Bloque 1 · Ingeniería Térmica II · Motor de Pistón.
En estas prácticas se trata de que los estudiantes se familiaricen con los componentes de un motor de pistón desmontando y montando el motor E7J de Renault, de gasolina (que motorizó al Renault Megane), y midan los parámetros geométricos que habitualmente caracterizan al motor, para posteriormente realizar cálculos relacionados con los conceptos que se desarrollan en las lecciones en las que se aborda su estudio.
A continuación se muestra el Manual de Reparación del motor E7J y similares (se puede descargar aquí).
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Motor Otto de cuatro tiempos sobrealimentado.
RENDIMIENTO DEL CICLO DE OTTO CON GASES PERFECTOS.
Para el ciclo de Otto realizado con gas perfecto, resulta:
\eta _{Otto GP}=1-\frac{1}{r^{k-1}}
La representación del rendimiento de Otto realizado con gas perfecto, \eta _{Otto GP}, en función de la relación de compresión, r, para diferentes valores de k da:
De la figura se desprende que el rendimiento del ciclo de Otto realizado con un gas perfecto, \eta _{Otto GP}, es tanto mejor cuanto mayor sea la relación de compresión, r, y cuanto mayor sea la relación de los calores específicos, k=\frac{c_p}{c_v}, del gas con el que se realice el ciclo.
El aumento de la relación de compresión lleva consigo un aumento de la presión que, en una compresión adiabática, da lugar a un aumento en la temperatura. Este aumento de la temperatura es indeseable por cuanto si se sobrepasa la temperatura de encendido del combustible antes de que el pistón alcance el PMS, tiene lugar la combustión prácticamente instantánea de todo el combustible, originando un aumento de presión en el interior del cilindro que dificulta (llegando, incluso, a impedir) la llegada del pistón al PMS.
Valores habituales de la relación de compresión en motores Otto, r, sitúan este parámetro en torno a 10 (en Automoción) con los combustibles actuales.
Es interesante señalar que la relación de compresión, r, se define como el cociente de los volúmenes máximo y mínimo en el interior del cilindro, es decir
r=\frac{V_{\max }}{V_{\min }}
por lo que dado su carácter geométrico, salvo que se actúe mecánicamente sobre el motor, ningún aditivo añadido en el combustible puede variar su valor.
La gráfica se ha obtenido con Mathematica 9 empleando el comando Plot:
Plot[Evaluate[Table[1 – 1/r^(k – 1), {k, 1.2, 1.7, 0.1}]], {r, 1, 20}, PlotLegends -> {“k = 1.2”, “k = 1.3”, “k = 1.4”, “k = 1.5”, “k = 1.6”, “k = 1.7”}, AxesOrigin -> {0, 0}]
RENDIMIENTO DEL CICLO DE DIÉSEL CON AIRE COMO GAS PERFECTO.
Para el ciclo de Diésel realizado con gas perfecto, resulta:
\eta _{Diesel GP}=1-\frac{1}{r^{k-1}}\left[\frac{r_c^{k-1}-1}{k \left(r_c-1\right)}\right]
La representación del rendimiento de Diésel realizado con aire como gas perfecto, \eta _{Diesel GP}, en función de la relación de compresión, r, para k = 1,4 y para diferentes valores de r_c da: da:
De la figura se desprende que el rendimiento del ciclo de Diésel realizado con aire como gas perfecto, \eta _{Diesel GP}, es tanto mejor cuanto mayor sea la relación de compresión, r, y cuanto menor sea la relación de combustión, r_c.
El aumento de la relación de compresión conlleva, al igual que en el ciclo de Otto, presiones más elevadas en el interior del cilindro, dando lugar a que en el dimensionado del motor se obtengan, en general, piezas más robustas para que sean capaces de soportar dichas presiones. En el ciclo de Diésel esto es justamente lo que se persigue: una alta presión que en la compresión adiabática implica una alta temperatura en el interior del cilindro, superior a la temperatura de encendido del combustible. Así, inyectando el combustible cuando el pistón está en el PMS se le hace entrar en la cámara de combustión, donde la temperatura es superior a su temperatura de encendido, y se enciende. De aquí parte el hecho de que los motores Diésel sean, en general, más pesados que los motores Otto.
Parece conveniente, entonces, que la relación de compresión, r, sea lo más grande posible. Sin embargo, una relación de compresión excesivamente grande, deseable bajo el punto de vista del rendimiento, da lugar, además de a un motor excesivamente pesado (y caro, como se ha visto), a una dificultad añadida en su refrigeración (ya que el calor se transfiere peor cuanto mayor sea el espesor de la pared que atraviese) y a la necesidad de una bomba de inyección capaz de suministrar presiones de combustible excesivamente altas, lo que conllevaría emparejadas unas pérdidas mecánicas relevantes.
Valores habituales de la relación de compresión en motores Diesel, r, sitúan este parámetro en torno a 20 (en Automoción) con los combustibles actuales.
Al igual que para el ciclo de Otto, es interesante señalar nuevamente que, también para motores Diésel, la relación de compresión, r, se define como el cociente de los volúmenes máximo y mínimo en el interior del cilindro, es decir
r=\frac{V_{\max }}{V_{\min }}
por lo que dado su carácter geométrico, salvo que se actúe mecánicamente sobre el motor, ningún aditivo añadido en el combustible puede variar su valor.
Por otro lado, y en cuanto a la relación de combustión, r_c, es interesante que sea lo más baja posible, es decir, que la combustión se realice de la forma más rápida. Una operación eficiente en un motor Diésel en Automoción supone la utilización de marchas largas en velocidades cortas, ya que en este caso la relación de combustión es más pequeña.
La gráfica se ha obtenido con Mathematica 9 empleando el comando Plot:
Plot[Evaluate[Table[1 – (1/r^0.4)*(rc^1.4 – 1)/(1.4*(rc – 1)), {rc, 1.5, 4, 0.5}]], {r, 1, 30}, PlotLegends -> {“rc = 1.5”, “rc = 2.0”, “rc = 2.5”, “rc = 3.0”, “rc = 3.5”, “rc = 4.0”}, PlotLabel -> “k \[Equal] 1.4”, AxesOrigin -> {0, 0}]