Motores de combustión interna rotativos PDF

Preview

Summary

Descripción de los motores de combustión interna de uso aeronáutico...

Description

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL E s c u e l a S u p e r i or d e I n ge n i e r í a Me c á n i c a y E lé c t r ic a U n i d a d P r o f e s i o na l T ic om á n

" LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ROTATIVOS Y SUS CARACTERÍSTICAS”

LA LABBOR ORAT AT ATOR OR ORIO IO DDEE M MÁÁQU QUIN IN INAS AS TÉ TÉRM RM RMIICAS Pro Profe fe fesor: sor: Ing Ing.. Isa Isaac ac AAnto nto ntonio nio GGarib arib aribay ay SSan an andov dov doval al

En Entre tre trega ga ga:: Ger Geróni óni ónimo mo AAltltltam am amiran iran irano, o, LLuis uis FFer er ernan nan nando do do.. Gru Grupo: po: 5AV 5AV22 Ciud Ciudad ad de M Méxi éxi éxico, co, 2266 de Novi Noviemb emb embre re ddelel 20 2018 18

ÍNDICE Objetivo .......................................................................................................................................................... 4 Introducción .................................................................................................................................................. 4 Marco teórico ................................................................................................................................................ 5 El motor de combustión interna rotativo ........................................................................................... 5 Características principales ..................................................................................................................... 5 Eficiencia................................................................................................................................................. 5 Velocidad nominal................................................................................................................................ 5 Potencia................................................................................................................................................... 5 Par motor................................................................................................................................................ 5 Estabilidad.............................................................................................................................................. 5 Conceptos básicos.................................................................................................................................... 6 Variables Termodinámicas ................................................................................................................. 6 Sistema .................................................................................................................................................... 6 Calor, Energía y Trabajo ...................................................................................................................... 6 Leyes de la termodinámica................................................................................................................. 7 Diagrama P-V ............................................................................................................................................. 7 Diagrama T-s ............................................................................................................................................. 8 Algunos motores de combustión interna rotativos M.C.I.R. .......................................................... 8 Motor Wankel ........................................................................................................................................ 8 El turbofan ............................................................................................................................................. 9 El turbohélice ......................................................................................................................................... 9 El turborreactor.................................................................................................................................. 10 Componentes más comunes en los M.C.I.R. ................................................................................ 11 Factores que afectan el desempeño de un M.C.I.R. ........................................................................... 12 Pérdida de potencia a causa de las resistencias pasivas.............................................................. 12 Relación entre la potencia y las condiciones atmosféricas ......................................................... 12 Fuerza de empuje suministrada ........................................................................................................ 13 Factores que afectan el empuje...................................................................................................... 14 Efecto de la altitud ............................................................................................................................ 15 RPM’s del rotor ................................................................................................................................... 16 Efecto de choque ................................................................................................................................... 16 Parámetros del rendimiento del motor ............................................................................................ 17 Rendimiento ideal ............................................................................................................................. 17 Rendimiento de la compresión ...................................................................................................... 17 Rendimiento de la combustión ...................................................................................................... 18

Rendimiento de la expansión ......................................................................................................... 18 Límites operacionales de un M.C.I.R. .................................................................................................... 19 Operación ................................................................................................................................................ 19 Máximo empuje de despeque MTO ................................................................................................... 20 Máximo empuje continuo MCT .......................................................................................................... 20 Empuje máximo de subida MCL......................................................................................................... 20 Empuje máximo de crucero MCR....................................................................................................... 21 Ralentí ...................................................................................................................................................... 21 Tierra inactiva .................................................................................................................................... 21 Enfoque de inactividad..................................................................................................................... 21 El vuelo inactivo ................................................................................................................................. 21 Comparación entre los M.C.I.R. y los M.C.I.R. ..................................................................................... 22 Ventajas M.C.I.R. ................................................................................................................................ 22 Desventajas M.C.I.R. .......................................................................................................................... 22 Ventajas M.C.I.A. ................................................................................................................................ 22 Desventajas M.C.I.A. .......................................................................................................................... 22 Conclusiones .............................................................................................................................................. 23 Bibliografía.................................................................................................................................................. 24

Ob Objetiv jetiv jetivoo Con el presente trabajo se busca que el alumno comprenda los tres aspectos fundamentales en el estudio y el análisis de los Motores de Combustión Interna Rotativos los cuales son: los Factores que afectan el desempeño de los M.C.I.R., los Límites Operacionales de los M.C.I.R. y las Diferencia entre los M.C.I.A. y los M.C.I.R.. Y con esto, que el alumno refuerce los conocimientos adquiridos durante este y los semestres anteriores acerca de los diferentes tipos de motores de combustión interna. Además, que pueda interpretar cada uno de los procesos llevados a cabo para el funcionamiento de los mismos.

