremento del avance, pudiéndose llegar a detonaciones de efectos destructivos (wild ping).

El preencendido sin detonación no es tan peligroso aunque supone marcha dura (rumble).


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TIPOS DE COMBUSTIÓN ANORMAL EN MEP

COMBUSTIÓN ANORMAL

ENCENDIDO SUPERFICIAL AUTOINFLAMACIÓN

PREENCENDIDO POSTENCENDIDO

DETONACIÓN (KNOCK)

ENCENDIDO SUPERFICIAL CON DETONACIÓN

ENCENDIDO SUPERFICIAL SIN DETONACIÓN

AUTOINFLAMACIÓN PERSISTENTE (RUN ON) El motor continúa girando con el encendido

cortado

ENCENDIDO SUPERFICIAL CRECIENTE Aparece cada vez antes en el ciclo, lo que

puede llevar a la destrucción del motor.

PICADO INTENSO (WILD PING) Detonación como consecuencia

del encendido superficial.

MARCHA DURA (RUMBLE) Ruido sordo distinto al de la detonación provocado por frentes de llama múltiples.


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PARTICULARIDAD EN MEDIDA DE PRESIÓN EN MEP: DISPERSIÓN CÍCLICA

En MEP, los ciclos de presión medidos consecutivamente y manteniendo las condiciones de funcionamiento presentan una importante variabilidad que es denominada dispersión cíclica o aciclismo.

0

10

20

30

40

50

60

70

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40

Ángulo de cigüeñal (º)

Pre

sión

(ba

r)

Existe por lo tanto una variabilidad en el desarrollo del proceso de combustión de ciclo en ciclo.

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40

Ángulo de cigüeñal (º)

FM

Q


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EFECTOS:

La dispersión cíclica provoca que de ciclo en ciclo varíen apreciablemente aspectos tales como:

Emisiones contaminantes del motor

Prestaciones del motor

Tendencia a la autoinflamación.

Los factores relacionados con la aparición de la dispersión cíclica pueden dividirse en:

CAUSAS:

Variación cíclica en el estado turbulento (escala e intensidad) en el momento de salto de la chispa.

Variación cíclica en la convección de la llama (interacción con la pared)

Variación cíclica en el dosado suministrado al motor (poco significativa).

Variación cíclica en la carga en el cilindro (poco significativa).

Variación cíclica en la fracción de residuales (poco significativa).

Variación cíclica en las características de la chispa (motores mal mantenidos).

FACTORES MAGNIFICADORES

Dosado de la mezcla (mínima dispersión cercanía de dosados estequiométricos).

Velocidad de combustión laminar del combustible.

Escala de la turbulencia al salto de la chispa.

Forma del electrodo y de la cámara de combustión.


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GEOMETRÍAS TIPO DE CÁMARAS DE COMBUSTIÓN EN MEP

Geometría cuña

Fracción última en quemarse muy refrigerada. Distribución sencilla. Pequeño tamaño de las válvulas.

Geometría hemiesférica

Válvulas grandes. Pequeño recorrido del frente de llama (compacta). Más difícil distribución.

Geometría labrada

Elevada turbulencia. Culata sencilla. Mucha transferencia de calor al pistón.

CUÑA HEMIESFÉRICA LABRADA


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COMBUSTIÓN EN MEC

El combustible es inyectado en el interior de la cámara de combustión al final de la carrera de compresión.

Tan pronto como se inyecta el combustible, se forman las primeras gotas que se evaporan y mezclan con el aire, y debido a las altas P y T empiezan las prerreacciones químicas que van a dar lugar después de un cierto tiempo (llamado tiempo de retraso) a la aparición de llama por autoinflamación.

La localización del punto donde se inicia la combustión es aleatoria, no dependiendo la inflamación de la mezcla de un aporte exterior de calor como ocurría en MEP (encendido provocado), sino que se trata de un fenómeno de autoinflamación que es consecuencia del elevado estado térmico (P,T) que existe en la cámara en las cercanías del PMS (encendido por compresión).

El desarrollo de la combustión en MEC depende fundamentalmente de las condiciones locales de dosado y temperatura de cada punto de la cámara de combustión.


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La llama suele aparecer cuando la distribución del aire y combustible no es todavía homogénea, por lo que coexisten los procesos de formación de la mezcla y de combustión. La duración de la combustión es mayor en MEC que en MEP.

El proceso de combustión está íntimamente ligado a la distribución del combustible en el aire, por lo que es necesario:

Buenas características del sistema de inyección.

Elevada turbulencia en la cámara de combustión.

El diseño de la cámara de combustión en MEC tiene una gran importancia, ya que además de favorecer la correcta combustión, tiene también la misión de propiciar la formación de una mezcla adecuada. Se distinguen dos tipos fundamentales de cámaras:

Cámara abierta (inyección directa). El papel principal en la distribución de combustible lo juega el sistema de inyección.

Cámara dividida (inyección indirecta). El papel principal lo juega la turbulencia obtenida con geometrías complejas de la cámara de combustión.

Las relaciones de compresión tienen valores entre 12 y 23. Tienen que ser mayores que un cierto valor para garantizar el arranque en frío.


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PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LA COMBUSTIÓN EN MEC

Ángulo de avance a la inyección (ai): Es el ángulo existente entre el comienzo de la inyección y el PMS.

Ángulo de inyección (i): Es el intervalo angular que dura el proceso de inyección. El tiempo que dura la inyección es del orden de milisegundos.

Tiempo de retraso (tr): Es el tiempo que transcurre desde que se inicia la inyección hasta que se produce la autoinflamación, durante el cual el combustible se va gasificando y mezclando con el aire y van ocurriendo prerreacciones químicas hasta que se inflama. Su valor depende fundamentalmente de la P, T y de la naturaleza del combustible. A este tiempo le corresponde un intervalo angular en el cigüeñal llamado ángulo de retraso (r).

ai i

r

PMSTasa inyección

Presión encámara

Presión enarrastrada

A estos tres conceptos hay que añadir algunos otros ya vistos en MEP:

Tiempo de combustión (tC): Es el tiempo que dura el fenómeno de la combustión. A este tiempo se le puede asociar un intervalo angular llamado ángulo de combustión C.

Gradiente de presión (dP/d o dP/dt): Expresa la velocidad con que cambia la presión a lo largo del ciclo (bar/°, bar/s).

Presión máxima de combustión (Pmax): Es el máximo valor de la presión dentro de la cámara de combustión a lo largo del ciclo (bar).


Combustión


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FASES DE LA COMBUSTIÓN EN MEC (I)

Se distinguen tres fases a partir del inicio de la inyección (ai):

1ª FASE: Periodo de retraso. Esta fase se extiende desde el inicio de la inyección hasta que se produce la autoinflamación, observándose entonces la separación de los diagramas de presión con y sin combustión.

2ª FASE: Combustión rápida o premezclada. Durante esta fase se quema rápidamente el combustible inyectado durante el tiempo de retraso, que ha tenido tiempo de mezclarse.

3ª FASE: Combustión por difusión. Se quema el combustible que no fue quemado durante la 2ª fase y el inyectado con posterioridad a medida que se va mezclando.


Combustión


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1ª FASE: TIEMPO DE RETRASO

El período desde que se inicia la inyección hasta que se produce la autoinflamación posee dos contribuciones:

Una asociada a la preparación de la mezcla aire-combustible en el cilindro (0.1 ms).

Otra necesaria para que se desencadenen las prerreacciones químicas anteriores a la autoinflamación.

Inyección Atomización Vaporización Prerreacciones Autoinflamación

Preparación Mezcla Retraso Químico

Tiempo de Retraso

Tiempo preparación mezcla << Tiempo retraso químico

FACTORES QUE AFECTAN A LA PREPARACIÓN DE LA MEZCLA

Características del chorro.

Propiedades del combustible.

Presión y temperatura en el cilindro, tr=f(P, T).

Movimiento del aire en el cilindro.

FACTORES QUE AFECTAN AL RETRASO QUÍMICO

Composición del combustible (longitud de la cadena, etc.).

Temperatura y presión dentro del cilindro (sobre todo la temperatura).

El tiempo de retraso se puede disminuir haciendo chocar el chorro en superficies calientes, con lo que disminuye el tiempo de retraso físico y químico.


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2ª FASE: COMBUSTIÓN PREMEZCLADA

En esta fase se quema aquella parte del combustible inyectado que ha sido vaporizada y mezclada con el aire.

Los parámetros que caracterizan esta fase son: la elevada velocidad de combustión y el gran aumento de la presión, y está íntimamente ligada con el tiempo de retraso.

tr Combustión suave

tr

combustible evaporado y mezclado

combustible inyectado

Marcha dura (Pmax)

Al aumentar la combustión premezclada P

ruido

emisiones de NOx

Factores que influyen:

- Tipo de cámara: Abierta o dividida. El tr suele ser menor en cámara dividida por lo que la marcha es menos dura.

- Combustible inyectado durante el retraso

Tiempo retraso

Ley de inyección

- Combustible gasificado durante el retraso

Finura gotas chorro

Turbulencia

Prop. físicas combustible

- Combustible encuentra oxígeno

Penetración del chorro

Turbulencia

La calidad de la micromezcla (finura de gotas) y de la macromezcla (reparto del combustible en el seno del aire) son condiciones contrapuestas, por lo que hay que acudir a soluciones de compromiso.


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3ª FASE: COMBUSTIÓN POR DIFUSIÓN

Período que va desde el punto de presión máxima hasta donde acaba la combustión.

En esta fase se quema todo aquel combustible no quemado en la 2ª fase, y aquél que se inyecta con posterioridad a la conclusión de la 2ª fase, si la inyección no ha terminado.

Pueden darse dos casos:

- La inyección termina antes de la conclusión de la 2ª fase: La cantidad de combustible que queda por inflamarse y la capacidad de mezclarse con el oxígeno marca la velocidad de combustión.

- La inyección continúa tras la conclusión de la 2ª fase: El proceso de inyección es el que condiciona fundamentalmente la velocidad de combustión.

En motores grandes que giran a bajo régimen (r<< i) la mayor parte de combustible se quema en la 3ª fase.

En esta fase puede haber combustión incompleta y entonces pueden formarse humos en el escape. La combustión incompleta se debe a la existencia de gran cantidad de combustible que no encuentra oxígeno para quemarse y que debido a las altas temperaturas y presiones se craquea, se deshidrogena, y se convierte en carbón. Este carbón puede posteriormente encontrar oxígeno y quemarse.


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CÁMARAS DE COMBUSTIÓN EN MEC

Las cámaras de combustión tienen una gran influencia en el desarrollo de la combustión, y su geometría tiene que compaginar:

- No originar elevadas presiones máximas ni gradientes de presión.

- No alargar la combustión

Humos

Las cámaras de combustión se pueden clasificar fundamentalmente atendiendo al lugar donde se inyecta el combustible, en dos tipos:

- Cámara abierta o inyección directa: el combustible se inyecta directamente en el volumen entre culata y pistón.

- Cámara divida o inyección indirecta: el combustible se inyecta en una precámara independiente al volumen entre culata y pistón.

Se pueden utilizar dos procedimientos complementarios en el diseño tanto en inyección directa como indirecta:

- Efecto inyección sobre pared caliente

Retraso fisico

Retraso quimico ,

con lo que se disminuyen los gradientes de presión, ya que la cantidad de combustible que se quema en la primera fase es menor.

- La estratificación de la mezcla: concentración de combustible en una zona, lo que evita un aumento excesivo de la presión, ya que no existe suficiente oxígeno para quemar el combustible. Hay que tener en cuenta que con este procedimiento luego aumenta la producción de humos, aunque un buen diseño puede favorecer que éstos se quemen en la cámara de combustión antes de salir por la válvula de escape.


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CÁMARA ABIERTA O INYECCIÓN DIRECTA

Cámara de combustión compacta sin estrechamientos, y por tanto sin diferencias apreciables de presión.

Mezcla encomendada al sistema de inyección.

Importancia relativa de la turbulencia.

Cámara abierta sin turbulencia

Formación de la mezcla encomendada al inyector, que tiene varios orificios y funciona con elevada presión de inyección. El funcionamiento del sistema de inyección debe ser impecable.

No hay turbulencia las pérdidas de calor a través de las paredes y el arranque en frío es más fácil.

Se emplean en motores lentos (grandes motores de 2T).


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Cámara abierta con turbulencia

Cámaras de combustión labradas en el pistón.

El aire alcanza velocidades del orden de 250 m/s con los siguientes procedimientos:

- En la pipa de admisión, por su propia geometría, o con deflector en la válvula (v) (efecto “swirl”).

