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Category Archives: 02.01. Motores Volumétricos de Combustión Interna (motores).

Balance energético en un automóvil.

Publicada en 25 octubre, 2019 de Juan-Ramón Muñoz Rico Publicado en: 01. Ingeniería Térmica I:, 01.01. Conceptos Fundamentales., 01.02. Balance en Sistemas Cerrados., 02. Ingeniería Térmica II:, 02.01. Motores Volumétricos de Combustión Interna (motores).

Previamente al Balance de Energía es necesario hacer un análisis dinámico.

En la figura se muestran todas las fuerzas que actúan en un vehículo en movimiento.

FUERZA NECESARIA PARA VENCER LA RESISTENCIA A LA RODADURA.

La fuerza necesaria para vencer la resistencia de rodadura, F_r, es

F_r=\mu\times N

donde \mu es el coeficiente de resistencia a la rodadura, y N es la componente normal al suelo, mg cos \alpha, del peso del vehículo. Así,

F_r=\mu mg cos \alpha

FUERZA EN LA SUBIDA (O BAJADA) DE UNA PENDIENTE

La fuerza en la subida (o bajada) de una pendiente, F_p, es

F_p= \pm mg sen\alpha

En esta ecuación se emplea el signo “-” cuando F_p y F_v tengan distinto sentido (cuando el vehículo sube), y “+” cuando tengan el mismo sentido (cuando el vehículo baja).

FUERZA NECESARIA PARA VENCER LA RESISTENCIA AERODINÁMICA

La fuerza necesaria para vencer la resistencia aerodinámica, F_a, es

F_a= \frac{1}{2}C_x\rho AC^2

donde C_x es el coeficiente de resistencia aerodinámica, \rho es la densidad del aire, A es la superficie frontal del vehículo y C es la velocidad a la que se mueve el vehículo en relación con la velocidad del aire en cuyo seno se mueve.

El aire atmosférico cumple bastante bien la ecuación de estado de gas ideal, por lo que se puede escribir

pv=RT

Y como v=1/\rho, queda \frac{p}{\rho}=RT, de donde resulta

\rho = \frac{p}{RT},

quedando, para la fuerza necesaria para vencer la resistencia aerodinámica,

F_a= \frac{1}{2} C_x \frac{p}{RT} A C^2

FUERZA EJERCIDA POR EL VEHÍCULO

En la figura, es F_v.

ECUACIÓN DE NEWTON

\Sigma \overrightarrow{F}= m \frac{d \overrightarrow{C}}{dt}

Aunque es mandatorio el empleo de vectores, como todas las fuerzas se encuentran en la misma dirección, se puede trabajar escalarmente considerando simplemente sus signos, resultando,

F_v - \left(\pm mg sen\alpha + \mu mg cos \alpha + \frac{1}{2} C_x \frac{p}{RT} A C^2 \right) = m \frac{dC}{dt}

Multiplicando la ecuación anterior por la velocidad, C ,

F_v C - \left(\pm mgC sen\alpha + \mu mgC cos \alpha + \frac{1}{2} C_x \frac{p}{RT} A C^3 \right) = m C \frac{dC}{dt}

En esta ecuación, F_v C es la potencia desarrollada por el vehículo, \pm mgC sen\alpha es la potencia requerida para subir la pendiente (o aportada en la bajada, lo que es importante en los vehículos eléctricos, que pueden emplear la energía generada para cargar baterías), \mu mgC cos \alpha es la potencia requerida para vencer la resistencia a la rodadura, \frac{1}{2} C_x \frac{p}{RT} A C^3 es la potencia requerida para vencer la resistencia aerodinámica (nótese que aumenta con el cubo de la velocidad) y m C \frac{dC}{dt} es la potencia requerida en la aceleración u obtenida en la frenada que, en el caso de los vehículos eléctricos, se puede emplear en la carga de las baterías.

Historia del motor Diesel.

Publicada en 14 enero, 2019 de Juan-Ramón Muñoz Rico Publicado en: 02.01. Motores Volumétricos de Combustión Interna (motores).

Motor con culata de cristal.

Publicada en 27 septiembre, 2018 de Juan-Ramón Muñoz Rico Publicado en: 02.01. Motores Volumétricos de Combustión Interna (motores).

¿Es el diésel un combustible “altamente contaminante”?

Publicada en 4 septiembre, 2018 de Juan-Ramón Muñoz Rico Publicado en: 02.01. Motores Volumétricos de Combustión Interna (motores)., 03.03. Meclas Reactivas. Combustión. 1 Comentario
  1. Pues vamos a verlo, y comparémoslo con la gasolina.

A efectos de cálculo, para simplificar, se puede considerar que el diésel es dodecano, C_{12} H_{26}, y que la gasolina es octano, C_{8} H_{18}.

