MCI

1
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
Motores de Combustión Interna
TERMODINAMICA.
PROF. CARLOS G. VILLAMAR LINARES Abril 2003.
2
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
Ciclo de Aire Normal
Se considera un ciclo de gas ya que la sustancia
de trabajo siempre estará en estado gaseoso,
siempre ocurre un proceso de combustión. Es un
ciclo de aire cerrado se desarrolla en máquinas
alternativas.
TERMODINAMICA.
REAL
3
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
Ciclo de Aire Normal
SIMPLIFICACIONES
- La sustancia de trabajo es aire y se comporta
como un gas ideal.

• Todo proceso de combustión se reemplaza por de
  transferencia de calor desde una fuente externa.

TERMODINAMICA.
- El escape o expulsión de calor se reemplaza por
transferencia de calor hacia el medio circundante
hasta llegar al estado inicial del ciclo.
- Se considera los calores específicos constantes
- Todos los procesos son reversibles.
Absorción de calor
4
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
CICLOS DE CARNOT DE AIRE
El ciclo de Carnot esta compuesto por los
siguientes ciclos reversibles.
QH
1
1 2 Expansión isotermica con absorción de calor.
2
2 3 Expansión adiabática
3 4 Compresión isotérmica con rechazo de calor.
TERMODINAMICA.
3
QH
1
2
3
5
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
CICLOS DE CARNOT DE AIRE
El ciclo de Carnot esta compuesto por los
siguientes ciclos reversibles.
QH
1
1 2 Expansión isotermica con absorción de calor.
2
2 3 Expansión adiabática
3 4 Compresión isotérmica con rechazo de calor.
TERMODINAMICA.
3
4
QL
4 1 Compresión adiabática
QH
1
2
3
4
QL
6
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
CICLOS DE CARNOT DE AIRE
El ciclo de Carnot esta compuesto por los
siguientes ciclos reversibles.
QH
1
1 2 Expansión isotermica con absorción de calor.
2
2 3 Expansión adiabática
3 4 Compresión isotérmica con rechazo de calor.
TERMODINAMICA.
3
4
QL
4 1 Compresión adiabática
Por ser una máquina térmica la eficiencia viene
dada por
QH
1
2
3
4
QL
7
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
CICLOS DE CARNOT DE AIRE
Pero para cualquier máquina de térmica reversible
se cumple que
QH
1
2
Por tanto
TERMODINAMICA.
3
4
QL
Por ser una máquina térmica la eficiencia viene
dada por
QH
1
2
3
4
QL
8
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
CICLOS DE CARNOT DE AIRE
La eficiencia de Carnot es la mayor eficiencia
que se puede obtener en cualquier máquina térmica
que trabaje entre las mismas TH y TL
QH
1
2
Definimos Relación de Compresión rc rv Es la
relación de los volúmenes en el proceso de
compresión.
TERMODINAMICA.
3
4
QL
QH
1
2
A pesar de que
3
4
QL
9
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
CICLOS DE CARNOT DE AIRE
Relación de presión isentrópica. Es la relación
entre la presión a la entrada y a la salida en el
proceso de compresión
QH
1
2
TERMODINAMICA.
3
4
Para un proceso adiabático reversible el cual es
isentrópico se cumple que
QL
QH
1
2
Para gases ideales se cumple
3
4
QL
10
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
CICLOS DE CARNOT DE AIRE
Proceso 1 - 4
QH
1
2
La eficiencia de Carnot aumenta si rp aumenta
TERMODINAMICA.
3
4
QL
QH
1
2
La eficiencia de Carnot aumenta si rc aumenta
3
4
QL
11
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
MOTORES DE COMBUSTION INTERNA MOTORES
RECIPROCANTES
Estos motores trabajan utilizando el mecanismo
cilindro pistón.
Parámetros importantes - Área del pistón Ap
depende del diámetro del pistón Dp
TERMODINAMICA.
12
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
MOTORES DE COMBUSTION INTERNA MOTORES
RECIPROCANTES
Estos motores trabajan utilizando el mecanismo
cilindro pistón.
Parámetros importantes - Área del pistón Ap
depende del diámetro del pistón Dp
PMS
TERMODINAMICA.
- Punto muerto superior (PMS) es la altura
máxima a la que sube el pistón, el volumen
encerrado es mínimo, llamado volumen muerto o
volumen mínimo
PMI
- Punto muerto inferior (PMI) es la altura
mínima a a la que baja el pistón, el volumen
encerrado es máximo, llamado volumen máximo.
- Carrera L es la distancia máxima recorrida por
el pistón, representa el recorrido entre el PMS y
el PMI
13
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
MOTORES DE COMBUSTION INTERNA MOTORES
RECIPROCANTES
Estos motores trabajan utilizando el mecanismo
cilindro pistón.
Parámetros importantes - Área del pistón Ap
depende del diámetro del pistón Dp
PMS
TERMODINAMICA.
- Punto muerto superior (PMS) es la altura
máxima a la que sube el pistón, el volumen
encerrado es mínimo, llamado volumen muerto o
volumen mínimo
L
PMI
- Punto muerto inferior (PMI) es la altura
mínima a a la que baja el pistón, el volumen
encerrado es máximo, llamado volumen máximo.
- Carrera L es la distancia máxima recorrida por
el pistón, representa el recorrido entre el PMS y
el PMI