- Movimiento del pistón, debido a la geometría de éste, en la carrera de compresión (efecto “tumble”).

El efecto de la turbulencia (movimiento del aire a alta velocidad) mejora el mezclado y consecuentemente reduce el tiempo de retraso, pero presenta el problema de grietas térmicas en la cabeza del pistón.

Cámara abierta con efecto de pared caliente

El chorro incide sobre una zona caliente de la cámara:

- Parte se evapora rápidamente tr

- Otra parte escurre en forma líquida a lo largo de la pared, con lo que es necesario que el aire esté lamiendo con gran velocidad esta zona.

Pmax y dP/d menos marcha dura interés en motores sobrealimentados.


Combustión


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CÁMARA DIVIDIDA O INYECCIÓN INDIRECTA

La cámara está dividida en dos compartimentos Espacio Muerto

Precamara

Existen diferencias apreciables de presión entre los compartimentos.

Mezcla encomendada a la turbulencia ocasionada por el fluido cuando atraviesa el estrechamiento que une los dos compartimentos.

Sistema de inyección sin elevadas exigencias. Inyector de orificio único colocado en la precámara.

Dado que en gran parte la segunda fase de la combustión se realiza en la precámara, las presiones y gradientes pueden ser más elevados en ésta, no afectando a la vida del motor.

La precámara desemboca tangencialmente en el cilindro, siendo el volumen de ésta al menos un 50% del volumen total de la cámara de combustión.

Una parte de la precámara es de acero especial postizo, poco refrigerado y situado en zona caliente para funcionar como pared caliente.

La velocidad del aire entre los dos compartimentos llega a ser del orden de 500 m/s, lo que supone una pérdida de un 5% de la potencia del motor.


Combustión


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VENTAJAS E INCONVENIENTES

Ventajas de la I.I. frente a la I.D.

- Posibilidad de poder usar combustibles de peor calidad.

- Inyectores de orificio único con menores presiones de inyección y condiciones del chorro menos críticas. Toleran mayor grado de suciedad.

- Posibilidad de aumentar el dosado, sin producción de emisiones intolerables, con lo que aumenta la potencia específica.

- Toleran mayores regímenes.

Inconvenientes

- Culata más cara y difícil de conservar. Problemas de grietas térmicas.

- Peor arranque en frío, ya que es menos adiabático, por lo que se diseñan con r>17. Se suele colocar una bujía de precalentamiento en la admisión o unos calentadores en la precámara.

- Turbulencia influenciada por el régimen, por lo que es difícil obtener pares elevados a bajas revoluciones.

- Peor rendimiento del motor por:

- Mayores pérdidas de la potencia del motor por crear la alta turbulencia.

- Mayores pérdidas de calor.

Los motores de I.D. proporcionan resultados excelentes cuando están correctamente mantenidos y funcionando con combustibles adecuados.


Combustión


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COMPARACIÓN MEP Y MEC

Comparando el diagrama de presiones de un MEC con el de un MEP, se observan las siguientes diferencias:

Las presiones máximas de combustión son mayores en los MEC.

El gradiente de presión es mayor en los MEC, lo que les da parte del ruido característico que los diferencian de los MEP.

El ángulo de avance a la inyección es menor que el avance al encendido.

El ángulo de combustión en MEC es mayor como consecuencia de que el proceso de combustión se prolonga durante parte importante de la carrera de expansión.


Formación de la Mezcla


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FOMACION DE LA MEZCLA

REQUERIMIENTOS DE DOSADO EN MEP FORMACIÓN DE LA MEZCA EN MOTORES DE ENCENDIDO PROVOCADO EQUIPOS DE INYECCIÓN FRENTE A CARBURADORES REQUERIMIENTO DEL SISTEMA DE FORMACIÓN DE LA MEZCLA EN MEC SISTEMAS DE INYECCIÓN CONVENCIONALES FASES DEL PROCESO DE INYECCIÓN SISTEMAS COMMON RAIL INTRODUCIÓN CHORROS DIESEL




Página 2

REQUERIMIENTOS DE DOSADO EN MEP

CURVAS DE PME-Fr Y Gef-Fr Si se realiza un ensayo sobre un motor en el que se mantienen constantes la posición de la mariposa y el régimen, variándose Fr dentro de los límites que imponga la estabilidad de la combustión y recogiendo los valores de pme para cada uno de los valores de Fr, se obtiene la curva:

max

1 1.15 Fr

pme n = cte = cte

Límite superior de dosado

Límite inferior de dosado

Dosado de máximo rendimiento Dosado de

máxima potencia

En esta curva destacan cuatro puntos característicos: Límite inferior de dosado: Punto que se corresponde con el dosado relativo

por debajo del cual la combustión no es estable. Límite superior de dosado: Punto que se corresponde con el dosado relativo

por encima del cual la combustión no es estable. Dosado de máxima potencia: Punto en el que la pme es máxima. Dosado de máximo rendimiento o mínimo consumo: Es el punto en que el

consumo específico efectivo gef se hace mínimo. Veremos que este punto se corresponde con aquél en el que se hace máxima la pendiente de la recta que parte del origen y pasa por la curva pme-Fr.




Página 3

De la curva pme-Fr se puede obtener la curva gef-Fr:

tg F

H

F

F m = F F i n V

tg F H T r

C

T r

r a r T

e C

pme

F

N

i n V

m

i n V

m F

r

e f e

f e e ia

ia e

V

V

Teniendo en cuenta la definición de consumo específico efectivo:

g = m

N

m

m H Htg

F ef

f

e

f

f C C

e

e e

ia V

efg

1

Para unas condiciones, un combustible, y n = cte

cte

ctev . tg cte

gef

max 1

Fr Nmax

Fr

pme

n = cte = cte

Fr max

gef

pme

gef

n = cte = cte

gef Fr limmax

Fr Fr Nmax

Fr max

Fr limmin

pme

pmemax

gef min

Cada curva de gancho posee la información de las curvas pme-Fr y gef-Fr

distinguiéndose los puntos característicos ya vistos:

Dosado limite inferior. Dosado de máximo rendimiento. Dosado de máxima potencia. Dosado límite superior.




Página 4

Las curvas de gancho para distintos grados de admisión aparecen representadas en la figura inferior. Es posible trazar la envolvente de estas curvas, esta curva tiene un gran interés y las siguientes características:

Los valores de dosado son parecidos al de máximo rendimiento, tanto más cuanto mayor es el grado de admisión.

En plenos gases, = 4/4, tras obtenerse el dosado de máximo

rendimiento, la envolvente continúa buscando las condiciones de máxima potencia.

Conforme menor es el grado de carga, los dosados más se acercan al

dosado correspondiente al límite inferior de estabilidad.

n = cte

gef

pme

= 4 / 4 = 3 / 4

= 2 / 4

= 1 / 4

Fr

pme

0.9

1.1

pmemax

1

n1 n2 n3 n4

Al variar el régimen la forma de la curva es la misma obteniéndose más o menos prestaciones en plenos gases dependiendo del valor de n. Las curvas pueden refundirse en una única curva si en el eje de abcisas se coloca el grado de carga definido como la relación entre la pme y la pme a plenos gases para cada valor del régimen (ni):

Grado de C a npme n

pme ni

i

max iarg ( )

( )

( )

Fr

1

1 Grado de carga pme/pmemax

Práctica

1.2

Con Catalizador




Página 5

Los principales regímenes transitorios son:

Arranque en frío y calentamiento. Aceleraciones. Deceleraciones.

Arranque en frío y calentamiento: Hay que enriquecer mucho la mezcla

para conseguir que en cilindro entre mezcla con un dosado dentro de los límites de inflamabilidad. Durante el calentamiento el dosado suministrado debe irse reduciendo conforme la temperatura del motor va aumentando.

Deceleración: Hay que suministrar un dosado por debajo del normal para la

combustión porque parte del combustible depositado sobre la pared del conducto de admisión pasa a enriquecer la mezcla.

Aceleración: Hay que suministrar un dosado por encima del normal para

compensar el combustible que se deposita sobre la pared. Es práctica usual aumentar el dosado hasta el de máxima potencia como puede verse en la figura.

pme/pmemax

1

1 Grado de carga

Fr Nmax

Fr

El efecto de los transitorios será tanto menor cuanto más cerca del cilindro se forme la mezcla aire-combustible (menos superficie de conducto para mojar).




Página 6

FORMACIÓN DE LA MEZCA EN MOTORES DE ENCENDIDO PROVOCADO

Objetivos del sistema de formación de la mezcla en MEP:

Suministrar la mezcla cumpliendo con los requerimientos del motor. Regular la carga modificando la masa de mezcla que entra en el motor.

Clasificación de los equipos de formación de la mezcla en MEP:

Carburadores:

Equipos de inyección:

Mezcladores (combustibles gaseosos). Requerimientos del motor:

Estacionario: Dosado de máximo rendimiento y de máxima potencia. Transitorio: - Arranque en frío y calentamiento.

- Aceleración. - Deceleración.

EL CARBURADOR El carburador es un dispositivo que utiliza el efecto de depresión ocasionado por el paso del aire, ma , a través de un estrechamiento en la sección de paso (difusor o venturi), para dosificar combustible y mezclarlo con el caudal de aire circulante.

Surtidor de aire delcircuito del mínimo

Surtidor decombustible del circuito del mínimo

Surtidor delcircuito principal

Tornillo regulaciónmezcla del mínimoTornillo de marcha

Agujero(s)en progresión




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SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN DE VEHÍCULOS A GLP Instalación para vehículos de inyección electrónica de gasolina con catalizador y sonda Lambda:

1. Depósito de GLP 2. Válvula de corte de GLP 3. Evaporador-Regulador de presión 4. Regulador de flujo 5. Filtro de aire 6. Unidad de mezcla 7. Mariposa

8. Válvula de corte de gasolina 9. Cilindros del motor 10. Sensor sonda Lambda 11. Catalizador 12. Interruptor GLP/gasolina 13. Tablero de a bordo 14. Equipo de control




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SISTEMAS DE INYECCIÓN

En el circuito de gasolina de un sistema de inyección multipunto se distinguen los siguientes componentes:

COLECTOR DE ADMISIÓN

INYECTOR

FILTRORAMPA DE INYECTORES

REGULADORDE PRESIÓN

BOMBA DEGASOLINA

DEPOSITO

CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE INYECCIÓN EN MEP

Inyección monopunto: La inyección se realiza a través de un único inyector

colocado en la parte de la línea de admisión común a todos los cilindros (como el carburador).

Inyección multipunto: Existe un inyector para cada cilindro. Los inyectores

descargan el combustible en la pipa de admisión, así la gestión de los transitorios es más sencilla.




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REQUERIMIENTO DE DOSADO ESTEQUIOMÉTRICO. SONDA LAMBDA En la actualidad las restricciones impuestas a las emisiones contaminantes obligan a utilizar catalizadores de los gases de escape para obtener el nivel de emisiones reglamentado. La eficiencia de la conversión en el catalizador es máxima cuando el dosado utilizado coincide con el dosado estequiométrico.

13 14 16 15

20

100

80

60

40

Dosado

Eficiencia de la Conversión en el Catalizador (%)

Ventana de Máxima Eficiencia

NOx

COHC

Tensiónde salida

Dosado

800 mV

50 mV

Mezclapobre

Mezclarica

La sonda lambda permite que el sistema de inyección funcione con una mezcla estequiométrica. La señal de la sonda lambda se utiliza realimentando el sistema de inyección de forma que tengamos siempre un dosado estequiométrico.

CALCULADOR

MOTOR

Ti Sondalambda

Gases de escape

Corrección de la sonda lambda

Flujo de aire

Sondas SISTEMA DE INYECCIÓN

Flujo de combustible

Tiempo

Riqueza Riqueza Estequiométrica

Sonda Lambda 800 mV

Sonda Lambda 50 mV

Mezcla Rica Aumento Gasolina Inyectada

Aumento de Ti

Poco oxígeno en

escape

Reducción Gasolina inyectada

Mezcla Pobre

Mucho oxígeno en

escape

Disminución de Ti




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EQUIPOS DE INYECCIÓN FRENTE A CARBURADORES Par y Potencia: Son mayores en equipos de inyección multipunto ya que:

Colectores buscando resonancias sin problemas en transitorios. Homogeneidad cilindro a cilindro permite r.

Emisiones contaminantes: El equipo de inyección permite una mayor

precisión en el suministro de combustible por lo que es posible controlar mejor las emisiones contaminantes. Además la utilización eficiente del catalizador de tres vías exige utilizar dosado estequiométrico en variadas condiciones de operación lo cual sólo es posible con la inyección electrónica.