Si en el motor se consigue la combustión completa y estequiométrica con aire seco (79 \% N_2+21 \% O_2, en base molar o, lo que es lo mismo, 3,76 N_2+O_2), las reacciones ajustadas correspondientes son:

Para el dodecano:

C_{12} H_{26}+18,5\left(3,76 N_2+O_2\right)\rightarrow 12 C O_2+13 H_2 O+69,56 N_2

Para el octano:

C_{8} H_{18}+12,5\left(3,76 N_2+O_2\right)\rightarrow 8 C O_2+9 H_2 O+47 N_2

De aquí, la relación aire-combustible en base molar, \overline{AC}, es

Para el dodecano:

\overline{AC}=\frac{18,5 \times 4,76 kmol_{aire}}{1 kmol_{C_{12} H_{26}}}=88,06 \frac{kmol_{aire}}{kmol_{C_{12} H_{26}}}

Para el octano:

\overline{AC}=\frac{12,5 \times 4,76 kmol_{aire}}{1 kmol_{C_{8} H_{18}}}=59,5 \frac{kmol_{aire}}{kmol_{C_{8} H_{18}}}

La masa molecular ficticia del aire es M_{aire}, es 28,97 \frac{kg_{aire}}{kmol_{aire}}. Por su parte, la masa molecular del dodecano, M_{C_{12} H_{26}}, es 170,0 \frac{kg_{C_{12} H_{26}}}{kmol_{C_{12} H_{26}}} y la del octano, M_{C_{8} H_{18}}, es 114,0 \frac{kg_{C_{8} H_{16}}}{kmol_{C_{8} H_{18}}}, y  por lo que resulta, para la relación aire-combustible en base másica, AC,

Para el dodecano:

AC=88,06\frac{kmol_{aire}}{kmol_{C_{12} H_{26}}}\times \frac{28,97 \frac{kg_{aire}}{kmol_{aire}}}{170,0 \frac{kg_{C_{12} H_{26}}}{kmol_{C_{12} H_{26}}}}=15,01 \frac{kg_{aire}}{kg_{C_{12} H_{26}}}

Para el octano:

AC=59,5\frac{kmol_{aire}}{kmol_{C_{8} H_{18}}}\times \frac{28,97 \frac{kg_{aire}}{kmol_{aire}}}{114,0 \frac{kg_{C_{8} H_{18}}}{kmol_{C_{8} H_{18}}}}=15,12 \frac{kg_{aire}}{kg_{C_{8} H_{18}}}

Veamos ahora qué ocurre en cuanto a la producción de CO_2. Para ello, calculemos la relación CO_2-combustible, \overline{{CO_2}C} para cada combustible.

Para el dodecano:

\overline{{CO_2}C}=12\frac{kmol_{{CO_2}}}{kmol_{C_{12} H_{26}}}

Para el octano:

\overline{{CO_2}C}=8\frac{kmol_{{CO_2}}}{kmol_{C_{8} H_{18}}}

La masa molecular del {CO_2} es 44,0 \frac{kg_{CO_2}}{kmol_{CO_2}} por lo que operando de la misma forma que se hizo para la relación aire-combustible, resulta

Para el dodecano:

{CO_2}C=12\frac{kmol_{CO_2}}{kmol_{C_{12} H_{26}}}\times \frac{44,0\frac{kg_{CO_2}}{kmol_{CO_2}}}{170,0\frac{kg_{C_{12} H_{26}}}{kmol_{C_{12} H_{26}}}}=3,11 \frac{kg_{CO_2}}{kg_{C_{12} H_{26}}}

Para el octano:

{CO_2}C=8\frac{kmol_{CO_2}}{kmol_{C_{8} H_{18}}}\times \frac{44,0\frac{kg_{CO_2}}{kmol_{CO_2}}}{114,0\frac{kg_{C_{8} H_{18}}}{kmol_{C_{8} H_{18}}}}=3,09 \frac{kg_{CO_2}}{kg_{C_{8} H_{18}}}

 

CONCLUSIÓN 1: Contaminación asociada al consumo de aire.


En cuanto al consumo de aire, los resultados son similares, aunque son ligeramente ventajosos para el diésel.

Si se tiene en cuenta que los vehículos diésel consumen menos combustible que los vehículos de gasolina (su rendimiento es superior), se puede decir que, en cuanto al consumo de aire en vehículos es más ventajoso el diésel que la gasolina.

En cuanto al consumo de aire el diésel es menos contaminante que la gasolina.

 

CONCLUSIÓN 2: Contaminación asociada al CO_2 emitido.


En cuanto al CO_2 emitido, los resultados obtenidos son también similares, aunque ahora ligeramente ventajosos para la gasolina.

Nuevamente, si se tiene en cuenta que los vehículos diésel consumen menos combustible que los vehículos de gasolina, se puede decir que, en cuanto a las emisiones de CO_2 en vehículos, es más ventajoso también el diésel que la gasolina.

En cuanto a emisiones de CO_2 el diésel es, también, menos contaminante que la gasolina.


El lector debe tener en cuenta que estos cálculos se han hecho con la hipótesis de que los hidrocarburos son sustancias puras y la combustión es completa y estequiométrica.

Los hidrocarburos que conocemos como diésel o gasolina no son sustancias puras, sino mezclas en las que el hidrocarburo predominante es el dodecano, para el diésel, y el octano, para la gasolina. Esto es debido al proceso de separación o “craqueo” del petróleo. La consideración del combustible con todos sus componentes complica los cálculos y no varía apreciablemente los resultados.

