/20 TEMA 4 CICLOS DE TRABAJO DE LOS MCIA
<ul><ul><li>Plantear las hipótesis que permiten establecer el ciclo de trabajo de un MCIA como un ciclo termodinámico </li...
<ul><ul><li>Introducción </li></ul></ul><ul><ul><li>Ciclos reales </li></ul></ul><ul><ul><li>Ciclos teóricos </li></ul></u...
1. Introducción <ul><li>Concepto de ciclo </li></ul><ul><ul><li>Sucesión de evoluciones termodinámicas del fluido tras las...
2. Ciclos reales <ul><li>Características </li></ul><ul><ul><li>Compresión </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Casi adiabática (...
3. Ciclos teóricos <ul><li>Similitudes con el ciclo real </li></ul><ul><ul><li>Sucesión similar de procesos </li></ul></ul...
3. Ciclos teóricos (cont.) <ul><li>Tipos (por proceso de combustión) </li></ul><ul><ul><li>A volumen constante (MEP) </li>...
3. Ciclos teóricos (cont.) <ul><li>Tipos (cont.) </li></ul><ul><ul><li>A presión constante (MEC lento) </li></ul></ul>/20 ...
3. Ciclos teóricos (cont.) <ul><li>Tipos (cont.) </li></ul><ul><ul><li>Con presión limitada (MEC) </li></ul></ul>/20 Asumi...
3. Ciclos teóricos (cont.) /20 TRABAJO RENDIMIENTO MEC V cte p lim p cte MEP 0 4 8 12 16 20 24 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7...
<ul><li>Ejemplo MEP </li></ul>4. Comparación de los ciclos teóricos y reales /20
5. Modelo termodinámico predictivo <ul><li>Modelo termodinámico de una zona </li></ul><ul><ul><li>Permite modelar el ciclo...
<ul><li>Incognitas:   </li></ul><ul><ul><li>Presión instantánea </li></ul></ul><ul><ul><li>Temperatura instantánea </li></...
<ul><li>Para resolver el primer principio se requieren una serie de submodelos:  </li></ul><ul><ul><li>Modelo de propiedad...
<ul><li>Leyes de quemado: </li></ul>5. Modelo termodinámico predictivo (cont.) /20 Duración de la combustión MEC ID 1.85 l...
<ul><li>Leyes de quemado (cont.) </li></ul><ul><ul><li>Ley de Wiebe (para MEP): </li></ul></ul>5. Modelo termodinámico pre...
<ul><li>Leyes de quemado (cont.) </li></ul><ul><ul><li>Ley de Watson (para MEC):  </li></ul></ul>5. Modelo termodinámico p...
<ul><li>Ejemplo </li></ul>5. Modelo termodinámico predictivo (cont.) /20 MEC ID 1.85 l  n: 1800 rpm 50% carga
Resumen <ul><ul><li>Las hipótesis asumidas al comparar un ciclo de trabajo de un MCIA con un ciclo termodinámico sencillo ...
Bibliografía <ul><ul><li>Motores de Combustión Interna Alternativos.  </li></ul></ul><ul><ul><li>M. Muñoz, F. Payri, Servi...
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Ciclos de trabajo en losMCIA

  1. 1. /20 TEMA 4 CICLOS DE TRABAJO DE LOS MCIA
  2. 2. <ul><ul><li>Plantear las hipótesis que permiten establecer el ciclo de trabajo de un MCIA como un ciclo termodinámico </li></ul></ul><ul><ul><li>Describir los ciclos teóricos representativos de los MCIA </li></ul></ul><ul><ul><li>Conocer las diferencias existentes entre los ciclos teóricos y reales </li></ul></ul><ul><ul><li>Plantear un modelo termodinámico que permita obtener una evolución próxima a la real en un MCIA </li></ul></ul>Objetivos /20
  3. 3. <ul><ul><li>Introducción </li></ul></ul><ul><ul><li>Ciclos reales </li></ul></ul><ul><ul><li>Ciclos teóricos </li></ul></ul><ul><ul><li>Comparación de los ciclos teóricos y reales </li></ul></ul><ul><ul><li>Modelo termodinámico predictivo </li></ul></ul>Contenido /20
  4. 4. 1. Introducción <ul><li>Concepto de ciclo </li></ul><ul><ul><li>Sucesión de evoluciones termodinámicas del fluido tras las que vuelve al estado inicial </li></ul></ul><ul><li>Aplicación a MCIA </li></ul><ul><ul><li>No existe un ciclo en sentido estricto: </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Combustión interna </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Renovación del fluido </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Es habitual considerar en MCIA: </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Ciclos reales: secuencia sucesiva de procesos reales </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Ciclos teóricos: </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>Se considera a evolución dentro del cilindro sólo durante el ciclo cerrado </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>Procesos idealizados </li></ul></ul></ul></ul><ul><li>Utilidad en MCIA </li></ul><ul><ul><li>Evaluación de los aspectos energéticos del motor </li></ul></ul><ul><ul><li>Posibilidad de “calcular” variables de funcionamiento </li></ul></ul>/20