Consumo de combustible: La inyección permite obtener menores consumos

ya que se obtiene el dosado requerido por el motor de manera más rápida y precisa. Esto es especialmente importante en los transitorios. Sin embargo en la actualidad por tenerse que utilizar el dosado estequiométrico (mayor que el dosado de mínimo consumo) el consumo con el sistema de inyección es sólo ligeramente menor

Conducionabilidad: La suavidad en la conducción se ve favorecida por la

utilización de sistemas de inyección, sobre todo en los periodos transitorios. Costo del sistema y de mantenimiento: Los sistemas de inyección electrónica

son bastante más caros que los carburadores. Además su mantenimiento resulta complejo requiriéndose mano de obra cualificada.




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REQUERIMIENTO DEL SISTEMA DE FORMACIÓN DE LA MEZCLA EN MEC COMBUSTIÓN EN MEC INYECCIÓN ATOMIZACIÓN EVAPORACIÓN ENGLOBAMIENTO PENETRACIÓN DE AIRE RETRASO

COMBUSTIÓN La inyección debe comenzar en un punto perfectamente definido y con una

ley definida. La regulación del motor se realiza modificando la cantidad de combustible

inyectado, es decir el dosado, mientras que en MEP éste permanece sensiblemente constante para variaciones de la Pme.

Hay poco tiempo para la inyección, gasificación, formación de la mezcla y

combustión, por lo que existen limitaciones para el sistema de inyección y para el motor, como es el régimen de giro y el dosado máximo (0,7). El sistema de inyección debe ser capaz de conseguir unas características físicas del combustible que favorezcan la combustión completa.




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SISTEMAS DE INYECCIÓN CONVENCIONALES BOMBAS EN LÍNEA

SALIDA HACIAEL INYECTOR

LEVAACCIONADA POREL MOTOR

ENTRADA DECOMBUSTIBLE

CAMISA

PISTÓNRANURADO

CARRERAUTIL

VALVULAANTIRRETORNO

El grado de carga se modifica al girar el pistón ranurado sobre la camisa o al revés; de esta manera se modifica la carrera útil del pistón y en consecuencia el combustible bombeado hacia el inyector.

DOSIFICADOR DECOMBUSTIBLE

La bomba inyectora dispone de tantos conjuntos camisa-pistón como cilindros tiene el motor. Mayores presiones de inyección. Pequeña dispersión de volumen de

combustible inyectado entre cilindros. Mayor precio.




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BOMBAS ROTATIVAS Más

económicas

Más ruidosas

Presiones

más reducidas

EJE ACCIONADO POR EL MOTOR

SALIDAS HACIA LOS INYECTORES

DOSIFICADOR DE COMBUSTIBLE ENTRADA DE

COMBUSTIBLE

BOMBA – INYECTOR Este tipo de dispositivos van alojados en la culata y el arbol de levas los acciona, pueden ser de mando hidraulico o electrónico




Página 14

REGULADOR DE LA BOMBA

Regulación de mínima: reduce la inyección cuando aumenta el régimen de giro.

Mantiene constante el régimen de giro para una posición del

acelerador. Regulación de máxima: corta la inyección cuando el régimen de giro

sobrepasa un valor prefijado.

EJE MOTOR

MANDO DELACELERADOR+ -

GRADO DEINYECCIÓN+ -

Sistema de regulación mecánico El sistema de regulación hidráulico es similar al presente pero en este caso el brazo que mueven los contrapesos es accionado por un pistón hidráulico que lo desplaza una presión proporcional al régimen de giro del motor.




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INYECTORES

CUERPO DEL INYECTOR

MUELLE DE PRESIÓN

PUNTA DEL INYECTOR

PERNO DE PRESIÓN

ARANDELA DE AJUSTE

TUERCA DE UNIÓN

AGUJA

TOBERA

CONDUCTO DE RETORNO

CONDUCTO DE LLEGADA

INYECCIÓN INDIRECTA Un orificio con chorros de cono hueco. Presión de tarado:100-200 bar Se suele inyectar en una precámara y la formación de la mezcla está encomendada a la turbulencia generada en el cilindro durante la carrera de compresión. INYECCIÓN DIRECTA Varios orificios con un chorro por orificio. Presión de tarado:250-300 bar La formación de la mezcla está encomendada a la calidad del chorro que genera el sistema de inyección.




Página 16

FASES DEL PROCESO DE INYECCIÓN

IVIIIIII

1. Inicio del movimiento del pistón de la bomba inyectora. Elevación de la presión en la cámara.

2. Apertura de la válvula unidireccional.

Elevación de la presión en la línea de inyección. 3. Apertura de la aguja del inyector.

Salida del combustible por la tobera. 4. Cierre de la válvula unidireccional.

Cierre de la aguja del inyector.




Página 17

1

3

2 4

5




Página 18

SISTEMAS COMMON RAIL Los sistemas common rail consisten en un sistema de electroválvulas que permite introducir el combustible en la cámara de combustión de una forma controlada electrónicamente y a alta presión hasta 1800 bar. El control electrónico del proceso permite conseguir las mejores condiciones de inyección (presión, angulo, varias inyecciones) para cada punto de funcionamiento del motor.

El sistema consiste fundamentalmente en:

Una bomba que eleva la presión hasta las condiciones deseadas: la

presión es medida y controlada mediante una válvula electrónica. Los elementos de la bomba pueden ser desactivados individualmente para adaptar el caudal al consumo.




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Un sistema de distribución del combustible a alta presión hasta los

inyectores (common rail). Unos inyectores basados en una válvula eléctrica que libera la presión

que mantiene cerrado el inyector.

Los sistemas common rail junto con la fabricación de toberas de inyección de muy pequeño diámetro han permitido el desarrollo de los modernos motores diesel de altas prestaciones y bajas emisiones. Los cuales están basados en inyección a muy alta presión junto con combinación de pre y post inyecciones durante una combustión a fin de conseguir la entrega de combustible óptima en cada situación.




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CHORROS (I)

La calidad de la formación de la mezcla se puede evaluar por:

La calidad de la macromezcla: reparto del combustible dentro del aire.

La calidad de la micromezcla: finura media de las gotas del chorro.

PENETRACIÓN

ENTRADA DE AIRE PERFIL DE VELOCIDAD

CONTORNO

NUCLEO

PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS

ÁNGULO DE CONO: depende fundamentalmente de los parámetros geométricos de la tobera y de la presión de inyección.

DIÁMETRO DE LAS GOTAS: se caracteriza por el diámetro medio de la distribución de diámetros y por las curvas de distribución.

dm = f( PI, dI, cI, f, f, f, a, mI/mI0)

PI - Presión de inyección dI - Diámetro de la tobera cI - Velocidad del chorro en la tobera f - Tensión superficial del combustible f - Viscosidad dinámica del combustible f - Densidad del combustible a - Densidad del aire mI/mI0 - Cantidad de combustible inyectada respecto de la nominal.

PENETRACIÓN DEL CHORRO: s = f(PI, dI, a, t)




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CHORROS (II)

INFLUENCIA DE DISTINTOS PARÁMETROS SOBRE

EL TAMAÑO DE LAS GOTAS, PENETRACIÓN Y ÁNGULO DE CONO

En la tabla siguiente se resumen los efectos experimentales que un crecimiento de las variables consideradas tienen sobre los distintos parámetros característicos del chorro. Este efecto se indica de forma cualitativa, expresando si el parámetro afectado crece (), decrece () o se mantiene invariable (). En el caso de que no haya información experimental, aparece un guión (-).¡Error! Marcador no definido.

Tamaño de

gotas d32

Penetración Ángulo de

apertura Distancia Radial - - Distancia Axial - -

Presión de inyección Presión ambiente Tensión superficial - -

Viscosidad cinemática - Diámetro de la tobera Pg=Pamb:

Pg alta: -

Relación de densidades - Temperatura ambiente - Duración de inyección - - Coeficiente de arrastre - -

Relación L/d0 - -




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BIBLIOGRAFÍA Miralles de Imperial, J. Bombas de Inyección Diesel. Ed. CEAC, 1980 Muñoz, M., Payri, F. Motores de Combustión Interna Alternativos. Servicio Publicaciones E.T.S. Ingenieros Industriales, Universidad Politécnica Madrid, 1994.Cap.16: Formación de la Mezcla en los MEC. Inyección de Combustible (pp. 425-445).


Renovación de la carga


Página 1

RENOVACIÓN DE LA CARGA

INTRODUCCIÓN CONDICONES DE REFERENCIA FACTORES GEOMETRICOS QUE AFECTAN AL RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO FACTORES DE FUNCIONAMIENTO QUE AFECTAN AL RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO INTRODUCCIÓN A LOS MOTORES DE 2T EL PROCESO DE BARRIDO COEFICIENTES PARA EVALUAR EL BARRIDO REAL POTENCIA Y Pme EN FUNCIÓN DE LOS COEFICIENTES SOBREALIMENTACIÓN PROBLEMÁTICA DE LA SOBREALIMENTACIÓN TIPOS DE SOBREALIMENTAICÓN ACOPLAMIENTO MOTOR Y GRUPO DE SOBREALIMENTACIÓN ENFRIAMIENTO INTERMEDIO LIMITACIONES DE LA SOBREALIMENTACIÓN




Página 2

INTRODUCCIÓN

DEFINICIÓN: La renovación de la carga es el proceso por el cual tiene lugar la sustitución de los productos quemados por mezcla sin quemar (aire en los motores Diesel) con el fin de repetir el proceso termodinámico que tiene lugar en el motor. INTERÉS: Aumentando la cantidad de aire que entra en el motor se aumenta la potencia.

Ne m FHa c e

RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO Es la relación entre la masa de mezcla fresca que entra en el motor por ciclo y la que llenaría la cilindrada estando en unas condiciones de referencia.

vmasa que entra enel motor en un ciclo

masa teorica que entraria

refD

m

refD

mcc

t

mccv Vin

m

V

m

m

m

Para un motor dado en unas condiciones de funcionamiento dadas cuanto mayor sea el rendimiento volumétrico mayor será el gasto de aire y consecuentemente mayor será la potencia.




Página 3

CONDICIONES DE REFERENCIA

El rendimiento volumétrico da una idea de la influencia en el proceso de renovación de la carga de todos los elementos del motor que se encuentren aguas abajo del punto del sistema de admisión cuyas condiciones de presión y temperatura sean las que se tomen como referencia.

F iltro

C om presor

M ariposa

1

5

4

32

C ilindro

1. Condiciones ambientales: se tiene en cuenta todo el sistema de admisión. 2. Después del filtro: el ensuciamiento del filtro no influye en el rendimiento

volumétrico. 3. Después del sistema de regulación de la carga en MEP: el rendimiento

volumétrico se hace independiente del grado de carga. 4. Después del compresor: en motores sobrealimentados si se toma el punto de

referencia antes del compresor el rendimiento volumétrico suele ser mayor que la unidad ya que la densidad en el interior del cilindro es mayor que la de referencia.

5. Antes de la válvula de admisión: en este caso el rendimiento volumétrico solo

se ve afectado por las perdidas de carga en la válvula y no se ve afectada por los efectos dinámicos del colector de admisión.




Página 4

FACTORES GEOMETRICOS QUE AFECTAN AL RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO

SECCIÓN DE PASO DE LAS VÁLVULAS Y FORMA: Cuanto mayor es el área de paso de las válvulas mejor es el rendimiento volumétrico. El área de paso mas restrictiva suele ser el área de cortina.

Dv

L

AvA2

A1

P2

P1

El coeficiente de descarga caracteriza las pérdidas que se producen al pasar un fluido por una sección se define como:

Cm

mDteorico

Cuando la sección de paso es variable se suele hablar de coeficiente de flujo:

teoricoref

VDF m

m

A

ACC

donde ahora el gasto teórico es el que pasaría por el área de referencia.

Si los levantamientos son excesivos entonces es el área de la pipa de admisión la que restringe el paso, esto no es habitual ya que levantamientos excesivos suponen grandes aceleraciones y en consecuencia grandes esfuerzos en el sistema de distribución.

A

Aref

CD

A

Aref

DC

La mayor limitación del tamaño de las válvulas viene dada por su ubicación en la culata.