Por otro lado, en motores térmicos la combustión nunca es completa y estequiométrica. Siempre se hace con exceso de aire para poder acelerar, es decir, para poder variar el régimen del motor de acuerdo con sus necesidades, y el hecho de que se realice con gran rapidez da lugar a que sea, además, incompleta. Esto da lugar a que los cálculos realizados tengan un carácter meramente aproximado. En la combustión real, incompleta y con exceso de aire, es imprevisible conocer exactamente a priori la composición cuantitativa de los humos, lo que hace necesario recurrir a su medición, apareciendo, en ambos casos, óxidos de nitrógeno, NO_x=NO+NO_2. Tanto más completa y estequiométrica se la combustión, más alta es la temperatura de los humos, mejor es el rendimiento (según el Segundo Principio de la Termodinámica) y menos combustible se consume, pero mayor es la cantidad de NO_x producidos. Para disminuir la temperatura de la combustión los motores emplean dispositivos como la válvula EGR (acrónimo de Exhaust Gas Recirculation o Recirculación de Gases de Escape) que consiguen bajar la temperatura de la combustión (desviando un pequeño flujo de humos hacia la admisión), disminuyendo el rendimiento y aumentando el consumo, por tanto, pero reduciendo las emisiones de NO_x.

Bien es cierto que en la combustión del diésel aparecen mayores cantidades de lo que se llaman “inquemados”, en forma de partículas, que dan una mayor sensación de suciedad, y verdaderamente ensucian el entorno (siendo, además, cancerígenas si se inhalan en grandes cantidades). Esto es debido, básicamente, a la configuración de la molécula de dodecano, más compleja (larga) que la de octano, lo que dificulta su reacción con las moléculas de oxígeno. Pero también se producen inquemados con la gasolina. La ventaja, no obstante, es que las partículas se ven, caen y acaban depositándose, mientras que los inquemados de la gasolina no se ven y permanecen en el ambiente, normalmente en forma gaseosa, pudiendo ser inhalados sin darnos cuenta.


CONCLUSIÓN FINAL.

La palabra “altamente” en la frase “…el diésel es altamente contaminante…” aporta una apreciación subjetiva que no se corresponde con la realidad, como se ha demostrado, además de ser imprudente en un gobernante.

El diésel no es más contaminante que la gasolina.

Frecuencias propias, sonido de motor, efecto Doppler y… ¿un violín?

Publicada en 10 agosto, 2018 de Juan-Ramón Muñoz Rico Publicado en: 01.01. Conceptos Fundamentales., 02.01. Motores Volumétricos de Combustión Interna (motores).

¿Cómo funciona la sonda lambda o sensor de oxígeno?

Publicada en 3 noviembre, 2017 de Juan-Ramón Muñoz Rico Publicado en: 02.01. Motores Volumétricos de Combustión Interna (motores)., 03.03. Meclas Reactivas. Combustión.

Así:

Y así:

 

¿Cómo funciona el silenciador de un coche?

Publicada en 3 noviembre, 2017 de Juan-Ramón Muñoz Rico Publicado en: 02.01. Motores Volumétricos de Combustión Interna (motores).

Así:

Sistema ACT (Active Cylinder Techonology) de SEAT, Audi y Volkswagen.

Publicada en 7 abril, 2015 de Juan-Ramón Muñoz Rico Publicado en: 02.01. Motores Volumétricos de Combustión Interna (motores).

Aunque la invención no es actual, sí lo es su implementación en vehículos de gama media-baja.

Aquí dejo un vídeo de su funcionamiento, que recuerda al de algunos sistemas de distribución variable.

La ventaja es la evidente reducción de consumo en determinadas circunstancias de funcionamiento, cuando no es necesario que funcionen todos los cilindros.

El inconveniente fundamental es que los pistones de los cilindros desactivados siguen moviéndose, con las consiguientes pérdidas mecánicas asociadas.

Se puede encontrar bastante información en www.larevistadelmotor.es.

Comienza la MotoGP.

Publicada en 22 marzo, 2014 de Juan-Ramón Muñoz Rico Publicado en: 02.01. Motores Volumétricos de Combustión Interna (motores).

La semana pasada la Fórmula 1 y ésta, la Moto GP.

Pues para estar al día, las mejores fuentes: la Web de la Federación Internacional de Motociclismo y la del sitio Oficial de MotoGP, donde se puede consultar, entre otras cosas, el Calendario de Pruebas y descargarse la App Oficial (en Versión Android ó iOS). Un poco cara esta App, todo sea dicho.

Comienza la Fórmula 1.

Publicada en 14 marzo, 2014 de Juan-Ramón Muñoz Rico Publicado en: 02.01. Motores Volumétricos de Combustión Interna (motores).

Si quieres enterarte bien de las reglas del juego de esta temporada no dejes de visitar la Web de la Federación Internacional del Automóvil (haciendo clic aquí), donde podrás consultar, entre otras cosas, las Normativas que regulan este año la competición.

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