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Ciclos de Potencia de Gas Motores de Combustión Interna
2009
UTO - FNI Dpto. Ing. Mecánica
Apuntes de Clase
Emilio Rivera Chávez
(Borrador)
Apuntes de Clase
Docente: Emilio Rivera Chávez
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y
Presión
Constante
Motores térmicos
Volumen
Constante
Isotérmico
Adiabático
Diagramas
PV
CALOR
TRABAJO
PRIMERA LEY DE LA
TERMODINAMICA
SEGUNDA LEY DE LA
TERMODINAMICA
CICLOS DE POTENCIA
CICLO DE
CARNOT
CICLO OTTO Y CICLO DIESEL
Procesos de Motores Térmicos
utilizan utilizan
Para generar trabajo
Limitado por
Siendo el
más ideal
Y los más
usados
Usan procesos
Representados en diagramas
Ciclos de Gas Productores de Trabajo
Esquema Conceptual
Apuntes de Clase
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II Ciclos de potencia de gas
Gas power cycles
La generación de potencia es un área importante de aplicación de la termodinámica. Los dispositivos y sistemas usados para producir una salida neta de trabajo son llamados motores y los ciclos termodinámicos en que operan se denominan ciclos de potencia.
En los ciclos de gas, el fluido de trabajo permanece en fase gaseosa a través de todo el ciclo, mientras que en los ciclos de vapor el fluido de trabajo está en fase de vapor en una parte del ciclo y en fase líquida durante otra parte.
Los sistemas de potencia de gas incluyen:
Motores de combustión interna
Turbinas de Gas
Estudio de los ciclos de potencia de gas
Los ciclos reales de potencia de gas son bastante complicados. Para un análisis más simple, hacemos varias aproximaciones, que se conocen comúnmente como las hipótesis de aire-estándar:
El fluido de trabajo es aire, que circula continuamente en un ciclo cerrado y se comporta siempre como gas ideal.
Todos los procesos que componen el ciclo son internamente reversibles.
El proceso de combustión es sustituido por un proceso de adición de calor desde una fuente externa.
El proceso de escape es sustituido por un proceso del rechazo del calor que restaura el fluido de trabajo a su estado inicial.
Otra suposición hecha con frecuencia es que el aire tiene calores específicos constantes (los valores usados son a la temperatura ambiente). Esta suposición se conoce como hipótesis de aire frío estándar.
Power generation is an important area of application of thermodynamics. The devices and systems used to produce a net power output are called engines and the thermodynamic cycles they operate on are called power cycles.
In gas cycles, the working fluid remains in the gaseous phase throughout the entire cycle, while in vapor cycles the working fluid exists in the vapor phase during one part of the cycle and in the liquid phase during another part.
Gas power systems include:
Internal combustion engines
Gas turbines
Analysis of gas power cycles
Actual gas power cycles are pretty complicated. For simpler analysis, we make several approximations, which are commonly known as the air-standard assumptions:
The working fluid is air, which continuously circulates in a closed loop and always behaves as an ideal gas.
All the processes that make up the cycle are internally reversible.
The combustion process is replaced by a heat-addition process from an external source.
The exhaust process is replaced by a heat rejection process that restores the working fluid to its initial state.
Another assumption frequently made is that air has constant specific heats (values used are those at the room temperature). This assumption is known as cold-air-standard assumption.
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Q
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Q
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Algunos comentarios generales
Entropía
Entropía es una propiedad
termodinámica que mide el grado de aleatoriedad o desorden a nivel microscópico. La situación natural de las cosas esta para que la entropía sea generada por todos los procesos (principio de generación de entropía).
proceso irreversible
proceso reversible
¡proceso imposible!
Una característica macroscópica que se asocia a la producción de entropía es una pérdida de capacidad de producir trabajo útil. La energía se degrada a una forma menos útil, y se dice a veces que hay una disminución de la disponibilidad de la energía
La entropía es una propiedad termodinámica extensiva. En otras palabras, la entropía de un sistema complejo es la suma de las entropías de las partes del sistema.
La idea de que la entropía puede ser producida, pero nunca destruida, está expresada en la segunda ley de la termodinámica.
De la desigualdad de Clausius
La segunda integral en la relación anterior es reconocida como el cambio de entropía. Consecuentemente, La cual puede expresarse en forma diferencial como:
Some Overall Comments
Entropy
Entropy is a thermodynamic property
that measures the degree of randomization or disorder at the microscopic level. The natural state of affairs is for entropy to be produced by all processes
(generation of entropy principle).
irreversible processes
reversible processes
¡ impossible processes !
A macroscopic feature which is
associated with entropy production is a loss of ability to do useful work. Energy is degraded to a less useful form, and it is sometimes said that there is a decrease in the availability of energy.
Entropy is an extensive thermodynamic property. In other words, the entropy of a complex system is the sum of the entropies of its parts.
The notion that entropy can be produced, but never destroyed, is the second law of thermodynamics.