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GEOMETRÍA DEL COLECTOR DE ADMISIÓN: El fluido en el colector de admisión sufre continuas aceleraciones y deceleraciones debido a que el proceso de renovación de la carga es pulsatorio. Una geometría determinada del colector de admisión puede aumentar o disminuir el rendimiento volumétrico. Cuanto más estrecho sea el colector de admisión mayores serán las velocidades por él y mayores serán los efectos dinámicos. También se aumentara este efecto cuanto más largo sea el colector de admisión ya que más masa estará en movimiento. Por otro lado las pérdidas de carga en el colector serán tanto mayores cuanto más largo y estrecho sea el colector de admisión (altas velocidades). DIAGRAMA DE DISTRIBUCIÓN:

ADMISIÓNCOMPRESIÓN

EXPANSIÓN

ESCAPE

COMPRESIÓN ADMISIÓN

ESCAPE

EXPANSIÓN

RCA AAE

RCE AAA

TEÓRICO REAL

Las válvulas realmente no abren y cierran en los puntos muertos sino que suelen abrir antes y cerrar después por dos motivos fundamentales. Mejorar el llenado del cilindro.




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Disminuir el trabajo de bombeo. Lo ideal sería una apertura y cierre instantáneo pero esto es imposible debido a que supondría aceleraciones muy grandes y consecuentemente fuerzas de accionamiento muy grandes. Adelanto a la apertura del escape (AAE): Este ángulo viene determinado para minimizar las perdidas de bombeo sin que aumenten excesivamente las pérdidas de escape: La idea es que en el PMI la presión en el cilindro sea próxima a la atmosférica y que cuando el pistón empiece a subir la válvula este lo suficientemente abierta como para que no aumente la presión. Adelanto a la apertura de la admisión (AAA): Mejora el vaciado de el cilindro de gases quemados ya que cuando el pistón esta al final de la carrera de escape el volumen en el cilindro varía muy poco y existe un efecto de succión en el colector de escape debido a las inercias, este momento se aprovecha para abrir la admisión y que entren gases frescos y se salgan los quemados (cruce de válvulas). En el cruce de válvulas de los MEP hay que tener cuidado de que la mezcla fresca no se salga por el escape ya que en ese caso no se aprovecharía la energía del combustible que sale. En MEC no importa que parte del aire salga por el escape incluso se aprovecha este efecto para refrigerar. Retraso al cierre del escape (RCE): Disminuye la masa de residuales en el cilindro. Retraso al cierre de la admisión (RCA): Tiene por objeto mejorar el llenado del cilindro por que se aprovechan los efectos de la inercia de los gases.




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REFLEXIÓN DE LA ONDA DE DEPRESIÓN AL FINAL DEL COLECTOR: Cuando la onda generada por el proceso de admisión llega al final del colector de admisión se encuentra con un volumen grande que podría entenderse como un ensanchamiento o un extremo abierto, por lo que se refleja cambiando el signo de su amplitud y se convierte en una onda de presión que viaja ahora hacia la válvula de admisión que la generó.

Colector de admisión

Una longitud adecuada del colector de admisión permite mejorar el llenado a determinados regímenes de giro cuando el tiempo de ida y vuelta de la onda coincide con el tiempo de admisión (variable con el régimen




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FACTORES DE FUNCIONAMIENTO QUE AFECTAN AL RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO

RÉGIMEN DE GIRO Cuando el régimen de giro aumenta el tiempo para el llenado disminuye y para desplazar el mismo volumen es necesario mayor velocidad de paso o mayor sección. Valores muy elevados del número de mach en la válvula provocan el bloqueo de la sección y el llenado es muy deficiente. Los motores se diseñan para que el número de Mach en la válvula no supere valores del orden de 0.5. GRADO DE ADMISIÓN (grado de carga en MEP): Este efecto solo tiene interés en MEP donde se disminuye la presión de admisión para modificar el grado de carga. La variación del rendimiento volumétrico referido a las condiciones ambiente es proporcional a la presión de admisión.

TEMPERATURA AMBIENTE Y TEMPERATURA DEL MOTOR El rendimiento volumétrico mejora con la temperatura ambiente ya que disminuye la transmisión de calor durante el proceso de admisión. Al estar el motor mas caliente el fluido se calienta mas durante la entrada y el llenado empeora. DOSADO (grado de carga en MEC): El aumento del dosado hace que aumente la temperatura del motor por lo que el rendimiento volumétrico disminuye. MEP las variaciones del dosado son muy pequeñas y en ese rango el efecto

es inapreciable. MEC el dosado es más variable y el efecto más acusado.




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INTRODUCCIÓN A LOS MOTORES DE 2T

El ciclo termodiámico completo se realiza en una vuelta del cigüeñal. Presencia de bomba de barrido para realizar admisión y escape

simultáneamente cerca del PMI. VENTAJAS Mayor potencia para el mismo régimen de giro

Nn

W

N n W

i T i

i T i

4

2

2

N i n W i n Pmi V

N i n W i n Pme Vi i D

e e D

donde

4T i =1

22T i = 1

Simplicidad en bombeo por cárter. INCONVENIENTES Menor rendimiento: Menor aprovechamiento del ciclo de trabajo. Cortocircuito de la mezcla. (MEP) (Emisiones HC en MEP). Mayor temperatura de algunos

elementos: Pistón. Bujía. Válvula de escape (si hay). Mayores emisiones de HC (MEP). APLICACIONES MEP

Pequeños motores: simplicidad mecánica y bajo coste.

MEC Grandes motores: aumento de la potencia específica sin empeorar el rendimiento, ya que aunque exista cortocircuito éste es solo de aire.

Mapa de curvas características de un motor lento de 2T Diesel




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EL PROCESO DE BARRIDO

Diagrama indicador para motores de 2T: las líneas de puntos muestran una estimación del diagrama indicador correspondiente a un motor de 4T.

Antes de que se abra la lumbrera de admisión, la presión en el cilindro tiene que bajar por debajo de la presión de admisión (presión de barrido). Posibilidad de modificar la lumbrea de escape en función del régimen YPVS.




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COEFICIENTES PARA EVALUAR EL BARRIDO REAL

mREF

RS

RCAR

RET

mSUM

mCC

mRETmCAR

b

RLL

mRES

Masa de referencia: m n V V n Vr

rREF T C ref T ref

1

COEFICIENTE DE ADMISIÓN RS

Rm

msSUM

REF

Generalmente: RS>1 Barrido independiente RS<1 Barrido por cárter

Depende fundamentalmente de la bomba de barrido y poco del motor. En barrido independiente es un parámetro de diseño. COEFICIENTE DE CARGA RCAR (S)

CARRET

REFR = m

m

Generalmente: RCAR>1 Barrido independiente RCAR<1 Barrido por cárter

Da idea de la Pme del motor.




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RENDIMIENTO DE LA RETENCIÓN RET

RETRET

SUM

CAR

s

= m

m = R

R

1

Siempre es menor que 1 y da una idea de la bondad del barrido, o dicho de otra forma de la proporción de mezcla que se cortocircuita.

RENDIMIENTO DEL BARRIDO b

bRET

RET RESRET RES CAR = m

m + m m + m = m

Siempre es menor que 1 y da una idea de la bondad en la evacuación de residuales. COEFIECIENTE DE LLENADO RLL

LLRET RES

REF

CAR

REF

R = m + m

m = m

m

LL b RET s CARR = R = R

BARRIDO ÓPTIMO:

1 R lo mayor posible.




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POTENCIA Y Pme EN FUNCIÓN DE LOS COEFICIENTES MEP

e RET c e SUM c e,

N = m F H = m F H

e = i m Rendimiento efectivo respecto a la masa de aire retenida. 'e = i m RET Rendimiento efectivo respecto a la masa de aire suministrada. Tiene en cuenta las pérdidas por cortocircuito.

En función de la cilindrada del motor:

e CAR T ref c e s T ref c e,

N = R n V r

r - 1 F H = R n V

r

r - 1 F H

La presión media efectiva queda:

Pme = R r

r - 1 F H = R

r

r - 1 F H T CAR ref c e s ref c e

,2

Pme F HT V ref c e4 MEC

No existen diferencias entre los rendimientos puesto que no hay combustible cuando entra el aire en el cilindro. En este caso es el dosado el que se puede definir de dos maneras diferentes.

e RET c e SUM’

c eN = m F H = m F H

F = m

mf

RET

1 Dosado referido a la masa de aire retenida.

’F =m

mf

SUM2 Dosado referido a la masa de aire suministrada.

En función de la cilindrada del motor:

e CAR T ref c e s T ref’

c eN = R n V r

r - 1 F H = R n V

r

r - 1 F H

La presión media efectiva queda:

Pme = R r

r - 1 F H = R

r

r - 1 F H CAR ref c e s ref

’c e




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SOBREALIMENTACIÓN

RAZONES QUE JUSTIFICAN LA SOBREALIMENTACIÓN: OBJETIVO: Elevación de la potencia para una cilindrada dada.

Ne = n i V PmeT n: Limitado por la disminución del rendimiento mecánico VT: Mayor tamaño del motor o aumento del número de cilindros Pme:

Pme = F Hc ref v i m

Se puede aumentar la Pme aumentando la densidad de referencia o el rendimiento volumetrico (depende de donde tomemos la referencia), esto es aumentar la macc y en consecuencia se puede auemtar mfcc. EXPRESIÓN DE LA DENSIDAD:

ambamb

ambref

adiabref

amb

= PR T

< = PR T

< = PR T

,

( )

,,

( )

4

4

4

4

F iltro

C om presor

M ariposa

re ferencia

R efrigerador

m acc

n

SA

AN

Cuanto mayor sea la densidad mayor es el efecto de la sobrealimentación, esto lo conseguimos o bien aumentando la presión o disminuyendo la temperatura.

La sobrealimentación aumenta el trabajo producido en cada ciclo de trabajo ya que se puede aportar más calor al ciclo.




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PROBLEMÁTICA SOBREALIMENTACIÓN Tiempos de respuesta: mala respuesta en aceleraciones bruscas

(transitorios) sobre todo los turbosobrealimentados. Se añade un elemento nuevo. Fiabilidad. Tensiones mecánicas:

MEC: Presión máxima aumenta. Pmax/Pme disminuye. El tiempo de retraso disminuye.

Pme Pmax Pmax/Pme MEC AN 7 80 11.5 MEC SA 10 100 10 MEC SA (refrig) 14 125 9

MEP: Problemas de detonación.

Tensiones térmicas: Disminuye la fracción de energía cedida al refrigerante

en relación con la aportada. MEDIDAS A ADOPTAR: Reducción de la relación de compresión. Aumento del dosado (MEP). Inyección de agua. Reducción del dosado (MEC). Aumento del cruce de válvulas (MEC). Refrigeración con aceite en la cabeza del pistón. Cambiador aceite-agua. Incremento del caudal de agua de refrigeración. Utilización de intercambiador después del compresor.




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TIPOS DE SOBREALIMENTACIÓN

ACCIONAMIENTO MECÁNICO, COMPRESOR VOLUMÉTRICO: Ventajas: Mantiene la relación de compresión con el régimen del motor. Inconvenientes: Aumento del consumo debido a la energía empleada. Nivel sonoro elevado. Volumen y peso apreciables

TURBOSOBREALIMENTACIÓN Ventajas: Fácil instalación. Gran fiabilidad y duración. Mantenimiento reducido. Coste y peso razonable.

Inconvenientes: Tiempo de respuesta lento. Problemas de acoplamiento entre el turbocompresor y el motor alternativo.

Existen otros sistemas de sobrealimentación.




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ACOPLAMIENTO MOTOR Y GRUPO DE SOBREALIMENTACIÓN La potencia dada por la turbina tiene que ser la misma que la que absorbe el compresor. El régimen de giro de la turbina y el compresor tiene que ser el mismo. El caudal de aire debe de ser el mismo en turbina. compresor y motor (en algunas aplicaciones el caudal que pasa por la turbina es diferente). La presión de sobrealimentación (presión a la salida del compresor) no tiene que sobrepasar un determinado valor para no aumentar excesivamente la presión media del ciclo en el motor alternativo.

Efecto de diferentes tamaños de turbina en las prestaciones

VÁLVULA REGULADORA DE LA PRESIÓN DE SOBREALIMENTACIÓN (WASTE GATE):




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TURBINAS DE GEOMETRIA VARIBLE Las turbinas de geometría variable permiten una adaptación del grupo de sobrealimentación a los caudales, presiones y temperaturas variables con los que funciona un motor alternativo. ENFRIAMIENTO INTERMEDIO (INTERCOOLER)

Temp. de admisión Presión de admisón 1/F Presión máxima Q refrig. Consumo específico Pme

Enfriamiento intermedio sin aumentar la cantidad de combustible inyectado

Enfriamiento intermedio con aumento del combustible inyectado

LIMITACIONES DE LA SOBREALIMENTACIÓN

MEC

Pme

n

Regimen turbo

T. Escape Pmax

Humos

En MEP el mayor problema es la detonación.