• Entre el PMS y el PMI el pistón se desplazara un
  volumen Vd
• Vd Volumen desplazado.
• Para un cilindro Vd Ap L Cilindrada
• Si un motor tiene n cilindros. Cilindrada del
  motor n Ap L

14
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
PRESION MEDIA EFECTIVA. Pme En un diagrama P V
de un ciclo el área encerrada repreenta el
trabajo del ciclo.
- La presión media efectiva Pme es una presión
constante promedio que producirá la misma
cantidad de trabajo que el ciclo real operando
entre el mismo vmax y Vmin
TERMODINAMICA.
- A mayor Pme para un mismo motor operando a una
misma velocidad implica mayor producción de
trabajo y mayor eficiencia.
Pme
Por unidad de masa

• La Pme no debe disminuir mucho ya que debe ser
  suficiente para vencer el roce y producir
  trabajo.
• Para un ciclo de Carnot si aumenta QL
• Pme disminuye

15
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
Relación de Compresión rc Es la relación entre
el volumen máximo y el volumen mínimo
TERMODINAMICA.

• Ciclos estudiados
• Ciclo de motores de encendido por chispa.
• Simplificación Ciclo Otto.
• Ciclos de motores de encendido por compresión.
• Simplificación Ciclo Diesel.
• Combinación de los dos ciclos.
• Ciclo Dual o Semidiesel

16
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
MOTORES DE ENCENDIDO POR CHISPA
Admisión(a-1) Válvula de admisión abierta ingresa
la mezcla aire combustible, el pistón se mueve
hasta llegar al PMI en donde tenemos el Vmax, el
proceso es a PCte
Compresión(1-2) Con las válvulas cerradas el
pistón sube hasta el PMS, comprimiendo la mezcla
hasta el volumen muerto
TERMODINAMICA.
Combustión(2-3) Aproximadamente un poco antes
del PMS, salta la chispa de la bujía y la mezcla
se enciende en un proceso a VCte.
Expansión(3-4) El pistón se mueve hasta el PMI,
la mezcla se expende hasta el volumen máximo
Expulsión(4-1) La válvula de escape se abre y se
expulsan los gases en un proceso a V Cte
aproximadamente.
Barrido(1-a) Con la válvula de escape abierta el
pistón asciende hasta el PMS, expulsando el resto
de los productos de combustión, en un proceso a
PCte
17
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
Representación de los procesos en un diagrama P -
v
Los procesos a-1 y 1-a se pueden eliminar ya que
producen aproximadamente el mismo trabajo. Por
tanto se estudia un ciclo termodinámico
Cerrado Este es un motor de 4 tiempos. Un ciclo
es igual a dos vueltas del cigüeñal
TERMODINAMICA.
El ciclo teórico que mas se aproxima a un motor
de encendido por chispa es el ciclo Otto.
18
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
CICLO OTTO
El ciclo Otto esta formado por los siguientes
procesos.
1 2 Compresión Adiabática
3 4 Expansión adiabática
4 - 1 Rechazo de Calor a V Cte.
2 3 Absorción de Calor a V Cte
4 1
Absorción de Calor a V Cte.
Compresión adiabática
Expansión adiabática
Rechazo de Calor a V Cte
TERMODINAMICA.
3
3
2Q3
S Cte
2Q3
4
2
4
2
4Q1
4Q1
1
V Cte
1
19
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
Calor Absorbido 2Q3
Calor Cedido 4Q1
Aplicando 1 Ley para Sistemas Cerrados
Proceso 2 - 3
TERMODINAMICA.
Proceso 4 1
20
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
Calor Absorbido 2Q3
Calor Cedido 4Q1
Aplicando 1 Ley para Sistemas Cerrados
Proceso 2 - 3
TERMODINAMICA.
Proceso 4 1
Dividiendo y multiplicando por T1 el numerador y
por T2 el denominador
21
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
Analizando los procesos isentrópicos.
Proceso 1 2
Proceso 3 - 4
TERMODINAMICA.
Dividiendo y multiplicando por T1 el numerador y
por T2 el denominador
22
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
De los procesos 3 4 y 1 - 2
TERMODINAMICA.
Dividiendo y multiplicando por T1 el numerador y
por T2 el denominador
23
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
De los procesos 3 4 y 1 - 2