  5. 5. 2. Ciclos reales <ul><li>Características </li></ul><ul><ul><li>Compresión </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Casi adiabática (salvo MEC con cámaras de alta vorticidad) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Fricción fluida despreciable: mecánicamente reversible </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Fugas por blow-by (pequeñas) </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Combustión </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Duración finita </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>No adiabática </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Combustión progresiva (MEP) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>MEC: combustión rápida por premezcla + combustión “lenta” por difusión </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Combustión incompleta </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Expansión </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Fricción fluida despreciable: mecánicamente reversible </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Importantes pérdidas de calor </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Fugas por blow-by </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Escape y admisión </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Avance a la apertura del escape y de la admisión </li></ul></ul></ul>/20
  6. 6. 3. Ciclos teóricos <ul><li>Similitudes con el ciclo real </li></ul><ul><ul><li>Sucesión similar de procesos </li></ul></ul><ul><ul><li>Misma relación de compresión </li></ul></ul><ul><ul><li>Misma energía aportada por unidad de masa </li></ul></ul><ul><ul><li>Misma presión y temperatura en un punto de referencia de la línea de compresión </li></ul></ul><ul><li>Diferencias respecto al ciclo real </li></ul><ul><ul><li>Procesos simplificados </li></ul></ul><ul><ul><li>Naturaleza del fluido de trabajo </li></ul></ul><ul><li>Procesos </li></ul><ul><ul><li>Compresión: adiabática y reversible </li></ul></ul><ul><ul><li>Combustión: aportación de calor a V=cte / p=cte / mixta </li></ul></ul><ul><ul><li>Expansión: adiabática y reversible </li></ul></ul><ul><ul><li>Admisión y escape: cesión de calor a V=cte </li></ul></ul>/20
  7. 7. 3. Ciclos teóricos (cont.) <ul><li>Tipos (por proceso de combustión) </li></ul><ul><ul><li>A volumen constante (MEP) </li></ul></ul>/20 Asumiendo comportamiento de gas perfecto: V o l u m e n [ m 3 / k g ] P r e s i ó n [ b a r ] 3 1 2 4 V o l u m e n [ m 3 / k g ] P r e s i ó n [ b a r ] 1 4 V o l u m e n [ m 3 / k g ] P r e s i ó n [ b a r ] 1 4 Q c Q a V 1 V 2
  8. 8. 3. Ciclos teóricos (cont.) <ul><li>Tipos (cont.) </li></ul><ul><ul><li>A presión constante (MEC lento) </li></ul></ul>/20 Asumiendo comportamiento de gas perfecto: (Grado de combustión a p=cte) V o l u m e n [ m 3 / k g ] P r e s i ó n [ b a r ] 3 1 2 4 Q a V o l u m e n [ / k g ] P r e s i ó n [ b a r ] 3 1 4 Q c V 1 V 3 V 2
  9. 9. 3. Ciclos teóricos (cont.) <ul><li>Tipos (cont.) </li></ul><ul><ul><li>Con presión limitada (MEC) </li></ul></ul>/20 Asumiendo comportamiento de gas perfecto: (Grado de combustión a V=cte) (Grado de combustión a p=cte) V o l u m e n [ m 3 / k g ] P r e s i ó n [ b a r ] 3’ 1 2 4 3 Q c Q a = Q av + Q ap V o l u m e n [ k g ] P r e s i ó n [ b a r ] 4 3 Q a = Q av + Q ap Q av Q ap V 1 V 2 V 3
  10. 10. 3. Ciclos teóricos (cont.) /20 TRABAJO RENDIMIENTO MEC V cte p lim p cte MEP 0 4 8 12 16 20 24 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Rendimiento Relación de compresión V cte p lim p cte pcte plim Vcte W W W   Si V c y Q a son iguales
  11. 11. <ul><li>Ejemplo MEP </li></ul>4. Comparación de los ciclos teóricos y reales /20