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BIBLIOGRAFÍA Brun, R. Science et Technique du Moteur Diesel Industriel et de Transport. Ed. Technip, 1976. Miralles de Imperial, J., Sobrealimentación de Motores, Biblioteca del Automóvil. CEAC, 1980. Muñoz, M., Payri, F. Motores de Combustión Interna Alternativos. Servicio Publicaciones E.T.S. Ingenieros Industriales, Universidad Politécnica Madrid, 1994. Cap. 13: Sobrealimentación (pp. 321-350). Taylor, C. F., The Internal Combustion Engine in Theory and Practice. The MIT Press, 1982. Cap. 13: Supercharged engines and their performance (pp.456-493). Waston, N. y Janota, M.S., Turbocharging the Internal Combustion Engine. Macmillan, 1982. Zinner, K., Supercharging of Internal Combustion Engines. Sringer-Verlag. Heidelberg, 1978 Enciclopedia CEAC del Motor y Automóvil. El Motor de Dos Ttiempos. CEAC, 1979. Cap. Introducción (pp. 13-50). Muñoz, M., Payri, F. Motores de Combustión Interna Alternativos. Servicio Publicaciones E.T.S. Ingenieros Industriales, Universidad Politécnica Madrid, 1994. Cap. 7: El Proceso de Renovación de la Carga en Motores de 2T (pp. 147-189). Taylor, C. F. The Internal Combustion Engine in Theory and Practice. The MIT Press, 1982. Cap. 7: Two Stroke Engines (pp. 211-265).


Contaminación


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CONTAMINACIÓN EN MCIA INTRODUCCIÓN

FUENTES DE EMISIÓN

PRODUCTOS CONTAMINANTES EN LOS M.C.I.A

UNIDADES PARA LA MEDIDA DE LAS EMISIONES

FORMACIÓN DE EMISIONES

INFLUENCIA DEL DOSADO EN LAS EMISIONES

FOMACIÓN DE HIDROCARBUROS SIN QUEMAR

REACCIONES QUIMICAS DE FORMACIÓN DE EMISIONES CONTAMINANTES.

FORMACIÓN DE NOX

FORMACIÓN DE CO

FORMACIÓN DE HUMOS

COMPROMISO ENTRE EMISIONES DE NOX y HUMOS EN MEC

ACTUACIONES PARA EL CONTROL DE LAS EMISIONES

CONTROL DE LA EVAPORACIÓN DE COMBUSTIBLE.

RECIRCULACIÓN DE GASES DE ESCAPE (EGR)

SISTREMAS DE TRATAMIENTO QUIMICO DE GASES DE ESCAPE

TRAMPAS DE PARTÍCULAS


Contaminación


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INTRODUCCIÓN

La limitación de las emisiones contaminantes ha empezado a ser contemplada como uno de los objetivos de investigación a partir de 1960.

La limitación de emisiones contaminantes está reñida con un bajo consumo o

con una elevada potencia. Por otro lado la normativa es cada vez más estricta en cuanto a las

emisiones de los motores de combustión interna alternativos destinados a automoción.

PRINCIPALES FUENTES DE EMISIONES CONTAMINANTES Datos de 1986

CO CO2 SOx NOx HC Partículas

Transporte 73.7 21.0 4.8 60.8 51.6 13.0

Industrial 15.2 21.0 23.7 9.8 44.3 63.6

Generación de energía 0.5 33.0 60.8 24.6 0.6 15.3

Calefacción y residuos 10.6 24.0 10.7 4.8 3.5 8.1

IMPACTO AMBIENTAL

CONTAMINANTE ALCANCE COSTE DEL CONTROL

CO2 Global Alto

CO Local Alto

SOx Regional y local Medio

NOx Regional Alto

HC Regional Bajo

Partículas Global regional y local Medio


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FUENTES DE EMISIÓN

Evaporación de combustible: (hidrocarburos) En el proceso de distribución: se puede solucionar haciendo que cuando se reposte en las gasolineras los vapores de gasolina que salen del depósito los recoja la misma manguera que aporta el combustible. En el vehículo: puede ser en funcionamiento o bien con el vehículo parado, se evita colocando filtros de carbón activado en el respiradero del depósito.

Gases de soplado del cárter: (hidrocarburos). Debido a las fugas existentes entre pistón y camisa en el cárter se van acumulando gases de combustión que si no se les deja salir del cárter acaban presurizándolo. Se evitan recirculando estos vapores hacia la admisión del vehículo.

FU G AS

R EC IR C U LAC IÓ N

C O LEC TO R D E AD M IS IÓ N

C ALIBR E

Otros: lubricantes usados, líquidos refrigerantes del motor, fluidos del sistema de aire acondicionado, líquido de frenos neumáticos etc... Gases de escape Principalmente CO, NOX e hidrocarburos sin quemar y particulas. Cuantitativamente es la fuente más importante y más difícil de evitar.

NOX 0.08%

HC 0.05%

CO 0.85

H2O 9%

CO2 18.1%

N2 71%

O2 y Gases Nobles 0.7%

Contaminantes1 %

Sustancias sólidas 0.005%

MEP


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PRODUCTOS CONTAMINANTES EN LOS M.C.I.A Monóxido de carbono (CO): En toda reacción de combustión de un hidrocarburo se produce monóxido de carbono ya que este esta en equilibrio con el dióxido de carbono según la reacción:

CO + ½ O2 CO2 la reacción está más desplazada hacia la derecha cuanto mayor es la temperatura y cuanto menor es la concentración oxígeno (dosado rico). Es un compuesto muy venenoso ya que se fija en los glóbulos rojos de la sangre impidiendo que éstos puedan fijar el oxigeno, la inhalación de aire con un 0.3% de monóxido de carbono durante media hora produce la muerte.

1 1000.1 10

50

5

10

1

100

600 ppm

300 ppm

100 ppm

30 ppm

15 ppm

muerte

coma

Vomito, colapso

Dolor de cabeza intenso

Dolor de cabeza, se reduce la agilidad mental

Sin sintomas

Horas de inhalación

Porcentaje de carboxihemoglobina

Hidrocarburos sin quemar (HC): Pueden formarse por:

Combustión incompleta (apagado de la llama). Efecto pared y hueco entre pistón y cilindro. Cortocircuito de la mezcla fresca (motores de 2T) Descomposición de los hidrocarburos originales para producir compuestos aromáticos y derivados nitrogenados

Algunos son cancerígenos (hidrocarburos policíclicos aromáticos -PAH- y sus derivados nitrogenados -NPAH-). Contribuyen a la formación de ozono (muy útil en las capas altas de la atmósfera, pero perjudicial a nivel del suelo por su carácter oxidante e irritante).


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Óxidos de nitrógeno (NOX):

Aparecen cuando existe oxígeno y nitrógeno a altas temperaturas como las de la combustión.

O2 + N2 N0 + N02

Esta reacción se desplaza más hacia la derecha cuanto mayor es la concentración de oxígeno (dosados pobres) y cuanto mayor es la temperatura.

La emisión de NOx en la estratosfera (reactores de los aviones a reacción) produce la destrucción de la capa de ozono.

NO + O3 NO2 +O2 NO2 + O NO +O2

Este tipo de reacción no destruye los óxidos de nitrógeno y sí el ozono, por lo que puede continuar indefinidamente.

En presencia de agua los óxidos de nitrógeno pueden formar ácido nítrico produciéndose si es con agua de la atmósfera lluvia ácida. Producen problemas respiratorios, tos y dolores de cabeza

Partículas sólidas (humos):

Se producen fundamentalmente en los MEC por deshidrogenación y craqueo del combustible a elevadas presiones y temperaturas y en ausencia de oxígeno, esta tendencia es mayor cuanto mayor es el dosado ya que el mezclado del aire y el combustible es difícil. Es la principal limitación del dosado en MEC. Las partículas carbonosas absorben hidrocarburos sin quemar, algunos de ellos son elementos cancerígenos (PAH y NPAH). Actualmente se estudian los efectos sobre la salud en función del tamaño de las partículas, cuanto más pequeñas son, mayor es el tiempo que se


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mantienen en suspensión en el aire, los tamaños van desde micras hasta nanometros.

Óxidos de azufre (SOX):

Proceden de la oxidación durante el proceso de combustión del azufre que existe en el combustible, fundamentalmente en los hidrocarburos pesados, por lo que tienen mayor importancia en los MEC.

En presencia de agua se convierten en ácido sulfúrico que puede llegar a precipitar en el tubo de escape a bajos grados de carga, si los óxidos de azufre salen a la atmósfera pueden producir lluvia ácida. Producen en las personas problemas respiratorios y tienen mal olor.

Emisiones de plomo:

El plomo procede de los compuestos tetraetil-plomo y tetrametil-plomo que son aditivos que se utilizan para aumentar el octanaje de las gasolinas.

Pb-(C2H5)4 y Pb-(CH3)4

El plomo tiene un efecto muy perjudicial para los catalizadores de gases de escape (envenenamiento del catalizador), por lo que los motores que tienen catalizador de gases de escape tienen que utilizar gasolina sin plomo en las cuales para aumentar el octanaje se utilizan otros productos (hidrocarburos de cadenas cortas). Ataca el sistema nervioso.


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UNIDADES PARA LA MEDIDA DE LAS EMISIONES CONCENTRACIÓN EN VOLUMEN DE UNA ESPECIE La concentración en volumen es la relación entre volumen que ocuparía la especie química en cuestión a la misma presión y temperatura que la mezcla y el que ocupa la mezcla. El volumen ocupado y el número de moles tienen una relación lineal e independiente de la especie química que se considere, por lo que hablar de concentración en volumen o fracción molar es lo mismo. Este tipo de concentración se puede dar en seco ó húmedo en función de que entre las especies se incluya ó no el agua.

total

i

total

iespeciesj

1jj

ii p

p

V

v

n

n=Yv

La concentración puede finalmente expresarse en tanto por ciento o en partes por millón simplemente multiplicándola por 100 o por 106 respectivamente. EMISIONES POR UNIDAD DE LONGITUD RECORRIDA POR EL VEHÍCULO Se mide la masa de una determinada especie química emitida por un vehículo y se divide por la distancia recorrida las unidades habituales son miligramos por kilómetro. Se utilizan para medir las emisiones de un vehículo cuando se le somete a un determinado ciclo de rodaje sobre un banco de rodillos.

CLm

Lii

Un mismo motor puede dar valores diferentes en función del vehiculo en el que se monta, depende del peso y de los rozamientos (rodadura, aerodinámica).. EMISIONES ESPECÍFICAS Es la relación entre la tasa de producción de una determinada especie química y la potencia que está dando el motor, esta relación introduce la importancia de la eficiencia de la combustión en el motor de una forma más clara que la anterior ya que en este caso las emisiones solo dependen del motor y no de las condiciones de utilización.

CNem

Neii


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INFLUENCIA DEL DOSADO EN LAS EMISIONES INFLUENCIA DEL DOSADO EN MEP (RÉGIMEN ESTACIONARIO):

4000

3000

2000

1000

2000

1500

1000

500

4

3

2

1

1.21.00.80.6

Dosado relativo

NOx

ppm

HC ppm de C3H8

CO %vol

CO

HC

NOx

Compromiso entre temperaturas altas y presencia de oxigeno

Apagado de llama por dosado pobre

Combustión incompleta por falta de oxígeno

INFLUENCIA DEL DOSADO EN MEC (RÉGIMEN ESTACIONARIO):

1500

0.05

0.1

0.15

500

1000

NOx, HC y CO

g/m3 ppm vol

humos

NOx

HC

CO

humos

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6Dosado relativo

Mal mezclado aire-combustible y bajas temperaturas debido a bajos grados de carga

A medida que aumenta la temperatura aumentan los NOx

A medida que aumenta el dosado es más difícil que el combustible encuentre oxigeno.


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RÉGIMEN TRANSITORIO: Arranque en frío: MEP: Mezcla rica y dificultades evaporación CO, HC, NOx. MEC: Dificultades autoinflamación, mayor efecto pared HC, humos blancos. Aceleración: MEP carburador e inyección monopunto: Enriquecimiento de mezcla CO, HC, NOx. MEP inyección multipunto: Enriquecimiento controlado Variaciones pequeñas. MEC atmosférico: Cantidad inyectada humos negros. MEC sobrealimentado: Tiempo de estabilización del turbocompresor Presión admisión Humos negros Necesidad de limitar cantidad inyectada (corrector de humos). Deceleración: MEP carburador e inyección monopunto: Evaporación combustible depositado en paredes mezcla rica CO, HC. MEP inyección multipunto: Corte de inyección, evaporación de combustible No combustión y emisión de HC. MEC: No hay inyección combustible.