Intr Introdu odu oducció cció cciónn Los motores de combustión interna han sido indispensables desde el momento en que se introdujeron en las máquinas con el fin de mover grandes pesos en menor tiempo, y desde ese moemento su desarrollo ha ido aumentando. Desde los primeros experimentos con fuego hasta los cohetes de polvora se vió que el uso de explosivos generaba gran poder que podía mover casi cualquier cosa. Es por ello que se vió en la combustión un gran elemento que ayudaría a mover elementos que a su vez transformarían el movimiento axial en rotativo mediante un pistón el cual generaría una explosión al estar una mezcla encerrada entre el mismo pistón y una cámara, llamada cámara de combustión. El desarrollo de combustibles como la gasolina generó mejores motores ya que estos generaban mejores eficiencias y mayor potencia. Con estos motores llegaron nuevas distribuciones como el motor rotativo, el cual generaba potencia gracias a que los pistones estaban distribuidos en una distribución radial. A estos motores se añadieron nuevos diseños como el del motor Wankel, del cuál se hablará más adelante. Así, desde su introducción los motores de combustión interna han sido usados generalmente en la aviación ya que son más libianos y su configuración ayuda a instalarlos de mejor manera en el fuselaje. En el siguiente desglose se intentan explicar muchos de los factores que afectan el funcionamiento de estos motores así como las ventajas y desventajas que tienen con respecto a los motores de combustión interna alternativos.

Marco teór teórico ico El motor de combustión interna rotativo El motor rotativo fue uno de los primeros tipos de motores de combustión interna en el cual el cigüeñal permanece fijo y el motor entero gira a su alrededor. El diseño fue muy usado en los años anteriores a la Primera Guerra Mundial y durante esta para propulsar aviones, y también en algunos de los primeros autos y motocicletas. Un motor rotativo es en esencia un motor de ciclo Otto, pero en lugar de tener un bloque de cilindros con un cigüeñal rotatorio como en el motor radial, este permanece fijo y es el bloque de cilindros entero el que gira a su alrededor. En la mayoría de los casos, el cigüeñal está sólidamente fijado a la estructura del avión, y la hélice se encuentra atornillada al frente del cárter. La rotación de la mayor parte de la masa del motor produce un poderoso volante con efecto giroscópico, que suavizan la entrega de potencia y reduce las vibraciones. Las vibraciones eran un serio problema en los motores de pistón convencionales, que obligaban a añadir pesadas hélices. Debido a que los cilindros funcionaban en sí mismos como un volante, los motores rotatorios tienen una relación peso-potencia más ventajosa que los motores convencionales. Otra ventaja es una refrigeración mejorada, dado que el bloque de cilindros al girar producen su propio flujo de aire, incluso cuando el avión se encuentra en tierra detenido.

Características principales Eficiencia: es el cociente entre la potencia útil que generan y la potencia absorbida. Habitualmente se representa con la letra griega η.

Velocidad nominal: es la velocidad angular del cigüeñal, es decir, el número de revoluciones por minuto (rpm o RPM) a las que gira. Se representa por la letra n.

Potencia: es el trabajo que el motor es capaz de realizar en la unidad de tiempo a una determinada velocidad de giro. Se mide normalmente en caballos de vapor (CV), siendo 1 CV igual a 736 vatios.

Par motor: es el momento de rotación que actúa sobre el eje del motor y determina su giro. Se mide en kgf·m (kilogramo-fuerza metro) o lo que es lo mismo newtons-metro (N·m), siendo 1 kgf·m igual a 9,81 N·m. Hay varios tipos de pares, véanse por ejemplo el par de arranque, el par de aceleración y el par nominal.

Estabilidad: es cuando el motor se mantiene a altas velocidades sin gastar demasiado combustible tanto como energía eléctrica en sus correspondiente tiempo que pasa el motor sin ningún defecto pero esto solo se hace en las fábricas donde se desarrolla el motor.

Conceptos básicos Variables Termodinámicas 

La masa: es una magnitud que expresa la cantidad de materia de un cuerpo, medida



El volumen: es una magnitud métrica de tipo escalar definida como la extensión en

por la inercia de este, que determina la aceleración producida por una fuerza que actúa sobre él. La masa de un cuerpo es la misma sin importar su ubicación en el universo; sin embargo, su peso se modifica con un cambio en la aceleración gravitacional. (Cengel, 2011, pág. 7)

tres dimensiones de una región del espacio. 

La densidad: se define como la masa por unidad de volumen. (Cengel, 2011, pág. 13).



La presión: se define como la fuerza normal que ejerce un fluido por unidad de área. Se habla de presión sólo cuando se trata de gas o líquido, mientras que la contraparte de la presión en los sólidos es el esfuerzo normal. (Cengel, 2011, pág. 21)



La temperatura: es una magnitud referida a las nociones comunes de calor medible mediante un termómetro. En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica.

