Motores de combustion interna

CONTENIDO DETALLADO DE LA MATERIA

TEMA I INTRODUCCION A LOS MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

Clasificación de las maquinas. Clasificación de los motores térmicos. Combustión externa. Combustión interna. Características de trabajo de los MCIA. Clasificación de los MCIA de acuerdo con: el ciclo termodinámico, el ciclo de trabajo, el campo de aplicación, el tipo de combustible, el tipo de formación de mezcla, el proceso de combustión, la presión de alimentación, la regulación al variar la carga, la estructura. Parámetros fundamentales de los MCIA: geométricos, cinemáticos y motorísticos. Parámetros indicados: presión media, potencia, rendimiento y consumo especifico. Relación entre parámetros indicados y efectivos. Problemas. Características típicas de MECH y MEC. Estructura del motor. Mecanismo alternativo. Sistemas del motor: alimentación y escape, lubricación. Enfriamiento y encendido. Partes principales del motor: mecanismo de distribución, árbol de levas, árbol de balancines, válvulas y resortes, cilindros, pistones, biela, cigüeñal. Orden de encendido

TEMA II CICLOS IDEALES Y CICLOS COMBUSTIBLE-AIRE

Introducción. Ciclo mixto o dual. Temperaturas del ciclo. Cálculos de rendimiento térmico y presión media del ciclo. Ciclo diesel. Ciclo Otto. Análisis del rendimiento térmico y presión media del ciclo. Efectos de la variación de suministro de calor sobre el rendimiento térmico y presión media del ciclo. Ciclos de los motores turboalimentados: por impulsos y a presión constante. Sobrealimentación mecánica. Propiedades del motor y operador diferencial. Problemas. Composición del aire y del combustible. Estequiometría de la combustión. Variación del fluido de trabajo a través del ciclo. Relaciones termodinámicas para mezclas de gases. Cartas termodinámicas. Ciclos combustible aire. Modelos computacionales. Problemas.

TEMA III CICLO REAL Y PERDIDAS DEL MOTOR

Introducción, fases del ciclo termodinámico: admisión, compresión, expansión y escape. Proceso de formación de mezcla: externa e interna. Diagrama de indicador. Equipos usados para la obtención de los diagramas: p-V y p-Angulo cigueñal. Comparación entre los diagramas para MECH y MEC. Diagramas de distribución para motor: 4T y 2T. Problemas. Perdidas de calor. Modos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación. Transferencia de calor en MCIA. Análisis dimensional. Coeficiente instantáneo de transferencia de calor. Correlaciones para el estudio de la transferencia de calor en MCIA. Problemas. Perdidas mecánicas. Conceptos básicos sobre fricción. Tipos de lubricación: limite e Hidrodinámica. Potencia consumida por fricción. Calculo teórico. Medición experimental. Aceites lubricantes. Problemas. Balance térmico. Perdidas de calor: a los gases de escape, al refrigerante, por convección, por radiación, por combustión incompleta y Otros. Problemas.

TEMA IV PARAMETROS DEL MOTOR

Parámetros del motor independientes: ciclos por segundo, consumo de combustible, consumos de aire: teórico y real, relación combustible-aire, relación potencia-par, calor contenido en el combustible. Parámetros indicados: presión media, Potencia, consumo específico de combustible, eficiencia, eficiencia volumétrica, expresiones adicionales. Parámetros efectivos: presión media, potencia, presión media por fricción, potencia consumida en perdidas mecánicas, eficiencia mecánica. Problema. Criterios de semejanza de MCIA: geométrica, idénticas condiciones ambientales, igual cota de regulación, igual velocidad media del pistón y presiones medias coincidentes. Consecuencias de la semejanza de MCIA respecto a: potencias efectivas, velocidades de giro, potencia específica, perdidas de calor por unidad de superficie, calor cedido al refrigerante por unidad de potencia. Semejanza de motores con diferente numero de cilindros: relación entre cilindradas, relación entre potencias efectivas, relación de numero de cilindros para igual potencia, relación de cilindrada para igual potencia, relación de numero de cilindros para igual potencia y cilindrada. Comparación de parámetros de MCIA.