Inequality of Clausius
The second integral in previous relationship is recognized as the entropy change. Consequently,
That can be to express in differential form below:
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Procesos reversibles e irreversibles
“Es imposible que un dispositivo que opera en un ciclo reciba calor de un solo depósito y produzca una cantidad equivalente de trabajo” Kelvin-Planck. - Segunda ley …
La segunda ley de la termodinámica establece que ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia de 100%. Luego, ¿Cuál es la eficiencia más alta que puede tener una máquina térmica? Antes de contestar esta pregunta es necesario revisar el concepto teórico de proceso reversible.
Los procesos pueden ser clasificados como reversibles o irreversibles. El concepto de proceso reversible es importante por cuanto está directamente relacionado con nuestra habilidad de reconocer, evaluar y reducir irreversibilidades los procesos de ingeniería reales.
Considerando un sistema aislado. La segunda ley dice que un proceso que disminuya la entropía de un sistema aislado es imposible. Supongamos que un proceso tiene lugar dentro del sistema aislado en lo que vamos a llamar la dirección hacia adelante. Si el cambio de estado del sistema es tal que la entropía aumenta para el proceso hacia adelante, a continuación, para el proceso hacia atrás (esto es, para un cambio de estado inverso) la entropía
disminuiría. El proceso hacia atrás, por lo tanto, es imposible, y por lo tanto, decimos que el proceso hacia adelante es irreversible.
Sin embargo, si se produce un proceso en que la entropía es invariable para el proceso hacia adelante, entonces este sería también invariable para el proceso inverso. Ese proceso podría ir en cualquier dirección sin contradecir la segunda ley. Procesos de este último tipo se denominan reversibles.
La idea clave de un proceso reversible es que no produce ninguna entropía.
La entropía se produce en procesos irreversibles. Todos los procesos reales (con la posible excepción del flujo en modernos superconductores) son en cierta
Reversible and irreversible Processes
“Not heat engine can exchange heat with a single reservoir, and produce an equivalent amount of work “ Kelvin-Plank.
The second law.
The second law of thermo dynamics says that any heat engine can have an efficiency of 100 %. Then what is the highest efficiency that can have a thermal machine? Before we answer this question we need to review the theoretical concept of reversible process.
Processes can be classed as reversible or irreversible. The concept of a reversible process is an important one which directly relates to our ability to recognize, evaluate, and reduce irreversibilities in practical engineering processes.
Consider an isolated system. The second law says that any process that would reduce the entropy of the isolated system is impossible. Suppose a process takes place within the isolated system in what we shall call the forward direction. If the change in state of the system is such that the entropy increases for the forward process, then for the backward process (that is, for the reverse change in state) the entropy would decrease. The backward process is therefore impossible, and we therefore say that the forward process is irreversible.
If a process occurs, however, in which the entropy is unchanged by the forward process, then it would also be unchanged by the reverse process. Such a process could go in either direction without contradicting the second law. Processes of this latter type are called reversible.
The key idea of a reversible process is that it does not produce any entropy.
Entropy is produced in irreversible processes. All real processes (with the possible exception of superconducting current flows) are in some measure
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medida irreversibles, aunque muchos procesos pueden ser analizados muy adecuadamente suponiendo que ellos son reversibles. Algunos procesos que son claramente irreversibles incluyen: la mezcla de dos gases, la combustión espontánea, la fricción y la transferencia de energía en forma de calor de un cuerpo a alta temperatura a otro a baja temperatura.
La identificación de las irreversibilidades en un proceso real es especialmente importante en la ingeniería. La irreversibilidad, o salida de la condición ideal de reversibilidad, refleja un aumento en la cantidad de energía desorganizada a expensas de energía organizada. La energía organizada (tal como la de un “peso” elevado a cierta altura) es fácil de usar en la práctica; la energía desorganizada (como los movimientos aleatorios de las moléculas en un gas) requiere ''enderezar'' antes de que pueda ser utilizada con eficacia. Además, puesto que siempre estamos un poco inseguros sobre el estado microscópico, este “enderezar” nunca puede ser perfecto. En consecuencia el ingeniero constantemente está tratando de reducir irreversibilities en sistemas, a fin de obtener un mejor rendimiento.
Lord Kelvin “It is impossible to convert heat completely into work in a cyclic process”.
“Es imposible convertir completamente calor en trabajo en un proceso cíclico”.
William Thomson, 1st Baron Kelvin (or Lord Kelvin), (26 June 1824 – 17 December 1907) was a British mathematical physicist and engineer. At the University of Glasgow he did important work in the mathematical analysis of electricity and formation of the first and second Laws of Thermodynamics, and did much to unify the emerging discipline of physics in its modern form.
irreversible, though many processes can be analyzed quite adequately by assuming that they are reversible. Some processes that are clearly irreversible include: mixing of two gases, spontaneous combustion, friction, and the transfer of energy as heat from a body at high temperature to a body at low temperature.