• La eficiencia del ciclo Otto aumenta si
• Aumenta la relación de Compresión.
• Si k aumenta

TERMODINAMICA.
- La eficiencia aumenta notablemente hasta rclt8,
pero luego el grado de aumento de la eficiencia
se nivela. A elevadas rc la temperatura aumenta y
puede llegar a la temperatura de autoencendido.
(golpeteo) ? 25 a 30
24
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
CICLO DIESEL CON AIRE ESTANDAR
Este ciclo es una simplificación de los motores
que tienen encendido por compresión.
- Se eleva la presión hasta que la temperatura
aumente por encima de la temperatura de
autoignición.
- Se comprime solamente aire, el combustible se
inyecta a presión cuando el pistón esta cerca del
PMS, el resto del ciclo es similar al ciclo Otto.
TERMODINAMICA.
- En los motores primitivos de este tipo operaban
a bajas velocidades, el proceso de combustión en
el ciclo se realiza con un proceso que tiende a
Presión constante
25
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
Procesos
1 2 Compresión adiabática.
2 3 Suministro de Calor a P Cte.
3 4 Expansión adiabática.
4 1 Expulsión de Calor a V Cte.
TERMODINAMICA.
T
P
v
s
26
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
Procesos
1 2 Compresión adiabática.
2 3 Suministro de Calor a P Cte.
3 4 Expansión adiabática.
4 1 Expulsión de Calor a V Cte.
P Cte
TERMODINAMICA.
T
P
3
2Q3
2Q3
2
3
S Cte
4
2
4
V Cte
4Q1
4Q1
1
1
v
s
27
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
Procesos
1 2 Compresión adiabática.
2 3 Suministro de Calor a P Cte.
3 4 Expansión adiabática.
4 1 Expulsión de Calor a V Cte.
P Cte
TERMODINAMICA.
T
P
3
2Q3
2Q3
2
3
S Cte
4
2
4
V Cte
4Q1
4Q1
1
1
v
s
28
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
La eficiencia del ciclo Diesel viene dada por
Proceso 1 - 4
Proceso 2 - 3
P Cte
TERMODINAMICA.
T
3
2Q3
4
2
La eficiencia viene dada por
V Cte
4Q1
1
s
29
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
Proceso 1 - 2
Proceso 3 - 4
P Cte
TERMODINAMICA.
T
3
2Q3
4
2
La eficiencia viene dada por
V Cte
4Q1
1
s
30
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
Proceso 1 - 2
Proceso 3 - 4
P Cte
TERMODINAMICA.
T
3
2Q3
4
2
Proceso 2 3 a P Cte. A partir de la Ec. De
gases ideales
V Cte
4Q1
1
Donde rcp Relación de suministro de calor a P
Cte Relación de Corte o interrupción.
s
31
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
A partir de la ecuación de la eficiencia.
Manipulando matemáticamente las anteriores
ecuaciones e introduciendo la relación de corte y
de compresión obtenemos
La diferencia en eficiencia entre el ciclo Diesel
y el Otto esta representa por la cantidad entre
corchetes. El caso límite es cuando rcp 1
TERMODINAMICA.
La eficiencia aumenta si rc Aumenta y/o rcp
Aumenta
Para igual rc ?otto gt ?Diesel
32
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
VENTAJAS DEL CICLO DIESEL SOBRE EL CICLO OTTO

• Pueden trabajar con mayores rv sin que ocurra
  detonación (14 a 18) ya que solo se comprime
  aire, el combustible se inyecta al final del
  proceso de compresión.