TEMA V ENSAYOS DE MCIA Y SUS CARACTERISTICAS

Objetivos. Características. Relación entre potencias: en el combustible, efectiva e indicada. Mediciones básicas. Ensayos en bancos de motores: medición de potencia, medición de velocidad, medición de consumo de aire, medición de temperatura, Medición de flujo de liquido y perdidas de calor, medición de presión en el cilindro, medición de emisiones de escape. Problemas. Ensayos que se realizan en MCIA: velocidad variable en MECH con carga parcial, velocidad variable en MEC con carga total, velocidad constante en MECH y MEC. Recolección de datos y formulas básicas para su análisis. Curvas características: potencia, par y consumo especifico de combustible, eficiencias efectiva e indicada, consumos de aire y combustible, curvas multiparamétricas, Datos característicos sobre MCIA. Problemas.

TEMA VI PROCESO DE INTERCAMBIO DE GASES

Introducción. Influencia del proceso de intercambio de gases (PIG) en las prestaciones del motor. Parámetros que caracterizan el PIG. El PIG ideal. Proceso de intercambio de gases según Jovaj: gases residuales, calentamiento durante la admisión, eficiencia volumétrica, Influencias sobre la eficiencia volumétrica. Problemas. El PIG real. El PIG en un motor monocilindrico sin colectores. Perdidas hidráulicas: bancos de flujo, coeficientes de descarga. Compresibilidad del flujo: numero de Mach. Trabajo de bombeo. El PIG en un motor monocilindrico con colectores. Parámetro de frecuencia. Proceso de escape. El PIG en un motor policilindrico con colectores. Problemas. Interferencia en colectores de admisión 6-2-1. Interferencia en colectores de cuatro cilindros. Factores que influyen sobre el PIG. Duración del PIG. Numero de válvulas. Influencia del área de paso de la válvula de admisión sobre el rendimiento volumétrico y la presión media efectiva. Influencia del área de paso de las válvulas de admisión y escape sobre el trabajo neto.

TEMA VII PROCESO DE GENERACION DE POTENCIA

Importancia del proceso de combustión. Generalidades sobre el proceso de combustión. Requerimientos exigidos a los combustibles usados en MCIA. Propiedades de los combustibles. Combustión en MCIA. Concepto. Características. Frente de llama. Características de las llamas en MCIA. Autoencendido. Reacciones complejas. Composición del aire y del combustible. Estequiometría de la combustión. Primera ley de la Termodinámica y combustión. Entalpía de formación. Poder calorífico del combustible. Temperatura de llama adiabática. Eficiencia de la combustión. Problemas. Equilibrio químico. Constante de equilibrio químico. Sistema CHON de 12 especies. Formación de contaminantes. Razón de formación de especies químicas. Ley de Acción de Masa. Ecuación de Arrhenius. Razón de reacción. Reacciones consecutivas. Mecanismo extendido de Zeldovich. Tiempo de formación del NO. Reacción global de combustión. Coeficientes de reacción y constante de equilibrio. Problemas. Características de la combustión en MECH. Factores que afectan la combustión: relación combustible-aire, rpm, relación de compresión, carga. Problemas de la combustión en MECH: detonación, autoencendido. Características de la combustión en MEC. Factores que afectan la combustión: tipo de combustible, relación de compresión, ángulo de avance de la inyección, calidad de pulverización, rpm. Problemas de combustión: golpeteo metálico.

TEMA VIII PROCESOS DE MODELADO EN MCIA:

Teoría sobre el modelado en MCIA. El modelado: objetivo, interés, limitación y clasificación. Fases en el desarrollo de un modelo. Método de desarrollo de un modelo. Procesos importantes en MCIA. Modelos de combustión. Modelo de intercambio de gases. Ecuaciones que gobiernan un sistema termodinámico. Modelo matemático. Relación entre estos problemas y el proceso de combustión. Modelado en MCIA: características de los modelos de combustión, suposiciones de los modelos de combustión, consideraciones sobre las suposiciones del modelo, modelo matemático y relación entre parámetros. Desarrollo de las ecuaciones usadas para el modelado en MCIA: particularización del algoritmo general, simulación de perdidas de calor sobre el funcionamiento del motor, mecánica de fluidos en MCIA, mediciones de velocidad del flujo en función del ángulo de giro, análisis termodinámico del proceso de combustión, características del proceso de combustión, formación de productos en equilibrio químico.

