Mantenimiento de motores térmicos de dos y cuatro tiempos. TMVG0409

1. Introducción

El aprovechamiento de la energía en forma de calor para producir trabajo es algo que, a lo largo de la historia, el hombre ha ido consiguiendo poco a poco, perfeccionando la tecnología y el rendimiento de las máquinas térmicas e incorporando nuevos materiales más resistentes que soportan solicitaciones y esfuerzos mayores.

Con el fin de conseguir un aprendizaje efectivo, se presentan en la primera parte de este capítulo los conocimientos fundamentales sobre la termodinámica, sin profundizar en demostraciones innecesarias, siendo más interesante su contenido.

El capítulo está dividido en cinco bloques y una parte final donde se llevan a la práctica los conocimientos adquiridos en el presente capítulo. El primer bloque está dedicado a la introducción a la termodinámica básica, mostrándonos el primer y segundo principio de la termodinámica. Por otra parte, nos conduce a conocer el ciclo de Carnot y los ciclos teóricos y reales de las máquinas de encendido provocado y de encendido por combustión. En el segundo bloque se estudian las características principales de los motores de dos y cuatro tiempos de explosión y del motor Wankel, su funcionamiento teórico y práctico, rendimientos y ciclos o tiempos. El tercer bloque, al igual que el bloque anterior, realiza el estudio sobre los motores de encendido por compresión. El último bloque desarrolla la obtención de las curvas características de los motores y consumos de los mismos mediante ensayos en los bancos de prueba.

2. Termodinámica: ciclos teóricos y reales

Del motor térmico se obtiene energía mecánica a partir de la energía térmica almacenada en un fluido mediante un proceso llamado de combustión. Si el proceso térmico se produce en el fluido, el motor será de combustión interna (MCI). Si el trabajo transmitido por el pistón es con un movimiento lineal, el motor será alternativo (MCIA).

En los MCIA, el fluido evoluciona de la siguiente forma:

1.  Entrada en el cilindro.   

2.  Compresión del mismo.

3.  Combustión y expansión.

4.  Expulsión de los gases quemados al exterior.

El proceso de renovación de carga se lleva a cabo en la admisión y en el escape, mientras que el proceso termodinámico donde se obtiene trabajo se desarrolla en la combustión y expansión.

1.  Los MCIA se utilizan en los siguientes campos:

1.  Automoción.

a.  Vehículos de transporte en carretera.

b.  Maquinaria de obras públicas y agrícolas.

c.  Propulsión ferroviaria.

d.  Propulsión marina.

e.  Propulsión aérea.

2.  Estacionarios.

a.  Generadores de energía eléctrica.

b.  Maquinaria industrial.

Los inconvenientes que presentan los MCIA actualmente son la contaminación y el combustible.

El motor térmico se puede clasificar de la siguiente forma:

Clasificación del motor térmico de combustión externa

Clasificación del motor térmico de combustión interno

Clasificación del motor térmico de combustión interna alternativo

Del motor térmico se obtiene energía mecánica a partir de la energía térmica almacenada en un fluido mediante la combustión.

2.1. Termodinámica, definición

La termodinámica se define como el estudio de la energía, sus formas y transformaciones, así como de sus interacciones con la materia. Es una ciencia básica que se puede aplicar al estudio de numerosos sistemas como son la transferencia de calor, la mecánica de fluidos, las plantas de potencia, las máquinas y el acondicionamiento de aire. Aplicando sus principios, se puede saber si es posible mejorar la eficiencia de los procesos y, con ello, disminuir el consumo de energía.

La termodinámica estudia todo aquel proceso en el que interviene la energía en sus múltiples formas.

Definiciones básicas en termodinámica

Conceptos que se emplean para establecer sus principios fundamentales:

  Sistema termodinámico: región del mundo real que aislamos para estudiarla.

  Entorno: región externa que interacciona con el sistema.

  Universo: sistema más el entorno.

  Frontera: límite entre el sistema y el entorno.

  Sistema cerrado: sistema que solo intercambia energía con el entorno.

  Sistema abierto: sistema que intercambia energía y materia con el entorno.

  Sistema aislado: sistema que no interacciona con el entorno.

  Sistema simple: sistema caracterizado por tres variables.

  Sistema PvT: sistema caracterizado por las variables P, v y T.

  Variable termodinámica: magnitud que caracteriza un sistema.

  Variable extensiva: variable que depende de la masa del sistema.