Recognition of the irreversibilities in a real process is especially important in engineering. Irreversibility, or departure from the ideal condition of reversibility, reflects an increase in the amount of disorganized energy at the expense of organized energy. The organized energy (such as that of a raised weight) is easily put to practical use; disorganized energy (such as the random motions of the molecules in a gas) requires ``straightening out'' before it can be used effectively. Further, since we are always somewhat uncertain about the microscopic state, this straightening can never be perfect. Consequently the engineer is constantly striving to reduce irreversibilities in systems, in order to obtain better performance.
Interpretación:
Es imposible construir una máquina térmica cíclica que transforme calor en trabajo sin aumentar la energía termodinámica del ambiente. Debido a esto podemos concluir que el rendimiento energético de una máquina térmica cíclica que convierte calor en trabajo siempre será menor a la unidad y ésta estará más próxima a la unidad cuanto mayor sea el rendimiento energético de la misma. Es decir, cuanto mayor sea el rendimiento energético de una máquina térmica, menor será el impacto en el ambiente, y viceversa.
It is impossible to make a cyclical thermal machine to transform heat in work without increasing thermodynamic energy environment. Due to this we may conclude that the energy efficiency of a cyclical thermal machine that makes heat work always smaller drive and it is closer to drive the higher energy efficiency. In other words, the higher energy efficiency thermal machine, the lower the impact on the environment, and vice versa.
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Ejemplos de procesos reversibles e irreversibles.
Los procesos que generalmente son idealizados como reversibles son:
Movimiento con baja fricción
Compresión o expansión controlada
Transferencia de calor debido a diferencias de temperatura infinitesimales no uniformes
Flujo eléctrico a través de una resistencia cero.
Reacción química controlada.
Mezclas de dos muestras de la misma sustancia en el mismo estado.
Los procesos que son irreversibles
incluyen:
Movimiento con fricción
Expansión libre de un gas.
Transferencia de energía en forma de calor debido a una diferencia temperatura finita no uniforme
Flujo de corriente eléctrica a través de un resistencia no nula
Reacciones químicas espontaneas
Mezclado de substancias de diferente composición o estado.
Los procesos reversibles pueden ser considerados como límites teóricos para
los irreversibles correspondientes. Algunos procesos son más irreversibles que otros.
El concepto de proceso reversible conduce a la definición de eficiencia de la segunda ley para procesos reales, que es el grado de aproximación al proceso reversible correspondiente. Esto permite comparar el desempeño de diferentes dispositivos diseñados para hacer la misma tarea con base en sus eficiencias. Mientras mejor sea el diseño, menores son las irreversibilidades y mayor es la eficiencia de la segunda ley.
A medida que se tiende a un proceso reversible, una máquina térmica entrega más trabajo.
Examples of Reversible and Irreversible Processes
Processes that are usually idealized as reversible include:
Frictionless movement
Restrained compression or expansion
Energy transfer as heat due to infinitesimal temperature no uniformity
Electric current flow through a zero resistance
Restrained chemical reaction
Mixing of two samples of the same substance at the same state.
Processes that are irreversible include:
Movement with friction
Unrestrained expansion
Energy transfer as heat due to large temperature non uniformities
Electric current flow through a non zero resistance
Spontaneous chemical reaction
Mixing of matter of different composition or state.
Reversible processes can be regarded as theoretical limits for the corresponding irreversible. Some processes are more irreversible than others.
The concept of reversible process leads to the definition of the second law efficiency for real processes, which is
the degree of approximation to the corresponding reversible process. This allows to compare the performance of different devices designed to do the same task based on their efficiencies. While better is the design, lower are the irreversibilities and greater is the efficiency of the second law.
As it tends to a reversible process, a hot engine delivers more work.
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Motor Térmico
Sabemos por experiencia que el trabajo se puede convertir en calor de manera directa y por completo, pero convertir el calor en trabajo requiere usar dispositivos especiales. Estos dispositivos se llaman máquinas térmicas.
Los motores térmicos difieren bastante entre sí, pero es posible caracterizarlas mediante el siguiente esquema:
Un motor térmico es un dispositivo físico o
teórico que convierte la energía térmica de entrada en energía mecánica a la salida. La salida mecánica se llama trabajo, y la entrada de energía térmica se llama calor. Los motores térmicos normalmente se ejecutan en un ciclo termodinámico específico. Los motores térmicos pueden ser abiertos al aire atmosférico o sellados y cerrados al exterior (ciclo abierto o cerrado).
En ingeniería y termodinámica, un motor térmico realiza la conversión de energía térmica a trabajo mecánico aprovechando el gradiente de temperatura entre una "fuente" caliente y un "receptor" frio. Se transfiere calor de la fuente, a través del "cuerpo de trabajo" del motor, al receptor, y en este proceso algo del calor se convierte en trabajo aprovechando las propiedades de una sustancia de trabajo (generalmente un gas o líquido).
A heat engine
We know from experience that the work can to be converted directly and completely in to heat, but to convert heat into work requires using special devices. These devices are called heat engines.