  12. 12. 5. Modelo termodinámico predictivo <ul><li>Modelo termodinámico de una zona </li></ul><ul><ul><li>Permite modelar el ciclo cerrado de forma precisa </li></ul></ul><ul><ul><li>Hipótesis </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Presión uniforme en cámara </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Temperatura media uniforme en cámara (modelo de una zona) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Se consideran tres especies: aire, combustible y productos quemados estequiométricamente </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Comportamiento de gas perfecto </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Calor específico calculado en función de la temperatura teniendo en cuenta la composición instantánea </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Transmisión de calor a las paredes </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Pérdidas de masa por blow-by </li></ul></ul></ul>/20
  13. 13. <ul><li>Incognitas: </li></ul><ul><ul><li>Presión instantánea </li></ul></ul><ul><ul><li>Temperatura instantánea </li></ul></ul><ul><li>Ecuaciones: </li></ul><ul><ul><li>Conservación de la energía (primer principio de la termodinámica) </li></ul></ul><ul><ul><li>Gas perfecto </li></ul></ul>5. Modelo termodinámico predictivo (cont.) /20 Energía interna sensible Calor transmitido a las paredes Calor liberado Fugas por blow-by Trabajo
  14. 14. <ul><li>Para resolver el primer principio se requieren una serie de submodelos: </li></ul><ul><ul><li>Modelo de propiedades termodinámicas </li></ul></ul><ul><ul><li>Modelo de transmisión de calor instantáneo </li></ul></ul><ul><ul><li>Calor liberado en la combustión (ley de quemado) </li></ul></ul><ul><ul><li>Modelo de deformaciones </li></ul></ul><ul><ul><li>Modelo de pérdidas por blow-by </li></ul></ul>5. Modelo termodinámico predictivo (cont.) /20
  15. 15. <ul><li>Leyes de quemado: </li></ul>5. Modelo termodinámico predictivo (cont.) /20 Duración de la combustión MEC ID 1.85 l n: 1800 rpm 50% carga
  16. 16. <ul><li>Leyes de quemado (cont.) </li></ul><ul><ul><li>Ley de Wiebe (para MEP): </li></ul></ul>5. Modelo termodinámico predictivo (cont.) /20 c 1 : grado de completitud (6.908) c 2 : parámetro de forma (2.2)  0 : inicio de la combustión  c : duración de la combustión DFQL FQL c 1 c 2
  17. 17. <ul><li>Leyes de quemado (cont.) </li></ul><ul><ul><li>Ley de Watson (para MEC): </li></ul></ul>5. Modelo termodinámico predictivo (cont.) /20 c 1 = grado de completitud (6.908) c 2 = parámetro de forma (2.2) c 3 = desplaza el pico (2.2) c 4 = 5000 (recomendado) DFQL FQL c 3
  18. 18. <ul><li>Ejemplo </li></ul>5. Modelo termodinámico predictivo (cont.) /20 MEC ID 1.85 l n: 1800 rpm 50% carga
  19. 19. Resumen <ul><ul><li>Las hipótesis asumidas al comparar un ciclo de trabajo de un MCIA con un ciclo termodinámico sencillo son muy severas </li></ul></ul><ul><ul><li>Los ciclos teóricos no sirven para obtener información cuantitativa sino como aproximación a los cálculos y para el análisis de posibles mejoras termodinámicas </li></ul></ul><ul><ul><li>Los ciclos teóricos más usados son los de volumen constante, presión limitada y presión constante </li></ul></ul><ul><ul><li>Existen desviaciones en los procesos reales (combustión no instantánea, transmisión de calor y avance a la apertura del escape, entre otros) que los separan considerablemente de los ideales </li></ul></ul><ul><ul><li>Los modelos termodinámicos permiten reproducir de forma precisa el ciclo cerrado </li></ul></ul>/20
  20. 20. Bibliografía <ul><ul><li>Motores de Combustión Interna Alternativos. </li></ul></ul><ul><ul><li>M. Muñoz, F. Payri, Servicio de Publicaciones E.T.S.I.I. de Madrid, 1989. </li></ul></ul><ul><ul><li>Internal Combustion Engine Fundamentals. </li></ul></ul><ul><ul><li>J.B. Heywood, McGraw-Hill, 1988. </li></ul></ul><ul><ul><li>The Internal Combustion Engine in Theory and Practice. </li></ul></ul><ul><ul><li>C.F. Taylor, MIT Press. 1985. </li></ul></ul><ul><ul><li>Termodinámica. </li></ul></ul><ul><ul><li>M.M. Abott y M.C. Van Ness, McGraw-Hill, 1975. </li></ul></ul><ul><ul><li>Aportación al diagnóstico de la combustión en motores Diesel de inyección directa. </li></ul></ul><ul><ul><li>J. Martín, Tesis doctoral, UPV, 2007. </li></ul></ul>/20

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