  Variable intensiva: variable que no depende de la masa del sistema.

  Variable de estado: magnitud que permite definir el estado del sistema.

  Ecuación de estado: expresión matemática que relaciona las variables de estado.

  Proceso termodinámico: cambio de estado que experimenta un sistema.

  Proceso isócoro: proceso durante el cual el volumen no varía.

  Proceso isóbaro: proceso en el cual la presión no varía.

  Proceso isotermo: proceso en el cual la temperatura no varía.

  Ciclo: sucesión de procesos que devuelven al sistema a su estado inicial.

  Proceso cuasiestático: proceso que transcurre infinitamente lento, pasando por estados de equilibrio.

  Proceso reversible: aquel que, al intervenirse, deja al entorno y al sistema sin cambios.

  Proceso irreversible: aquel que, al intervenirse, deja al entorno y al sistema con cambios.

  Equilibrio térmico: situación que alcanzan dos cuerpos en contacto cuando tienen la misma temperatura.

  Temperatura: variable que nos indica cuándo un sistema se encuentra en equilibrio térmico con otro.

  Fase: sistema de composición y propiedades físicas homogéneas. Las más conocidas son la sólida, líquida y gaseosa.

  Condiciones de saturación: valores de presión y de temperatura cuando dos fases están en equilibrio.

  Calor latente: calor intercambiado por un sistema en un cambio de fase.

  Gas ideal: gas que satisface la ecuación de estado:

Donde:

P (Presión)= Pascales (1N/m²)

V (Volumen)= m³

n (Número de moles)

R (Constante universal de los gases)=8,31J/molK

T (Temperatura) = grados Kelvin (ºK)

  Sustancia pura: es aquella cuya composición química es uniforme y homogénea.

Para describir un sistema termodinámico y estudiar su comportamiento, necesitamos conocer un conjunto de magnitudes macroscópicas que se llaman variables termodinámicas.

Algunas pueden ser medidas (volumen, presión, temperatura, densidad, etc.), en cambio otras no se pueden medir (energía interna, entropía) utilizando las leyes termodinámicas para definirlas y relacionarlas con las que se pueden medir.

La energía total de un sistema es la suma de las formas energéticas macroscópicas y microscópicas.

 Donde:   

E = energía total

Ec = energía cinética

Ep = energía potencial

U = energía interna

Un sistema puede cambiar de energía mediante tres tipos de interacciones:

  Interacción térmica. Diferencia de temperatura entre el sistema y el entorno. La cantidad de energía que se transfiere recibe el nombre de calor.

  Interacción mecánica. Se debe a un desplazamiento como consecuencia de la acción de las fuerzas. La energía que se transfiere recibe el nombre de trabajo.

  Interacción másica. El sistema y el entorno intercambian materia.

La energía cinética de un cuerpo es la energía que posee como consecuencia de su movimiento, cambiará su energía cinética si cambia su velocidad. La energía potencial mide la capacidad de trabajo que puede desarrollar un sistema debido a su posición.

2.2. Trabajo de expansión-compresión

El trabajo es la acción de una fuerza a lo largo de una distancia. Depende de cómo se ha llegado de un proceso a otro, es una función de proceso.

Trabajo de expansión

Trabajo de expansión

El ciclo que realizan los pistones del motor de un automóvil sigue el sentido horario, por lo que el automóvil entrega trabajo al entorno y por ello se mueve.

Ciclo de trabajo neto

2.3. Mecanismos de transferencia de calor

En general, existen tres mecanismos de transferencia de calor:

1.  Conducción. Se produce siempre que haya una diferencia de temperatura dentro de un cuerpo o entre cuerpos que estén en contacto directo. La conductividad térmica nos permite cuantificar la capacidad de conducir calor de un material.

2.  Convección. Este mecanismo tiene lugar cuando un líquido o un gas se desplaza sobre una superficie sólida. El enfriamiento o calentamiento se lleva a cabo por corrientes de algún fluido.

3.  Radiación. La energía que se transmite mediante radiación opera mediante ondas electromagnéticas, no necesita la presencia de materia, es decir, se puede transmitir en el vacío.

Si ponemos un cubito de hielo en un vaso de agua, existen dos fases: el hielo por un lado y el agua por otro. Los dos están compuestos de la misma sustancia H O pero sus propiedades físicas son diferentes.

Los metales son los mejores conductores de calor; la madera y el plástico, los peores.