BIBLIOGRAFIA

Araque, J.,Figueroa S., Motores de Combustión Interna Alternativos., Facultad de Ingenieria, ULA, 2003

Araque, J.,Figueroa S., Prácticas del Laboratorio de Conversión de Energía., Facultad de Ingenieria, ULA, 2003

Araque, J.,Figueroa S., Problemas de Motores de Combustión Interna., CDCHT, Universidad de los Andes, 2003

Araque, J.,Figueroa S., El Proceso de Combustión en Motores de Combustión Interna., CDCHT, Universidad de los Andes, 2005

Arias -Paz., Manual de Automóviles. Editorial Dossat. 1981

Benson, R. S., Advanced Engineering Thermodynamics. 1977.

Boles, C., Termodinámica. Mc GrawHill. 1996.

Cengel Y., Boles M. “Termodinámica”., Mc Graw Hill 2003

Desantes, J. M. y Lapuerta, M., Fundamentos de Combustión. Universidad Politécnica de Valencia., 1991.

De Imperial, J. M., Sobrealimentación de Motores. 1979.

Goodheart - Willcox., Automotive Encyclopedia. 1972.

Guide to Products for Teaching. G. Cussons LTD.

Heywood, J. B., Internal Combustion Engines Fundamentals. Mc. GrawHill 1988.

Jovaj, M. S., Motores de Automóvil. Editorial MIR. 1982.

Kuo, K. K., Principles of Combustion. John Wyley & Sons. 1986.

Lapuerta, M. A. y Hernández J. J., Tecnologías de la Combustión. Universidad Castilla de la Mancha. 1998.

L. R. Lilly., Diesel Engine Reference Book. 1985.

Lukanin, V. N., Motores de Combustión Interna. Editorial MIR 1982.

Motores Diesel. Editorial Blume. Segunda Edición. 1973.

Obert, E. F., Internal Combustion Engines. 1980.

Salvi, G., La Combustión Teoría y Aplicaciones. Editorial Dossat. 1984.

Taylor, C. F., The internal Combustion Engine. 1961.

Wark, K., Termodinámica. Mc GrawHill. 1984.

Arcoumanis, C. and Whitelaw, J. H., “Are Steady Flow Inlet Boundary Conditions Valid for Engine Cylinder Calculations ?,” CMT 8724.

Borman, G. and Nishiwaki, K., “Internal Combustion Engine Heat Transfer,” Prog. Energy Comb. Sci., 1987.

Callahan, T. J., Yost, D. M. and Ryan III, T. W., “Acquisition and Interpretation of Diesel Engine Heat Release Data,” SAE Paper 852068, 1968.

Foster, D. E., “An Overview of Zero Dimensional Thermodynamics Models for IC Engine Data Analysis,” SAE Paper 852070, 1985.

Heywood, J. B., “Engine Combustion Modeling - An Overview,” MIT., 1980.

James, E. H., “Combustion Modeling In Spark Ignition Engines,” Automotive Engineer, 1984.

Lancaster, D. R., Krieger, R. B., and Lienesch, J. H., “Measurement and Analysis of Engine Pressure Data,” SAE Paper 750026, 1975.

Lavoie, G. A., Heywood, J. B., and Keck, J. C., “Experimental and Theoretical Study of Nitric Oxide Formation in Internal Combustion Engines,” Comb. Sci. and Tech., 1970.

Rasihhan, Y. and Wallace F. J., “Temperature Transients of Engine Combustion Chamber Walls - I-II-III-IV., 1991.

Ronald, D. M. and Miao, S., “Combustion Efficiency of Spark Ignition Engines,” Int. J. Of Vehicle Design, 1987.

Van Wylen “Fundamentos de Termodinámica”., Limusa., 2002

Material de Apoyo para el Laboratorio

Guía sobre Motores de Combustión Interna Alternativos. Profs. Jesús Araque y Simón Fygueroa

Guía de Prácticas del Laboratorio de Conversión de Energía.

Hojas de cálculo.

Programas de computación.

Equipo de laboratorio.