Heat engines differ somewhat, but it is possible to characterize them using the following scheme:
A heat engine is a physical or theoretical device that converts thermal energy to mechanical output. The mechanical output is called work, and the thermal energy input is called heat. Heat engines typically run on a specific thermodynamic cycle. Heat engines can be open to the atmospheric air or sealed and closed off to the outside (open or closed cycle).
In engineering and thermodynamics, a heat engine performs the conversion of
heat energy to mechanical work by exploiting the temperature gradient between a hot "source" and a cold "sink". Heat is transferred from the source, through the "working body" of the engine, to the sink, and in this process some of the heat is converted into work by exploiting the properties of a working substance (usually a gas or liquid).
1. Reciben calor de una fuente a temperatura alta, TH. 2. Convierten parte de este calor en trabajo, W. 3. Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero de
calor de baja temperatura, TL. 4. Operan en un ciclo.
Una porción de la salida de trabajo de una máquina térmica se
consume internamente para mantenerla en operación.
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Eficiencia de la segunda ley
Para medir el funcionamiento de cualquier proceso, dispositivo o sistema se utiliza el concepto de eficiencia. El parámetro más ampliamente usado en la termodinámica este sentido, generalmente está basado en el concepto de energía, con el cual no se hace una distinción entre la energía de baja calidad y la de alta calidad. Un ejemplo sencillo lo constituye la eficiencia térmica de una máquina de calor, la cual se define como el cociente que resulta de dividir el trabajo desarrollado entre el calor añadido al sistema durante el ciclo. En esta definición se da el mismo peso al calor y al trabajo. Si bien este tipo de eficiencia es útil para determinados propósitos, no permiten obtener una medida precisa del comportamiento termodinámico. Puesto que es la disponibilidad (exergía) y no la energía la que se consume durante los procesos termodinámicos, resulta más lógico disponer de una eficiencia que esté basada en el concepto de disponibilidad. Introducimos ahora el concepto de eficiencia de la segunda ley que se basa en la definición de disponibilidad y en la destrucción de la disponibilidad.
A partir de la definición general de eficiencia, la cual puede expresar como: o bien
Para una máquina térmica el concepto de “beneficio” es el trabajo desarrollado W, y el concepto de “costo” corresponde al calor añadido durante el ciclo. Qañadido. La energía disponible (disponibilidad) en Qañadido es
En consecuencia la eficiencia según la
segunda ley, puede escribirse como:
The second law efficiency
The concept of efficiency is used to measure the operation of any process, system or device. The parameter most widely used in thermodynamics is generally based on the concept of energy, which is not a distinction between high-quality energy and low quality energy. A simple example is the thermal efficiency of a heat engine, which is defined as the ratio resulting from dividing the work between the heat that added to the system during the cycle. This definition gives equal weight both heat and work. While this kind of efficiency is useful for certain purposes, do not allow an accurate measure of thermodynamic behavior. Since is availability and not the energy consumed during thermodynamic processes, it is more logical to have an efficiency based on the concept of availability. We now introduce the concept of efficiency of the second law based on the definition of availability and the availability destruction.
From the general definition of efficiency, which can be expressed as:
or
For a heat engine the concept of
"benefit" is the work done W, and the concept of "cost" corresponds to the heat added during the cycle. Qadd. Available energy (availability) in Qadd is
Consequently the efficiency according to the second law can be written as:
to
beneficio
cos
input
output
añadido
H
o QT
T
1
añadidoHo
IIQTT
W
)/1(
)/1( Ho
tII
TT
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Motores de combustión interna En los motores de CI, la energía es suministrada al fluido de trabajo quemando combustible en el interior del sistema.
Dos tipos principales de motores de combustión interna son: el motor encendido por chispa y el motor de encendido por compresión. En un motor de encendido por chispa, una mezcla de combustible y aire es quemada por una bujía. En un motor de encendido por compresión (también llamado motor diesel), el aire se comprime a una presión y temperatura suficientemente altas para que la combustión ocurra espontáneamente cuando se inyecta el
combustible.
Componentes básicos de un motor de combustión interna alternativo.
Es básicamente un dispositivo de cilindro-piston con dos válvulas.
Internal combustion engines In IC engines, energy is supplied to the working fluid by burning the fuel within the system boundaries.
Two main types of internal combustion engines are: the spark-ignition engine and the compression-ignition engine. In a spark ignition engine, a mixture of fuel and air is ignited by a spark plug. In a compression-ignition engine (also called diesel engine), air is compressed to a high enough pressure and temperature so that combustion occurs spontaneously when fuel is injected.
Basic components of reciprocating internal combustion engine
This is basically a piston-cylinder device
with two valves.
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VD Vmin
Vmax
Presión Media efectiva
Es un parámetro que se utiliza para describir el rendimiento de los motores alternativos. Es, teóricamente, la presión constante que, si actúa en el pistón durante la carrera de trabajo, produciría el mismo trabajo neto efectivamente desarrollado en un ciclo.