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FOMACIÓN DE HIDROCARBUROS SIN QUEMAR

Habitualmente entre el 1.5% y 2% del combustible que entra en el motor no se consigue quemar:

Emisiones de hidrocarburos en el escape (HC). Pérdida de rendimiento.

CÁMARA DE COMBUSTIÓN

PIPAS Y COLECTOR DE ESCAPE

CATALIZADOR

HC + AIRE

COMBUSTIÓN PRINCIPAL (91% HC)

(9% HC)

(4% HC)

COMBUSTIONES SECUNDARIAS ( carreras expansión y escape, 5% HC)

COMBUSTIONES SECUNDARIAS (conductos escape, 2% HC)

(2% HC) emisiones del motor

OXIDACIÓN EN CATALIZADOR (1.6% HC)

(0.4% HC) emisiones a la atmósfera

Pérdida de rendimiento parcial (antes AE) o total (después AE)

Pérdida total de rendimiento

EJ. MEP


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(1) Mezcla aire-combustible queda encerrada durante la carrera de compresión

y el proceso de combustión en distintos huecos y hendiduras de la cámara de combustión. La mezcla abandona los huecos durante las carreras de expansión y escape.

(2) Combustible es absorbido por la capa de lubricante durante las carreras

de admisión y compresión. Posteriormente el combustible es desorbido durante las carreras de expansión y escape.

(3) Combustible es absorbido por los depósitos de la cámara durante las

carreras de admisión y compresión. Posteriormente el combustible es desorbido durante las carreras de expansión y escape.

(4) La llama se extingue antes de tocar la pared de la cámara de combustión

dejando una capa de mezcla aire-combustible sin quemar (apagado en pared).

(5) En determinadas condiciones operativas puede llegar a ocurrir que la llama

se extinga antes de recorrer la totalidad de la cámara dejando una gran cantidad de mezcla aire-combustible sin quemar (apagado). Otras veces la mezcla no llega a encenderse (no encendido).

(6) Combustible en estado líquido no tiene suficiente tiempo para evaporarse y

mezclarse con el aire y así quemarse durante la combustión. (7) Cierta cantidad de mezcla aire-combustible se cortacircuita en algunos

ciclos a través de la válvula de escape durante el cruce de válvulas, factor importante en motores de 2T.

Mecanismo (MEP) HC que escapa de la

combustión principal HC emitido por el motor

Huecos y Hendiduras 57% 38% Apagado 6% 5%

Lubricante 11% 16% Depósitos 11% 16%

Combustible Líquido 14% 20% Fuga Válvula de Escape 1% 5%


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Procesos de combustión secundarios Los HC retenidos mediante los distintos mecanismos, se introducen en el seno de los gases quemados y sufren un proceso de combustión secundaria durante las carreras de admisión y escape o en los conductos de escape (pipa y colector de escape). Combustión secundaria según como haya sido retenido el combustible HC almacenados con aire: (1), (4), (5) y (7) Fácil de quemar. HC almacenados sin aire: (2), (3) y (6) Difícil de quemar (el combustible debe mezclarse con el aire y en algunos casos incluso evaporarse). Localización de la combustión secundaria Carreras de escape y expansión (1), (2), (3), (4) y (6). Proceso de escape (pipa y colector) (1), (2), (3), (4), (5), (6) y (7).

Mecanismo (MEP) HC que escapa de la combustión principal

HC emitido por el motor

Huecos y Hendiduras 57% 38%

Apagado 6% 5%

Lubricante 11% 16%

Depósitos 11% 16%

Combustible Líquido 14% 20%

Fuga Válvula de Escape 1% 5%

En motores diesel la principal fuente de hidrocarburos procede de combustible que no a encontrado una zona de alta temperatura para quemarse, por lo que las mayores emisiones se producen a bajos grados de carga.


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REACCIONES QUIMICAS DE FORMACIÓN DE EMISIONES CONTAMINANTES.

La formación de NOx y CO en la cámara de combustión están muy relacionadas con determinadas reacciones cuyo tiempo de reacción es del orden de magnitud que el tiempo que dura un ciclo termodinámico, esto quiere decir que las reacciones no llegan al equilibrio químico antes de que abra la válvula de escape. Esto hace que las emisiones de estos contaminantes dependan en gran medida de la velocidad de reacción que a su vez es dependiente de: De la naturaleza de la propia reacción que tendrá determinadas energías de activación Ea, A y m en ambos sentidos. De la temperatura T en que se desarrolle la reacción, mayores temperaturas favorecerán que se desarrollen con mayor rapidez las reacciones. De las concentraciones de las especies químicas reaccionantes, cuanto mayores sean las concentraciones mayor será la velocidad de reacción.

EeCcBbAai

d

baddr BAKV ec

iir ECKV

TR

EexpTAK

am

Cuando la temperatura en la camara de combustión es eleveda las composiciones están cerca del equilibrio, pero cuando baja la temperatura, las composiciones se alejan del equilibrio. Este efecto repercute fundamentalmente a las emisiones de NOx y en menor medida en las de CO.

siendo T la temperatura, Ea la energía de activación de la reacción, R la constante universal de los gases y m y A constantes propias de la reacción que se trate.

Equilibrio

Sin Equilibrio

Temperatura

Ángulo de Cigüeñal (°)


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FORMACIÓN DE NOX Se destacan tres mecanismos fundamentales que involucran a la evolución de los NOx:

Mecanismo térmico o de Zeldovich Mecanismo “pronto” o de Fenimore Mecanismo del N2O intermedio

MECANISMO TÉRMICO O DE ZELDOVICH Es el mecanismo que en condiciones normales provoca la formación de NOx:

N O N NO R

O N O NO R

N OH H NO R

2

2

1

2

3

( )

( )

( )

Las constantes de velocidad de reacción asociadas a las reacciones de este mecanismo son tales que la concentración de NO queda “congelada” para valores por debajo de 1800-2000 K en el tiempo típico de residencia de los gases quemados en el motor.

MECANISMO “PRONTO” O DE FENIMORE Es un mecanismo ligado a la química de la combustión de los HC que tiene importancia sólo en la zona de dosados muy ricos. Fenimore observó que en la zona del frente de llama aparecía NO antes de que le diera tiempo a aparecer según el mecanismo de Zeldovich por eso lo llamó “pronto”. El mecanismo parte de radicales CH: Para dosados FR < 1.2 CH N HCN N

C N CN N

2

2

Para dosados FR > 1.2 HCN O NCO H

NCO H NH CO

NH H N H

N OH NO H

2


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MECANISMO DEL N2O INTERMEDIO Es un mecanismo que tiene importancia para mezclas pobres FR < 0.8 y en procesos en los que la temperatura es relativamente baja. Los tres pasos del mecanismo son:

N O N O

H N ON NO NH

O N O NO

2 2

2

2 2

Este mecanismo puede ser importante en estrategias relacionadas con la utilización de mezclas pobres premezcladas en turbinas de gas. Tanto en MEC como en MEP la mayor formación de NOX se produce en el frente de llama ya que es donde se producen las máximas temperaturas, posteriormente estos se van descomponiendo al bajar la temperatura pero no hay suficiente tiempo como para que esto ocurra.

Equilibrio

Sin Equilibrio

Reacción Congelada

Temperatura


NO

Se puede decir por tanto que el principal factor para la producción de NOx es la temperatura máxima durante el ciclo ya que esta determina el nivel máximo de NOx en la camara de combustión. Evidentemente si no existe oxigeno (dosado rico) los NOx tienen dificultades para formarse ya que el oxigeno es consumido por el carbono y el hidrogeno, por ello el maximo de formación de NOx en MEP se da en dosado 0.9. Mientras que en MEC está mas relacionado con las diferentes fases de la combustión y las temperaturas que se alcanzan.


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FORMACIÓN DE CO La oxidación de los hidrocarburos se puede dividir en 2 pasos:

1. Oxidación del combustible con aparición de CO 2. Oxidación del CO a CO2

El segundo paso presentará tanta más dificultad para darse cuanta menos cantidad de oxigeno exista (mezclas ricas). Compuestos hidrogenados como H2 y H2O tienen una gran importancia en la velocidad de reacción asociada a esta oxidación secundaria. Si se emplea como acelerador de esta reacción el H2O, el mecanismo ligado con el CO es: CO O CO O

O H O OH OH

CO OH CO H

H O OH O

2 2

2

2

2

1

2

3

4

( )

( )

( )

( )

(1) no contribuye prácticamente a la formación de CO2 pero sirve de iniciador de la secuencia de reacciones.

(3) acelera el proceso de aparición de CO2 a partir de CO

Equilibrio

Sin Equilbrio

Temperatura


CO

La evolución de la concentración del CO está cerca del equilibrio químico. La congelación de la evolución, si se produce, no es tanto motivada por el descenso de temperatura como por la falta de O2 que impide que el CO se transforme en CO2. Los dosados pobres con los que trabajan los MEC hacen que la emisión de CO sea pequeña.


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FORMACIÓN DE HUMOS

Los humos son partículas, sólidas o líquidas (aerosol), suspendidas en los gases de escape. Se pueden clasificar en dos grupos: Azules/blancos consistentes en una mezcla de partículas de combustible y aceite de lubricación en un estado quemado, parcialmente quemado o craqueado. La componente azul procede del lubricante, resultando del deterioro del sellado de los segmentos del pistón, o del desgaste de la guía de la válvula. El combustible no quemado puede aparecer también como humo azul con un tamaño de gotas sobre 0.5 µm. La componente blanca, es resultado principalmente de una temperatura muy baja en la cámara de combustión durante el período de inyección de combustible. Están formados por combustible no evaporado, que tiene un tamaño de gota de cerca de 1.3 µm, y por agua condensada. El humo blanco es consecuencia de una condición transitoria durante el arranque en frío, desapareciendo a medida que el motor se calienta. También puede ser resultado de una inyección muy tardía Grises/negros consistentes en partículas sólidas de carbón que provienen de un modo de combustión incompleta (deshidrogenación del combustible). Se produce por encima de un determinado grado de carga si se inyecta más combustible del valor máximo de diseño, si se tiene un chorro deficiente o si el aire de admisión se restringe. Las causas principales de emisión de humo negro excesivo en servicio son:

Inyectar más de la cuenta: mal reglaje del grado de carga máximo. Chorro deficiente: mal reglaje de la bomba y de inyectores y

ensuciamiento de éstos. Disminución de aire admitido: suciedad en el filtro del aire.

Se debe notar sin embargo, que hay varias partículas de carbón presentes en el escape de los diesel bajo cualquier condición operativa, de forma que es imposible de alcanzar una emisión nula de humos.


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FORMACIÓN DE HOLLÍN DURANTE EL PROCESO DE COMBUSTIÓN

Autoinflamación

PMS

Final de lacombustión

Apertura de laválvula de escape

Tasa deInyección

Combustióndel hollín

DFQL

Formación yCombustión

del hollín

Concentraciónde hollín

Durante la segunda fase de la combustión se forma muy poco hollín. La formación de hollín ocurre durante la tercera fase de la combustión. Al principio de esta fase la formación de hollín es muy rápida y va disminuyendo debido a que empieza a aparecer la combustión de hollín. Existe un ángulo a partir del cual la concentración de hollín disminuye debido a que predomina la combustión de hollín frente a la formación. Llega un momento en que el hollín deja de quemarse debido a que la temperatura disminuye. A parte de un buen sistema de formación de la mezcla, las emisiones de humos diminuyen cuanto mayor es el tiempo que la temperatura es elevada en la cámara de combustión, esto se consigue aumentando el avance o con post-inyecciones debidamente localizadas durante la carrera de expansión.


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COMPROMISO ENTRE EMISIONES DE NOX y HUMOS EN MEC

Mientras que las emisiones de CO y HC en MEC pueden ser controladas con catalizadores de escape, las emisiones de NOx y hollín tienen tendencia contrapuestas al modificar el inicio de la inyección.

NOx

Humos

Avance

Cuando se modifica otro parámetro de funcionamiento suele afectar a una de los tipos de emisiones dejando mas o menos indiferente a la otra. El objetivo de una puesta a punto es buscar las mejores condiciones operativas que aproximan la curva al origen y después determinar el avance que permite introducir algún punto de la curva detro del límite de emisiones.