- Los motores Diesel queman el combustible de
manera mas completa ya que operan a menores RPM,
por tanto producen menos contaminación.
- Utilizan combustible Diesel que es mas económico
TERMODINAMICA.
- ?Diesel 35 a 40 La mayor eficiencia y menor
costo lo hacen la opción mas indicada para operar
dispositivos que requieren cantidades de potencia
relativamente grandes
- Pueden trabaja durante largos períodos de
tiempo.
- Son de gran tamaño y peso ya que deben soportar
mayores presiones (rv Altas)
33
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
CICLO DUAL O MIXTO

• - Representa mejor los motores actuales de
  encendido por compresión.
• El proceso de suministro de calor se realiza una
  parte a volumen constante similar al ciclo Otto y
  otra parte a presión constante similar al ciclo
  Diesel, el resto del ciclo es similar a los
  ciclos Otto y Diesel.
• Este ciclo también se conoce como ciclo
  Semi-Diesel.
• Trabaja a menores rv que el ciclo Diesel.
• Se debe precalentar el combustible para que pase
  al punto de autoignición de la mezcla.
• - Modela mejor la parte superior del diagrama P
  V real.

TERMODINAMICA.
34
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
P Cte
3Q4
3Q4
4
2Q3
3
4
3
V Cte
2Q3
S Cte
5
5
2
2
1Q5
1
1Q5
1
TERMODINAMICA.
Procesos
1 2 Compresión adaiabática reversible.
2 3 Absorción de Calor a V Cte
3 4 Absorción de Calor a P Cte
4 5 Expansión adiabatica reversible
5 6 Rechazo de Calor a P Cte
35
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
P Cte
3Q4
3Q4
4
2Q3
3
4
3
V Cte
2Q3
S Cte
5
5
2
2
1Q5
1
1Q5
1
TERMODINAMICA.
Procesos
1 2 Compresión adaiabática reversible.
2 3 Absorción de Calor a V Cte
3 4 Absorción de Calor a P Cte
4 5 Expansión adiabatica reversible
5 6 Rechazo de Calor a P Cte
36
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
La eficiencia del ciclo viene dada por
Definimos
TERMODINAMICA.
s
Relación de Compresión (rv)
Relación de Presiones (rp)
Relación de interrupción o corte (rcp)
Relación de calores específicos (k)
37
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
Proceso 2 3
Proceso 5 - 1
Se cambia el orden de las temperatura para que de
positivo
TERMODINAMICA.
s
Proceso 3 - 4
Se introduce Cp0 ya que hay involucrado trabajo
de frontera
38
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
Introduciendo la ecuación de gases
ideales. Analizando los proceso isentrópicos con
la ecuación Tvk-1 Cte y realizando ciertas
manipulaciones matemáticas obtenemos
TERMODINAMICA.
La eficiencia aumenta si rv Aumenta y/o
rpv Aumenta y/o rcp
Disminuye
Para la misma rv y entrada de calor ?otto gt
?dual gt ?Diesel Es posible que la eficiencia del
ciclo Diesel sea mayor si se aumenta rv
Los ciclos Otto, Diesel y Dual están compuestos
por procesos internamente reversibles pero
totalmente reversibles por lo tanto la eficiencia
de Carnot será siempre mayor.
39
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
DIVERGENCIAS MAS IMPORTANTES ENTRE EL CICLO
ABIERTO IDEAL DE LOS MCI Y EL CICLO DE AIRE NORMAL
1.- El calor específico de los gases reales
aumenta a medida que aumenta la temperatura.
2.- El proceso de combustión reemplaza el proceso
de transmisión de calor a alta temperatura.
TERMODINAMICA.
3.- La combustión puede ser incompleta.
4.- Cada ciclo mecánico involucra procesos de
entrada y salida que hacen que el descenso de la
presión a través de las válvulas se traduzca en
un aumento de trabajo para llenar el cilindro con
aire y para expulsar los productos de combustión.
5.- El calor transmitido entre los gases en el
cilindro y sus paredes es considerable.
6.- Hay irreversibilidades asociadas con los
gradientes de presión y temperatura, así como en
los proceso de compresión y expansión
40
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE
INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
FIN Preguntas?
TERMODINAMICA.