Volumen de desplazamiento Displacement volume
Representación generalizada de los ciclos termodinámicos
Antes de estudiar motores térmicos específicos, debemos tener en cuenta que todas las maquinas térmicas pueden representarse en general como una transferencia de calor de una fuente de alta temperatura por un dispositivo, que funciona en los alrededores, seguido de un rechazo de calor de ese dispositivo a un depósito de baja temperatura.
Mean effective pressure
It is a parameter used to describe the performance of reciprocating engines. It is the theoretical constant pressure that, if it acted on the piston during the power stroke, would produce the same net work as actually developed in one cycle.
Wnet = F*L = Pmef*APiston*L
= Pmef*VD
Pmef = Wnet / (Vmax – Vmin)
Generalized Representation of Thermodynamic Cycles
Before we examine individual heat engines, note that all heat engines can be represented generally as a transfer of heat from a high temperature reservoir to a device, which does work on the surroundings, followed by a rejection of heat from that device to a low temperature reservoir.
Máquina térmica genérica Parte del calor que recibe un maquina térmica se convierte en trabajo, mientras que el resto es rechazado a un sumidero. A generalized heat engine. Part of the heat that receives one heat
engine becomes work, while the rest is
rejected a sink
L
F=PmefApiston Carrera del pistón (Stroke)
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Ciclos de los motores térmicos
Para una masa constante de gas, la operación de un motor térmico es un ciclo repetitivo y su diagrama PV será una figura cerrada. La idea de un ciclo de motor se ilustra a continuación para uno de los tipos más sencillos de ciclos. Si el ciclo opera en sentido horario en el diagrama, el motor usa el calor para realizar trabajo neto. Si el ciclo opera en sentido anti horario, este usa trabajo para transportar calor y consecuentemente actúa como un refrigerador o bomba de calor.
Engine Cycles
For a constant mass of gas, the operation of a heat engine is a repeating cycle and its PV diagram will be a closed figure. The idea of an engine cycle is illustrated below for one of the simplest kinds of cycles. If the cycle is operated clockwise on the diagram, the engine uses heat to do net work. If operated counterclockwise, it uses work to transport heat and is therefore acting as a refrigerator or a heat pump.
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El ciclo de Carnot.
El más eficiente ciclo térmico es el ciclo de Carnot, consiste de dos procesos isotérmicos y dos procesos adiabáticos. El ciclo de Carnot puede considerarse como el ciclo de motor térmico más eficiente de permitido por las leyes físicas. Cuando la segunda ley de la termodinámica afirma que no todo el calor suministrado en un motor térmico puede utilizarse para realizar trabajo, la eficiencia de Carnot establece el valor limitante, de la fracción del calor que se puede utilizar.
Consideramos las siguientes definiciones para Qa y Qb:
Qa: calor que es obtenido del gas en la expansión isotérmica (área 1256).
Qr: calor que el gás rechaza en la compresión isotérmica (área 4356).
El trabajo resultante es
Se puede demostrar que:
Entonces la eficiencia está dada por
De todos, es el que presenta mayor eficiencia. (¡pero imposible de llevar a la practica!)
Carnot Cycle
The most efficient heat engine cycle is the Carnot cycle, consisting of two isothermal processes and two adiabatic processes. The Carnot cycle can be thought of as the most efficient heat engine cycle allowed by physical laws. When the second law of thermodynamics states that not all the supplied heat in a heat engine can be used to do work, the Carnot efficiency sets the limiting value on the fraction of the heat which can be so used.
Consider the following definitions for bout Qa y Qb
Qa: Heat that is retrieved from the gas in the isothermal expansion (area 1256)
Qr: heat the gás rejects Isothermal compression
(area 4356).
The resulting work is
It can be shown that
Then efficiency is given by
Of all, it is the most efficiently. (but it impossible to put practice !)
Qr
Qa
Qr
p
V
W
Qr - Qa =W
bT
aT
Qr
Qa
Qa
Qr-Qa =
Qa
W =
bT
b
a
b T-1 =
Q
Q-1 =
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Ciclo Genérico
Una característica clave de los motores de combustión interna es que en cada ciclo se aspirar aire fresco, luego se adiciona el combustible y se quema en el interior del motor. Luego los gases quemados son expulsados del sistema y se debe aspirar nueva mezcla o aire. Por lo tanto se trata de un ciclo abierto.
Consta de las siguientes partes generales:
De 1 hasta 2 se realiza una compresión,
Entre 2 y 3 se realiza la combustión,
Entre 3 y 4 se realiza la expansión de los gases calientes,
En 4 se expulsan los gases quemados a la atmósfera.
El ciclo es realmente abierto, pero (para efectos de análisis) se supone que se cierra
entre 4 y 1, volviéndose al estado inicial.
Ciclo de aire equivalente.