NOx

Humos

Limite de emisiones

EGR

Piny Padm

Avance óptimo

Con la aparición de los sistema de control de motores basados en microprocesador, las posbilidades de puesta a punto han crecido en gran medida.


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CONTROL DE LA EVAPORACIÓN DE COMBUSTIBLE. La evaporación del combustible almacenado en el depósito es una fuente de hidrocarburos que se controla mediante un filtro de carbón activo colocado en la puesta en atmósfera del deposito de combustible. Existe una estrategia para la limpieza del filtro y recirculación de los depósitos del mismo hacia el colector de admisión.

AIRE FRESCO

U. CONTROL

DEPÓSITO DE GASOLINA

Canister (Carbón Activo)

Válvula de Purga (cerrada)

Válvula de Carga del Canister

(abierta) Sonda de Presión

P

CARGA CANISTER

AIRE FRESCO

U. CONTROL

DEPÓSITO DE GASOLINA

Canister (Carbón Activo)

Válvula de Purga (abierta)

Válvula de Carga del Canister

(cerrada) Sonda de Presión

P

PURGA CANISTER


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RECIRCULACIÓN DE GASES DE ESCAPE (EGR) Consiste en readmitir una cierta cantidad de los gases emitidos para que actúen como elementos inertes en la reacción de combustión y consecuentemente disminuyen la temperatura de combustión y la formación de NOx. También disminuyen la velocidad de combustión.

VÁLVULA ANTIRRETORNO

DEPÓSITO DE VACÍO

(carga)

VÁLVULA DE EGR

ELECTROVÁLVULA EN REPOSO

U. CONTROL

REGULADOR DE PRESIÓN

Patm

Patm

P=Patm

GASES DE ESCAPE

AL CILINDRO

REFRIGERANTE

VALVULA CONTROL DE

TEMPERATURA EGR

El sistema de recirculación consiste en un conducto controlado con una válvula que recircula los gases desde el escape hasta la admisión. Los gases son refrigerados antes de introducirlos en la admisión. Suele utilizarse la depresión en el colector de admisión en MEP (la recirculación se realiza a bajos grados de carga) en el caso de MEC se dispone de una bomba de vacio o de otro tipo de dispositivo eléctrico o mecánico. A altos grados de carga la recirculación de gases de escape limita la potencia del motor ya que desplaza el oxígeno necesario para quemar el combustible.


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CONSECUENCIAS EN MEP La introducción de EGR trae consigo además de la reducción de NOX las siguientes consecuencias: Aumento de las emisiones de HC

EGR T (ciclo) HC Aumento del consumo específico

EGR CC e ge Aumento de la inestabilidades del

motor EGR CCL Estabilidad

0 10 5 15

5000

4000

3000

NOX

EGR (%)

FR = 0.95

FR = 1.0

CONSECUENCIAS EN MEC

10 20 30 %EGR

100

% HC

humos

NOx

NO REFRIGERADO

REFRIGERADO

NO REFRIGERADO

NO REFRIGERADO

REFRIGERADO

REFRIGERADO


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SISTREMAS DE TRATAMIENTO QUIMICO DE GASES DE ESCAPE REACTORES TÉRMICOS El reactor térmico es similar a una cámara de combustión, donde se oxidan completamente las trazas de CO y HC que puedan quedar después de la combustión en el cilindro. Es necesario suficiente O2 en el escape: dosados pobres o adicción de

oxigeno. Temperatura suficientemente elevada: aislamiento, energía de la reacción,

problemas con dosados pobres. Suficiente tiempo de residencia: volumen del reactor. Ventaja: elevada reducción de CO y HC Inconveniente: elevado volumen, y aumento de emisiones de NOx. REACTORES CATALÍTICOS Este tipo de reactores utilizan catalizadores para favorecer determinadas reacciones que eliminan las sustancias contaminantes. Un parámetro importante que influye notablemente sobre el rendimiento del catalizador, es la superficie expuesta al contacto de los gases de escape. Para elevar esta superficie, el catalizador se dispone en el interior de los reactores formando gránulos de pequeño tamaño o preferiblemente en bloques cerámicos monolíticos. REACTORES CATALÍTICOS DE OXIDACIÓN Los reactores catalíticos de oxidación eliminan el CO y el HC de los gases de escape de los motores. Consisten en un depósito intercalado en el tubo de escape, donde se encuentra el catalizador, el cual favorece la reacción de oxidación.

CO + O2 CO2 HC + O2 CO2 + H2O

Los catalizadores son sustancias hetereogéneas, que normalmente incluyen metales como platino, iridio, paladio, etc.


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REACTORES CATALÍTICOS DE REDUCCIÓN Los reactores catalíticos de reducción se utilizan para de eliminar el NOx, reduciéndolo a N2. Se han utilizado distintos tipos de catalizadores, pero los más utilizados en la actualidad son los que contienen rodio o rutenio (más barato y fácil de obtener). Para que funcione con buenos rendimientos es fundamental que en su interior haya ausencia casi total de O2. En los gases de escape se han de encontrar componentes reductores, como el CO y el H2, para producir la reacción de reducción: Se debe elegir un catalizador que evite la formación de amoniaco:

NO + CO CO2 + 1/2 N2 NO + H2 H2O +1/2 N2

2 NO + 5 H2 2 NH3+ 2 H2O

REACTORES CATALÍTICOS MIXTOS O DE TRES VÍAS Cuando el motor trabaja con dosados estequiométricos, pueden utilizarse reactores catalíticos que actúen simultáneamente sobre el HC, CO y NOx, de forma que el NOx se reduce y cede su oxígeno para oxidar el HC y el CO. El intervalo de dosado en que las emisiones de HC, CO y NOx son eliminadas simultáneamente en un porcentaje elevado es muy pequeño: y obliga a controlar minuciosamente la concentración de O2.

0

100

400

300

200

3

12

9

6

2

8

6

4

0.7 1.31.21.11.00.90.8

DOSADO RELATIVO

COg/kWh

NOX

g/kWhHC

g/kWhAnterior al Catalizador

Posterior al Catalizador

NOX

HC

CO

HC

En esta zona se producen las siguientes reacciones principales: H2+NO H2O+N2 CO+NO CO2+N2 HC+O2 H2O+CO2 H2+O2 H2O CO+O2 CO2


Contaminación


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TRAMPAS DE PARTÍCULAS Basicamente las trampas de partículas son filtros. A medida que se llenan aumenta la contrapresión de escape, por lo que hay que regenerarlas (quemar las partículas que han recogido). Por ello habitualmente llevan un recubrimiento catalítico. En otros casos existe un sistema de calentamiento eléctrico o se adiciona un compuesto al combustible. Tipos de trampas: Cerámicos monolíticos de nido de abeja. Hilos cerámicos. Espumas cerámicas Polvos metalicos sinterizados Precipitadores electrostáticos Malla de hilos

Filtración Regeneración


Contaminación


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BIBLIOGRAFÍA Benson, R. S. and Whitehouse, N. D. Internal Combustion Engines. Ed. Pergamon Press, 1983. Cap. 4: Combustion in Compression Ignition Engines (pp.69-95). Cheng, Hamrin, Heywood, Hochgreb, Min, Norris, “An Overview of Hydrocarbon Emissions Mechanisms in Spark Ignition Engines” SAE paper 932708 Degobert, P. “Pollution Provoquée par le Moteur Diesel Niveaux d’Émission Comparaison avec Moteur a Allumage Commandé”. Revue de l’institut Français du Pétrole. Vol. 41, Nº5, Septembre-Octobre, 1986 (pp. 687-698). Fernández, P. Metodología de Puesta a Punto de un Sistema de Inyección en MEP. PFC ETSII Valladolid, 1996 Garrett, T. K., Automotive Fuels and Fuel Systems. Volume 1: Gasoline. Pentech Press, 1991. Cap. 13: Emissions and their Control (pp. 304-343). Garrett, T. K., Automotive Fuels and Fuel Systems. Volume 2: Diesel. Pentech Press, 1994. Cap. 8: Exhaust Emissions (pp. 212-234).Cap. 9: Test cycles, Sampling and Analysis of Exhaust Emissions (pp. 235-254). Glassman, I. Combustion. Ed. Academic Press, 1987. Cap 8. Environmental Combustion Considerations (pp. 318-385) Guanglong, Z., Lunhi, L., Jiahua, C. and Xiuren, Z., “Development and Application Experience of Diesel Catalytic Converters”. SAE941773. SAE SP-1050 Haddad, S. and Watson, N., Principles and Performance in Diesel Engineering.. Ellis Horwood limited, 1984. Cap. 6: Diesel exhaust emissions: (pp.205-233) Heck, R. Farrauto, R.., ”Automotive Catalysts”. Automotive Engineering /February 1996 (pp. 93-96). Heinemann,J., Gesenhues, B. “Evap-System- New Actuators Facing the Future Requeriments for Purgue Flow Management” SAE paper 930858 Horrillo, A. Modelo de Dos Zonas Cuasidimensional para el Diagnóstico de la Combustión en MEP. PFC ETSII Valladolid, 1994. Kollman, K., Abthoff, J., and Zahn, W., “Three Way Catalysts for Ultra-Low-Emission Vehicles”. Automotive Engineering /October 1994 (pp. 17-22). Laing, P. M., “Alternator-Powered, Electrically Heated Catalyst”. Automotive Engineering /April 1994 (pp. 51-54). Langen, P., Theissen, M., Mallog, J. and Zielinski, R., ”Heated Catalyc Converter”. Automotive Engineering /September 1994 (pp. 31-35). LRC Lilly, Diesel Engine Reference Book. Butterworths, 1986. Cap. 17: Exhaust Smoke, Measurement and Regulation. Muñoz, M., Payri, F. Motores de Combustión Interna Alternativos. Servicio Publicaciones E.T.S. Ingenieros Industriales, Universidad Politécnica Madrid, 1994. Cap. 18: La contaminación de los motores (pp. 479-519). Turns, S. R., An Introduction to Combustion. Concepts and Applications. Mc Graw Hill, 1996. Cap. 15: Pollutant emissions (pp. 472-513). Watson, N. and Janota, M.S. Turbocharging the Internal Combustion Engine. Mc Millan, 1982. Cap.14: Diesel Engine Exhaust Emissions and Noise (pp. 482-516) Zuohua Huang, Keyu Pan, Jijun Li, Longbao Zhou, Deming Jiang. “An Investigation on Simulation Models and Reduction Methods of Unburned Hydrocarbon Emission in Spark Ignition Engines”. Combust. Sci. Tech. Vol 115, (pp 105-123), 1996


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ENSAYOS INTRODUCCIÓN CURVAS CARACTERÍSTICAS CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS DE MOTORES PARÁMETROS A MEDIR E INSTRUMENTACIÓN NECESARIA MÉTODOS DE MEDIDA DEL PAR EFECTIVO FRENOS


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INTRODUCCIÓN Las variables que definen fundamentalmente el punto de funcionamiento de un M.C.I.A son: Par efectivo o presión media efectiva. Régimen de giro o velocidad lineal media. Grado de carga (se puede definir de dos maneras):

- Pme/Pme(max) al mismo régimen de giro. - Posición del acelerador:

MEP ángulo de mariposa (grado de admisión). MEC posición del mando del acelerador en la bomba inyectora.

Las dos formas de definirlo tienen una relación entre ellas de manera que si una crece la otra también.

El mapa de funcionamiento del motor en un plano par-régimen viene determinado por:

El régimen máximo: limitado por el aumento de las pérdidas mecánicas y las fuerzas de inercia.

El régimen mínimo: limitado por la estabilidad en el funcionamiento del motor.

El par máximo a cada régimen de giro que viene dado por las prestaciones del motor.

P ar ó pm e

R égim en ó C m

L íneas de posic ión de ace le rador constan te

M O T O R A R R A S T R A D O

Potenc ia

R ég im en ra len tí

R ég im en m áxim o


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De las tres variables que definen el punto de funcionamiento, dos de ellas vienen dadas por las condiciones operativas (Me, n) y la tercera la fijan las características del motor (e).