2.4. Primer principio de la termodinámica

¿Hay alguna relación entre las magnitudes W (trabajo), Q (calor), U (energía interna) y E (energía)? ¿En qué se transforma la energía que gana un sistema?

Primer principio de termodinámica, criterio de signos

La energía ni se crea ni se destruye, se transforma. La aplicación de este principio de conservación de la energía en los cuales se transfiere energía en forma de trabajo o de calor entre el sistema y su entorno se conoce como el Primer Principio de la Termodinámica.

La energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma.

Si un sistema gana calor (Q es positivo), se produce un incremento en la energía interna del sistema (ΔU es positivo).

Si el sistema pierde energía en forma de calor (Q es negativo), se produce una disminución en la energía interna del sistema (DU es negativo). Si el sistema recibe trabajo (W es negativo), el valor de DU es positivo, es decir, aumenta la energía interna del sistema. Si el sistema realiza trabajo, el valor de DU es negativo, es decir, disminuye su energía interna.

¿Qué ocurre si tenemos a la vez ambas interacciones, Q y W?

Con lo que hemos deducido el primer principio de la termodinámica.

2.5. Segundo principio de la termodinámica

El primer principio se puede aplicar a cualquier proceso termodinámico pero no nos dice la dirección en la cual se produce el proceso. El segundo principio de la termodinámica permite comprobar que los procesos inversos no van a producirse.

La propiedad que cambia en un proceso y cuyo cambio nos dice si el proceso es posible o no es la entropía. La entropía determina qué cantidad de energía no puede utilizarse para producir trabajo. El trabajo se puede transformar íntegramente en calor pero es imposible transformar íntegramente el calor en trabajo.

Los dispositivos especiales para transformar el calor en trabajo reciben el nombre de máquinas térmicas. El trabajo es energía de alta calidad, mientras que el calor tiene baja calidad.

El segundo principio nos indica cuáles son las limitaciones de dichas transformaciones.

¿Qué es una máquina térmica?

Es un dispositivo en el que existe un fluido (fluido de trabajo) que, realizando un ciclo, produce trabajo a partir de calor.

Primer principio de termodinámica, criterio de signos

¿Qué características comunes tienen todas las máquinas térmicas?

En toda máquina térmica se producen los siguientes procesos:

a. Una absorción de calor de un foco caliente (Qc ) a una temperatura (Tc ).

b. La transformación de una fracción de calor (Q ) en trabajo (W).

c. La disipación o eliminación de calor (Q ) a un foco frío (atmósfera, mar, lago) con una temperatura TF .

¿Cómo cuantificar el funcionamiento de una máquina térmica?

Donde η es el rendimiento térmico.

El rendimiento de una máquina puede oscilar entre 0 y 1 (entre 0% y 100%).

¿Será posible construir una máquina cuyo rendimiento sea del 100%?

Ningún dispositivo que funcione de manera cíclica puede hacerlo de forma que el único resultado sea convertir completamente el calor que absorbe el sistema en trabajo realizado por él (enunciado Kelvin-Planck).

Es necesario disponer de un foco frío y uno caliente.

2.6. El ciclo de Carnot

El primer principio se puede aplicar a cualquier proceso termodinámico pero no nos dice la dirección en la cual se produce el proceso.

En la figura podemos ver el diagrama P-V para un ciclo de Carnot. El trabajo neto entregado por una máquina térmica que funcione describiendo este ciclo vendrá dado por el área que encierra el ciclo y, al ser un ciclo, el cambio de energía interna del fluido o sustancia de trabajo es cero.

Ciclo de Carnot

Ciclo de Carnot. Cilindro-pistón

El rendimiento del motor será tanto mayor cuanto mayor sea el área encerrada por el ciclo.

El ciclo de Carnot es reversible; por tanto, los procesos que lo constituyen se pueden invertir, y en este caso tendríamos una máquina frigorífica.

2.7. Ciclos teóricos

El estudio de los procesos termodinámicos desarrollados en los motores ha sido de gran importancia para mejorar sus prestaciones. Actualmente sirve para realizar una aproximación al funcionamiento real y al cálculo de los parámetros de funcionamiento óptimo que permiten mejorar los procesos termodinámicos.

El diseño óptimo del motor no solo sirve para mejorar el proceso termodinámico, el rendimiento y el consumo de combustible, también se consigue aumentar la potencia, fiabilidad, revisiones y bajar los costes de fabricación, una buena disponibilidad en el habitáculo y mejor acceso al técnico para su reparación.