El ciclo lo describe solo aire, el cual pasa
por una sucesión de estados tal que se reproduce el ciclo real. Esto implica las siguientes suposiciones y simplificaciones:
1. Las propiedades del aire se suponen constantes para todo el ciclo. ( Cp y Cv, ctes. aunque en el caso real varían)
2. Se asume un sistema cerrado. Es decir, el aire está cerrado dentro del sistema y se somete a las evoluciones equivalentes.
Generic Cycle
A key feature of internal combustion engines is that each cycle suck in fresh air, then adds fuel and it burning inside the engine. Then burnt gases are expelled from the system and you must seek new mix or air. This is therefore an open cycle.
It has the following general parts:
1 to 2 a compression is performed,
Between 2 and 3 the combustion occurs,
The expansion of the hot gases is performed between 3 and 4,
In 4 expel gases burned to the atmosphere.
The cycle is in reality opened, but (for purposes of analysis) assumes that it close between 4 and 1, turning to the initial state.
Air cycle equivalent
The cycle described only air, which do to pass through a succession of States such that plays the real cycle. This involves the following assumptions and simplifications:
1. Air properties represent constants for the entire cycle. (CP and CV, ctes. Although in the case study vary)
2. Assumes a closed system. I.e. air is closed within the system and is subject to equivalent trends.
3
2
4
1 pa
V
P
Wneto
Expansión adiabática
QR
QA
Compresión adiabática
Figura 1: Ciclo Combustión Interna Genérico
Diagrama P-V
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3. Entre 2 y 3 se supone que se aporta calor externamente para lograr la evolución equivalente.
4. Análogamente, entre 4 y 1 se asume que se enfría el aire en forma equivalente.
En este ciclo genérico tenemos varias cosas que se pueden hacer para maximizar el trabajo. En todos los casos siempre se trata de maximizar el área encerrada por el ciclo de trabajo.
1. De ser posible, siempre
conviene prolongar la
expansión 3-4 hasta la
presión ambiente. Con
ello se gana un área de
trabajo adicional "sin
costo". Claro que en
motores alternativos
(cilindro-pistón), esto
no es posible, pues el
volumen máximo está
definido (fig. 2).
2. En el caso de que la
presión máxima esté fija, conviene que la
combustión se realice a presión constante.
En efecto, cuando uno comprime solo aire,
conviene que esta compresión sea la
máxima posible para maximizar el
rendimiento (fig. 3.)
3. En el caso de que la compresión máxima esté fija (caso motores Otto en que se comprime aire-combustible), conviene que la combustión se realice a volumen constante fig.(4).
3. Between 2 and 3 assumes brings heat externally to achieve equivalent developments
4. Similarly, 4-1 assumes that the air in an equivalent manner cools.
We have several things you can do to maximize the work in this generic cycle. In all cases it always is maximize the area enclosed by work cycle
1. If it possible, should always be extending 3-4 expansion into the ambient pressure. This earns an additional workspace "no cost". Clear that alternative engine (cilindro-pistón), this is not possible, because the maximum volume is defined (fig. 2).
2. Where the maximum pressure is fixed, should make the combustion to constant pressure. Indeed, when one compressed air only, it is appropriate that this compression is the maximum possible to maximize performance (fig. 3.)
3. Where maximum compression is fixed (motor case Otto aire-combustible is compressed), should make the combustion to constant volume fig. (4).
∆Q = 0
∆Q = 0 2
4
1 pa
P
QR
QA
W ganado
Figura 2: Prolongación de expansión hasta pa
Wneto
3
V
3
QA
W ganado
4
1
QR
∆Q = 0
∆Q = 0
V
Figura 4: Combustión a volumen constante.
pa
P
2
Wneto
4
1
QR
∆Q = 0
∆Q = 0
2
V
Figura 3: Combustión a presión constante.
pa
P
Wneto
3
QA W ganado
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El motor de combustión interna
El Ciclo Otto
El ciclo de Otto es un conjunto de procesos utilizados por los motores de combustión interna de encendido por chispa (ciclos de 2 o 4 tiempos). Estos motores a) aspiran una mezcla de aire-combustible, b) lo comprimen, c) provocan su reacción, logrando así eficazmente la adición de calor a través de convertir energía química en energía térmica, d) expanden los productos de la combustión, y a continuación e) expulsan los productos de combustión y lo reemplazan con una nueva mezcal de aire-combustible. Los diferentes procesos se muestran en la siguiente figura:
5. Carrera de aspiración, la mezcla de aire-vapor de gasolina ingresa al motor ( 0 →1).
6. Carrera de Compresión, incremento de p, T (1 →2).
7. Combustión (chispa), tiempo muy corto, esencialmente a volumen constante. Modelo: Calor absorbido desde una serie de depósitos a temperaturas T2 a T3 (2 →3).
8. Carrea de Trabajo: expansión (3 →4).
9. Válvula de escape: se abre la válvula, escape de gases (4 →1). Modelo: rechazo de calor a una serie de depósitos a temperaturas T4 a T1.