CONDICIONES OPERATIVAS

Ó CONDICIONES DE

ENSAYO

MOTOR

OTRAS VARIABLES

VARIABLE 1

VARIABLE 2

VARIABLE 3

Dado un punto de funcionamiento hay una serie de variables y parámetros que identifican el comportamiento del motor (presiones, temperaturas, caudales, emisiones, etc...) . Algunos de estos parámetros se pueden fijar con dispositivos al efecto (temperatura del refrigerante con el termostato o con un sistema de refrigeración en sala de ensayos). Algunas de estas variables o las que se calculan a partir de ellas tienen asociadas parámetros adimensionales. Par => Pme

pmeM

A S Z ik M F He

pe a c v e

2

Potencia => Ne/Ap N

Z Apme S n i

pmec ie

pm

2

Régimen de giro cm

c S n k nm 2

Consumo de combustible Rendimiento

gm

N

m

m H Hkef

f

e

f

e f c e c e

1 1


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CURVAS CARACTERÍSTICAS CURVAS DE PLENA CARGA: Se hace un barrido de regímenes de giro con el máximo grado de carga. Normalmente se representa la variación frente al régimen de:

Par (o pme) Potencia (o carga térmica) Consumo específico

Los valores de presión y potencia se suelen corregir con un factor dependiente de las condiciones ambientales, a fin de que los ensayos puedan ser repetitivos con diferentes condiciones ambientales.

Tendencias del rendimiento: g k kefe i m

1 1

El rendimiento indicado aumenta con el régimen, porque disminuyen las pérdidas de calor y mejora la combustión por la turbulencia.

El rendimiento mecánico disminuye con el régimen, porque las pérdidas mecánicas aumentan con el cuadrado del régimen.

En motores sobrealimentados el rendimiento mecánico mejora respecto a aspiración natural porque aumenta la Pme mucho más que la Pmpm.

m

Pme

Pme Pmpm


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Tendencias de la presión media efectiva: pme F Hv c e

El rendimiento volumétrico disminuye con el régimen de giro. El rendimiento efectivo aumenta y después disminuye. El dosado en MEP se mantiene aproximadamente constante. En MEC hay que tener en cuenta la ley de entrega de combustible de la

bomba con el régimen. En motores sobrealimentados la presión media efectiva aumenta porque aumenta la densidad de referencia. En motores con turbosobrealimentación este efecto se nota a partir de que el sistema de sobrealimentación se acopla con el motor.

v

cm

Tendencias de la potencia: Ne K Pme n En MEP la potencia aumenta con el régimen hasta un máximo y después el aumento del régimen no compensa la disminución de la Pme y la potencia empieza a disminuir. En MEC no se llega a este punto ya que el sistema de inyección corta antes la inyección para evitar fuerzas de inercia excesivas, por lo que la potencia siempre es creciente con el régimen.


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CURVAS A CARGAS PARCIALES: A un régimen de giro dado se va modificando el grado de carga, para ello el freno tiene que ajustar el par de frenado para no acelerarse y decelaerarse al aumentar el par motor. Una vez estabilizado es posible medir la variable que se desee conocer.


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Barriendo todos los regímenes y todos los grados de carga se obtiene el mapa motor donde se pueden trazar lineas que unen puntos con el mismo valor de la variable medida, por ejemplo un mapa de isoconsumos:

Variación de las condiciones operativas al desplazarse del polo económico

Líneas consumo específico constante

POLO ECONÓMICO

m (pme) dominante MEC i (F)

Cm

pme

m (n)

MEP i (F) dominante

m (pme)

i (n Q)

m (n)


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CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS DE MOTORES SEGÚN OBJETIVO: Control de calidad

Control de nivel de acabado y prestaciones Tipos:

A todas las unidades análisis de un número reducido de variables A un número de unidades, análisis exhaustivo, duración,

desgaste, evolución. Homologación

Prestaciones frente a normativa Homologación de piezas de proveedores.

Recepción

Similares a los anteriores pero a petición del usuario. Para grandes motores estos sustituyen a los de control de calidad.

Investigación

Obtención experimental de parámetros (muy diversos). SEGÚN LA FORMA DE EJECUCIÓN DEL ENSAYO: Con combustión

Condiciones estacionarias o estudio de transitorios. Sin combustión

Arrastre del motor mediante un motor eléctrico. Sobre modelos

Simulación de procesos del motor sobre maquetas o sobre sistemas similares a los del motor.


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PARÁMETROS A MEDIR E INSTRUMENTACIÓN NECESARIA

VARIABLE O PARÁMETRO A MEDIR ASOCIADOS INSTRUMENTACIÓN

Par efectivo (Me) Presión media efectiva (pme)

pmeM

Ve

T

4

Banco dinamométrico: - Hidraúlico - Electromagnético - Dinamo-freno

Régimen (n) Velocidad lineal media del pistón (cm)

c S nm 2 Potencia efectiva (Ne)

N n Me e 2

Tacómetro: - Óptico - Magnético - Mecánico

Gasto combustible ( mf ) Consumo específico (gef)

gm

Nef

f

e

.

Rendimiento efectivo (e)

ee

f c

N

m H

.

Medidor volumétrico Balanza de combustible

Gasto aire ( ma ) Rendimiento Volumétrico (v)

v

a

a T

m

Vn

.

2

Dosado (F)

Fm

m

f

a

.

.

Tobera calibrada. Diafragma. Medidor de flujo laminar. Émbolos rotativos.

Gasto de gases del cárter. Gases de EGR

Fugas en segmentos Tasa de residuales

Medidor de Blow-by Medida CO2 adm.-esc.

Ángulo de giro cigüeñal ()

Variación de volumen (V)

- Óptico - Magnético.


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VARIABLE O PARÁMETRO

A MEDIR ASOCIADOS INSTRUMENTACIÓN Presiones instantáneas cilindro (p)

Presión media indicada (pmi)

pmip dV

VT

Potencia Indicada (Ni) N pmi V ni T / 2

Rendimiento Indicado (i)

ii

f c

N

m H .

Rendimiento mecánico (m)

i

em

Transductores: - Piezoeléctrico. - Muelle débil. - Sistema de adquisición de datos de alta frecuencia de muestreo

Presiones medias (p) Aceite. Agua. Escape. Admisión.

Manómetros Columnas - Mercurio - Agua - Transmisor de presión

Temperaturas medias (T) Agua Aceite Escape Admisión Combustible

- Termopares - Semiconductores - Termorresistencias

CO HC NOX

O2 CO2

Porcentaje (%) Partes por millón (ppm) Dosado

Analizadores: - Infrarrojos - Ionización de llama - Quimioluminiscencia - Magnetoneumático

Humos de escape Escala Bosch Escala Hartridge

Opacímetros: - Bosch - Hartridge - AVL


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MÉTODOS DE MEDIDA DEL PAR EFECTIVO Aceleración libre: Consiste en acelerar el motor en vacío y medir el régimen de giro en función del tiempo, así se puede conocer la aceleración angular (): M I - Es necesario conocer el momento de inercia del motor I. - La medida del par se realiza en transitorios. - Este método también sirve para medir el par de pérdidas mecánicas. Transductor de par colocado en la transmisión: En transitorios el momento de inercia del freno no influye en el par medido.

MOTOR Transductor CARGA Ó FRENO

Transmisión Balanceado del freno:

Consiste en hacer que sobre el estator del freno solo generen par la fuerza generada por la célula de carga (transductor de fuerza) y el par de frenado.

ROTOR

ESTATORRodamiento para balancear

el estator

Rodamiento entre rotor y

estator

r

ESTATOR

ROTOR

Célula de carga (señal de f )

r

Par de frenado M

Ry

Rx

F

M = F. r


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FRENOS CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UN FRENO El freno dinamométrico es el sistema que permite absorber la energía mecánica generada por el motor que se ensaya Al igual que el motor tiene un cierto rango de funcionamiento limitado por: Máximo par de frenado: debido a que el par de frenado máximo depende

de alguna manera del régimen de giro y aumenta con el régimen. Límite de la balanza: viene determinado por la máxima fuerza que puede

soportar el elemento de medida del par, es independiente del régimen de giro.

Potencia máxima: depende del máximo calor que sea capaz de disipar el sistema de refrigeración del freno.

Régimen máximo: limitado por los esfuerzos centrífugos que se originan. Par mínimo: si el par es muy bajo la precisión de la medida del par no es

buena, ya que el par generado por la fricción del freno es del mismo orden que el medido. La resolución de la célula de carga también puede ser un impedimento.

Potencia máximaLímite por balanza

Régimen máximo

Régimen

Ne

Régimen

Par

Máximo par Par mínimo Par mínimo

Régimen máximo

Potencia máxima

Límite por balanza

Máximo par

Para que un motor pueda ser ensayado con un determinado freno la región de funcionamiento del motor tiene que estar dentro de la del freno.


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FRENOS Y MEDIDA DEL PAR EFECTIVO (II) TIPOS DE FRENOS: Freno hidraúlico Consiste en un rotor con palas que bate agua dentro del estator. La potencia se disipa por fricción y calentamiento del agua que circula por su interior. Son buenos para grandes potencias. Resultan difíciles de regular, lo que se hace por nivel de agua o por separación entre estator y rotor.

Freno de aceite (oleo-hidraúlico)

El freno consiste en una bomba de engranajes o similar que bombea aceite, posteriormente el aceite se lamina y se refrigera.

La regulación se realiza modificando la presión de salida del aceite en la válvula de laminación.


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FRENOS Y MEDIDA DEL PAR EFECTIVO (III) Dinamo-freno Una dinamo absorbe la potencia generando corriente eléctrica que puede ser reutilizada. La potencia se mide mediante una célula de carga o midiendo la energía eléctrica generada. La regulación se hace variando la tensión en el inducido y la excitación de la dinamo. Tiene una pequeña gama de utilización y un alto precio, pero permite invertir su funcionamiento y arrastrar el motor. Actualmente, gracias al desarrollo de los variadores de frecuencia, estas máquinas están siendo sustituidas por sus equivalentes en corriente alterna.

Freno electromagnético El estator consiste en un bobinado excitado por una pequeña corriente continua. Esta corriente genera un flujo magnético (corrientes de Foucault) que se oponen al movimiento del rotor. La potencia absorbida se convierte en calor que se cede al agua que circula por el estator. La regulación se realiza mediante la variación de la corriente que circula por el estator, por lo que resulta fácil de controlar. El rotor es el único elemento móvil.

Maquina asincrona Consiste en un moto-generador asíncrono gobernado por una especie de variador de frecuencia con posibilidad de absorber la energía que produce en resistencias o volcarla a la red eléctrica


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INSTALACIONES DE ENSAYO (I)

CONTROLES DE PAR RÉGIMEN Y GRADO DE CARGA

MOTOR

FRENO

SISTEMA REFRIGERACIÓN

Regulador (PID)

Actuador mando acelerador Regulador (PID)

Unidad control freno

Regulador (PID)

Consigna Tª agua

MOTOR

Consigna Par

Consigna Régimen

Consigna Alfa

Par

Régimen

Alfa

Par Régimen

Alfa Otra

REGULAR

REGULAR

Consign

Valo

ValoConsign

Tª agua (real)


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INSTALACIONES DE ENSAYO (II) ALARMAS: Las alarmas de una sala de ensayos de motores se pueden clasificar en función de su peligrosidad. Consecuentemente existen diferentes tipos de reacción en función de alarma que se produzca. Parada de emergencia (PE):

El motor se para rápidamente con el máximo par de frenado que pueda dar el freno.

Parada sin frenado (P): El motor se para accionando el sistema de parada pero sin que el freno lo frene.

Parada fría (PF): Se lleva el motor a ralentí o a unas condiciones próximas, se mantiene en esas condiciones durante un tiempo determinado y después se para.

Aviso (A): En el caso de que sea una alarma de poca importancia, a veces esta programado para que si no se resuelve o no se acepta la alarma el motor se pare.

Las alarmas se pueden clasificar también en función del sistema que falle: Variable fuera de rango:

- Presión de aceite. - Presión de agua. - Presión de escape. - Presión de combustible. - Temperatura agua. - Temperatura de aceite. - Temperatura de escape. - Régimen máximo. - Par máximo.

Fallos del sistema: - Fallo en la ventilación. - Refrigeración del freno. - Puertas abiertas. - Tapa de la transmisión abierta. - Fallo en el aire comprimido.

Incendio y paradas de emergencia Niveles de gases - Alto. - Peligroso.


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BIBLIOGRAFÍA Benson, R. S. and Whitehouse, N. D. Internal Combustion Engines. Ed. Pergamon Press, 1983. Apendix I: Experimental Methods (pp. 169-201). Muñoz, M., Payri, F. Motores de Combustión Interna Alternativos. Servicio Publicaciones E.T.S. Ingenieros Industriales, Universidad Politécnica Madrid, 1994. Cap. 19: Curvas Características. Ensayo de Motores (pp. 523-549). Obert, E. F. Motores de Combustión Interna: Análisis y Aplicaciones. Ed. CECSA, 1980.

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Motores termicos