Los procesos teóricos sirven para comprender los procesos reales que son mucho más complejos en su análisis.

Se entiende como ciclo termodinámico la evolución sucesiva que experimenta el estado termodinámico de un fluido y que vuelve después de un número determinado de procesos al mismo estado termodinámico del que partió. Los MCIA no funcionan según un ciclo termodinámico debido a las transformaciones y renovaciones del fluido motor, sin embargo se puede hablar de ciclos de trabajo de los motores como consecuencia de los sucesivos procesos reales que se repiten en el tiempo. A estos ciclos se les conoce con el nombre de ciclos reales.

Los ciclos de aire-combustible y los de aire son esquemas que sustituyen a los ciclos de trabajo de los motores, en los que no se consideran los procesos de renovación de carga y sí los procesos básicos que tienen lugar en los motores denominados ciclos teóricos.

Ciclo básico MEP y MEC

El diagrama P-V en el motor se determina mediante unos aparatos llamados indicadores, con los que se pueden obtener los parámetros indicados, como por ejemplo la potencia indicada.

Los ciclos teóricos sustituyen a los ciclos reales. Con ellos se pueden calcular los parámetros básicos como el trabajo y el rendimiento. Para obtener los parámetros reales se aplican, a los cálculos realizados, los llamados coeficientes de calidad de los ciclos teóricos.

Ciclos de aire equivalente a volumen constante

El ciclo de aire equivalente al ciclo real de un MEP se denomina ciclo de aire equivalente de volumen constante y tiene las siguientes fases:

  Secuencia de procesos similares.

  La misma relación de compresión volumétrica.

  La energía aportada por unidad de masa de aire es la misma que en el ciclo real por unidad de masa de fluido que evoluciona.

  La misma presión y temperatura en un punto de referencia de la línea de compresión.

Ciclo aire a V = CTE MEP

Procesos de este ciclo:

  1-2. Compresión adiabática y reversible.

  2-3. Aportación de calor a V= CTE.

  3-4. Expansión adiabática y reversible.

  4-1. Enfriamiento a V= CTE.

La evolución se convierte en un ciclo (cerrado) termodinámico.

Rendimiento del ciclo de aire:

Donde:

El ciclo termodinámico es la evolución sucesiva que experimenta el estado termodinámico de un fluido y que vuelve después de un número determinado de procesos al mismo estado termodinámico del que partió.

Corolario:

1.  El rendimiento aumenta con la relación de compresión.

2.  Los rendimientos internos o indicados del ciclo real se aproximan al ciclo de aire cuando la mezcla es más pobre.

3.  El rendimiento solo depende de la relación de compresión.

Ciclos de aire equivalente de presión limitada

Ciclo aire P = LIM MEC

El ciclo de aire equivalente al ciclo real de un MEC se denomina ciclo de aire equivalente de presión limitada y tiene las siguientes fases:

1.  Secuencia de procesos similares.

2.  La misma relación de compresión volumétrica.

3.  La energía aportada por unidad de masa de aire es la misma que en el ciclo real por unidad de masa de fluido que existe al final de la inyección.

4.  La misma presión y temperatura en un punto de referencia de la línea de compresión.

5.  La misma presión máxima de combustión.

El ciclo de aire equivalente de presión limitada sigue el siguiente proceso:

  1-2. Compresión adiabática y reversible.

  2-3. Aportación de calor a V = CTE (combustión del combustible).

  3-3A. Aportación de calor a presión constante (retraso combustión).

  3A-4. Expansión adiabática y reversible.

  4-1. Enfriamiento a V = CTE

La evolución se convierte en un ciclo (cerrado) termodinámico.

Rendimiento del ciclo de aire:

Donde:

Corolario:

1.  Cuando α crece y β decrece, el rendimiento aumenta, alcanzando el máximo valor para β = 1.

2.  Cuando α decrece y β crece, el rendimiento disminuye, alcanzando el mínimo valor para α = 1.

3.  En los ciclos de aire de presión limitada, el rendimiento crece lentamente con la relación de compresión. Para un mismo calor aportado y la misma presión máxima, estos ciclos tienen mayor rendimiento que los de V = CTE y una mayor relación de compresión.

4.  Al aumentar la cantidad de combustible inyectado en el ciclo de aire (aumento de β)