10. Carrera de escape, el pistón empuja los gases remanentes producto de la combustión fuera del cilindro (1 →0).
The Internal combustion engine
Otto Cycle
The Otto cycle is a set of processes used by spark ignition internal combustion engines (2-stroke or 4-stroke cycles). These engines a) ingest a mixture of fuel and air, b) compress it, c) cause it to react, thus effectively adding heat through converting chemical energy into thermal energy, d) expand the combustion products, and then e) eject the combustion products and replace them with a new charge of fuel and air. The different processes are shown in the next figure:
1. Intake stroke, gasoline vapor and air drawn into engine ( 0 →1).
2. Compression stroke, p,T increase . (1 →2).
3. Combustion (spark), short time, essentially constant volume. Model: heat absorbed from a series of reservoirs at temperatures T2 to T3 (2 →3).
4. Power stroke: expansion (3 →4).
5. Valve exhaust: valve opens, gas escapes. (4 →1). Model: rejection of heat to series of reservoirs at temperatures T4 to T1.
6. Exhaust stroke, piston pushes remaining combustion products out of chamber (1 →0).
El ciclo Otto ideal
The ideal Otto cycle
0
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Modelamos los procesos como todos los
cuales actúan en una masa fija de aire
contenida en un arreglo de pistón-cilindros,
tal como se muestra en la figura
siguiente.
El ciclo real no tiene las transiciones nítidas entre los diferentes procesos que tiene el ciclo ideal, y podría tener la forma que esta esbozada en la figura anterior
We model the processes as all acting on a fixed mass of air contained in a piston-cylinder arrangement, as shown in the
next Figure.
The actual cycle does not have the sharp transitions between the different processes that the ideal cycle has, and might be as sketched in the previous
Figure.
Pistón y válvulas en un motor
de combustión interna de
cuatro tiempos.
Piston and valves in a four-
stroke internal combustion
engine.
.
1 Admisión 2 Compresión 3 Combustión-expansión 4 Escape (trabajo)
Carreras de un motor de cuatro tiempos encendido por chispa (Gasolina).- requiere cuatro carreras para completar el ciclo (dos vueltas del eje cigüeñal)
Pressure-displacement diagram for a reciprocating internal combustion engine of an actual Otto cycle
Diagrama presión-desplazamiento de un motor alternativo de combustión interna de un ciclo Otto real
Apuntes de Clase
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Eficiencia de un Ciclo ideal Otto
El punto de partida es la expresión general para la eficiencia térmica de un ciclo:
La convención, asumida anteriormente, es que el intercambio de calor es positivo si el calor está fluyendo al sistema o al motor, por lo tanto, es negativo. El calor absorbido se produce durante la combustión cuando la chispa se produce, aproximadamente a volumen constante. El calor absorbido se puede relacionar con el cambio de temperatura del estado 2 al estado 3 como:
El calor rechazado viene dado por (para un
gas ideal con calores específicos constantes)
Sustituyendo las expresiones para el calor absorbido y rechazado en la expresión para la eficiencia térmica tenemos.
Podemos simplificar la expresión anterior considerando que los procesos de 1 a 2 y de 3 a 4 son isentrópicos:
Efficiency of an ideal Otto cycle
The starting point is the general expression for the thermal efficiency of a cycle:
The convention, as previously, is that heat exchange is positive if heat is flowing into the system or engine, so is negative. The heat absorbed occurs during combustion when the spark occurs, roughly at constant volume. The heat absorbed can be related to the temperature change from state 2 to state 3 as:
The heat rejected is given by (for a perfect gas with constant specific heats)
Substituting the expressions for the heat
absorbed and rejected in the expression for thermal efficiency yields
We can simplify the above expression using the fact that the processes from 1 to 2 and from 3 to 4 are isentropic:
)0( 232323 WUQQH
)( 3
1
2
TTcdTc v
T
T
v
1
4
3
34
1
1
221 ;
kk
V
VTT
V
VTT
3241 VVyVV
1
1
22314 )(
k
V
VTTTT
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La cantidad
Es denominada relación de compresión. En términos de la relación de compresión, la eficiencia térmica de un cilo ideal Otto es:
The quantity
is called the compression ratio. In terms of compression ratio, the efficiency of an ideal Otto cycle is:
1
2
1
11
K
V
V
1
11
k
c
Ottor
Ciclo-Otto-exacto http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Ciclo-otto-exacto.png
1
1
2
23
4
k
V
V
TT
TT
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Efecto de la relación de compresión en el rendimiento
La eficiencia térmica de ciclo de Otto, aumenta a medida que aumenta la relación de compresión. Pero la posibilidad de ignición prematura del combustible (conocido como autoignición, que produce un ruido audible llamado golpeteo del motor), pone un límite máximo en las relaciones de compresión que pueden usarse en motores de combustión interna de encendido por chispa. El golpeteo del motor afecta al rendimiento y daña el motor.
Combustibles formulados con plomo tetraethyl tienen características de buena antiknock, es decir, que permiten mayor índice de compresión. Pero la gasolina con plomo forma compuestos durante el proceso de combustión que son peligrosos para la salud y contaminan el medio ambiente.