Sistema Un sistema se define como una cantidad de materia o una región en el espacio elegida para análisis. La masa o región fuera del sistema se conoce como alrededores. La superficie real o imaginaria que separa al sistema de sus alrededores se llama frontera (Fig. 1-19). La frontera de un sistema puede ser fija o móvil. (Cengel, 2011, pág. 10) Un sistema cerrado (conocido también como una masa de control) consta de una cantidad fija de masa y ninguna otra puede cruzar su frontera. Es decir, ninguna masa puede entrar o salir de un sistema cerrado. Pero la energía, en forma de calor o trabajo puede cruzar la frontera; y el volumen de un sistema cerrado no tiene que ser fijo. Si, como caso especial, incluso se impide que la energía cruce la frontera, entonces se trata de un sistema aislado. (Cengel, 2011, pág. 10) Un sistema abierto, o un volumen de control, como suele llamarse, es una región elegida apropiadamente en el espacio. Generalmente encierra un dispositivo que tiene que ver con flujo másico, como un compresor, turbina o tobera. El flujo por estos dispositivos se estudia mejor si se selecciona la región dentro del dispositivo como el volumen de control. Tanto la masa como la energía pueden cruzar la frontera de un volumen de control. (Cengel, 2011, pág. 11)

Calor, Energía y Trabajo El Calor: se define como la forma de energía que se transfiere entre dos sistemas (o entre un sistema y el exterior) debido a una diferencia de temperatura. Es decir, una interacción de energía será calor sólo si ocurre debido a una diferencia de temperatura. Entonces se deduce

que no puede haber ninguna transferencia de calor entre dos sistemas que se hallan a la misma temperatura. (Cengel, 2011, pág. 60) La Energía: es la capacidad que tiene la materia de producir trabajo en forma de movimiento, luz, calor, etc. El cambio en el contenido energético de un cuerpo o de cualquier otro sistema es igual a la diferencia entre la entrada y la salida de energía, y el balance de ésta se expresa como: ∆𝐸 = 𝐸𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝐸𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎

Trabajo: se dice que una fuerza realiza trabajo cuando altera el estado de movimiento de un cuerpo. El trabajo de la fuerza sobre ese cuerpo será equivalente a la energía necesaria para desplazarlo.

Leyes de la termodinámica La ley cero de la termodinámica establece que dos cuerpos están en equilibrio térmico si ambos tienen la misma lectura de temperatura aun cuando no están en contacto. La primera ley de la termodinámica establece que la energía no se crea, ni se destruye, sino que se conserva. La segunda ley de la termodinámica dice que en un estado de equilibrio, los valores que toman los parámetros característicos de un sistema termodinámico aislado son tales que maximizan el valor de una cierta magnitud que está en función de dichos parámetros, llamada entropía. La entropía Se puede decir que mide el grado de organización del sistema, o que es la razón de un incremento entre energía interna frente a un incremento de temperatura del sistema. (Cengel, 2011, pág. 127) El calor específico La capacidad calorífica específica, calor específico o capacidad térmica específica es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar su temperatura en una unidad.

Diagrama P-V En el anáisis de los motores de combustión es fundamental la determinacion del trabajo producido durante el ciclo de procesos que se llevan a cabo para hacer funcionar al motor. Es por esto que este análisis se simplifica con la ayuda de diagramas, los cuales dan un mejor entendimiento de los procesos que se están realizando y el valor de las propiedades en cada uno de ellos. De esta manera, si al observar el diagrama de la Figura 1, podemos deducir que el trabajo realizado por el ciclo es el area que encierran las curvas del diagrama. Al hacer uso de estos diagramas es más fácil entender el proceso y darse una idea de los cambios que sufre ciclo mientras se lleva a cabo. Figura 1. Diagrama P-V de un ciclo ideal.

Diagrama T-s Además del diagrama P-V, existe un diagrama llamado T-S o diagrama temperatura-entropía, se utiliza para visualizar cambios de temperatura y entropía especifica durante un ciclo. Es una herramienta útil y común, particularmente porque ayuda a visualizar la trasferencia de calor durante un proceso. Al igual que el diagrama anterior podemos obtener la transferencia de calor a traves del área encerrada por las curvas.

Figura 2. Diagrama T-S de un ciclo ideal.

Algunos motores de combustión interna rotativos M.C.I.R. Motor Wankel El motor Wankel es un tipo de motor de combustión interna, inventado por Félix Wankel, que utiliza rotores en vez de los pistones de los motores alternativos. Es un motor rotativo de 4 tiempos pero en zonas distintas del estátor o bloque, con el pistón moviéndose sin detenciones de un tiempo a otro. Más concretamente, la envolvente es una cavidad con forma de 8, dentro de la cual se encuentra un rotor triangular o triángulo-lobular que realiza un giro de centro variable (rotor excéntrico). Este pistón transmite su movimiento rotatorio a un eje cigüeñal que se encuentra en su interior, y que gira ya con un centro único. Al igual que un motor de pistones, el rotativo utiliza la presión producida por la combustión de la mezcla aire-combustible. La diferencia radica en que esta presión está contenida en la cámara formada por una parte de la envolvente o estátor y cerrada por uno de los lados del rotor triangular, que en este tipo de motor reemplaza a los pistones. Estos motores, en su mayoría, desarrollan una mayor potencia que los cilíndricos debido a una mayor compresión aero-explosiva, por ejemplo un 2 rotores equivale en potencia a un 6 cilindros de motor convencional.

...