En la figura se muestra la eficiencia de ciclo de Otto ideal como una función de la relación de compresión. Como la relación de compresión, rc, aumenta, ƞOtto aumenta,
pero no así T2. Si T2 es demasiado alto, la mezcla se inflama sin una chispa (en el lugar equivocado del ciclo).
Effect of compression ratio on performance
Otto cycle thermal efficiency increases as the compression ratio increases. But the possibility of premature ignition of the fuel (known as autoignition, which produces an audible noise called engine knock), puts an upper limit on the compression ratios that can be used in spark-ignition internal combustion engines. Engine knock affects performance and damages the engine. Fuels formulated with tetraethyl lead have good antiknock characteristics, i.e. they allow higher compression ratios. But leaded gasoline forms compounds during the combustion process that are hazardous to health and pollute the environment. The ideal Otto cycle efficiency is shown as a function of the compression ratio in the figure. As the compression ratio, rc, increases, ƞOtto, increases, but so does T2. If T2 is too high, the mixture will ignite without a spark (at the wrong location in the cycle).
Eficiencia térmica para el ciclo Otto ideal. Observe que la eficiencia térmica aumenta con el coeficiente k.
Thermal efficiency of the ideal Otto cycle. View that thermal efficiency increase whit coefficient k.
0 3 6 9 120
0.25
0.5
0.75
1Eficiencia térmica del ciclo Otto vs rc
Relación de compresión
Efi
cie
ncia
térm
ica
0 .809
0
rc( )
2 rc( )
1 rc( )
121 rc
k=1.7
k=1.4
k=1.3
Relación de compresión, rc. Compression ratio.
Efic
ienc
ia té
rmic
a,
The
rmal
effi
cien
cy.
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En la figura se ve que la curva de la eficiencia térmica tiene mayor pendiente a relaciones de compresión bajas, pero se nivela a partir de un valor de rc de aproximadamente 8. Consecuentemente, el aumento en la eficiencia térmica no es apreciable relaciones de compresión elevadas. Asimismo, cuando se emplean altas relaciones de compresión, la temperatura de la mezcla de aire-combustible se eleva por encima de la temperatura de autoencendido del combustible durante el proceso de compresión, con lo que causa un temprano y rápido quemado del combustible.
La necesidad de evitar el autoencendido impone un límite superior a la relación de compresión que puede usarse en los motores de combustión interna de encendido por chispa.
El segundo parámetro que afecta la eficiencia térmica de un ciclo Otto ideal es la relación de calores específicos k. Para una relación de compresión dada, un ciclo ideal que emplea un gas monoatómico como fluido de trabajo tendrá la eficiencia térmica más alta. La relación de calores específicos k, y por tanto la eficiencia térmica de un ciclo Otto ideal, disminuye cuando las moléculas del fluido de trabajo son más grandes. A temperatura ambiente, este valor es 1.4 para el aire, 1.3 para el dióxido de carbono y de 1.2 para el etano.
El fluido de trabajo en máquinas reales contiene moléculas más grandes, como dióxido de carbono, y k disminuye con la temperatura, la cual es una de las razones por las que los ciclos reales tienen eficiencias térmicas más bajas que el ciclo Otto ideal. La eficiencia térmica de máquinas reales de encendido por chispa varía de aproximadamente 25% a 30%.
Figure shows that the curve of thermal efficiency has larger gradient to low compression ratios, but it levels for a value of rc approximately 8. Consequently, the increase in thermal efficiency is not appreciable for high compression ratios. Also, when high compression ratios are used, the aire-combustible mix temperature it increase higher than self-ignition fuel temperature during compression, with what causes an early and rapid burning fuel.
The need to avoid the self-ignition imposes a upper limit to compression ratio that can be used by spark ignition internal combustion engines
The second parameter that affects the thermal efficiency of an ideal Otto cycle is the relationship of specific heats, k. For a given compression ratio, an ideal cycle employing a monatomic gas as a working fluid will have high thermal efficiency. The relationship of specific values (k), and therefore the thermal efficiency of an ideal Otto cycle decreases when the working fluid molecules are larger. At room temperature, this value is 1.4 for air, 1.3 for 1.2 for ethane and carbon dioxide.
The work fluid in real machines contains larger molecules such as carbon dioxide, and k decreases with temperature, which is one of the reasons why real cycles are lower than the cycle thermal efficiencies ideal Otto. The thermal efficiency of real machines ignition varies from approximately 25-30 %.
Efic
ienc
ia t
érm
ica,
The
rmal
effi
cien
cy.
Relación de compresión, rc. Compression ratio.
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Trabajo del Motor, tasa de trabajo por unidad flujo de entalpía.
La relación adimensional de trabajo
(potencia) al flujo de entalpía a través del
motor está dada por
A menudo se desea aumentar esta
cantidad, porque significa un motor más
pequeño para la misma potencia. La
entrada de calor viene dado por
donde
∆hfuel es el calor de reacción, es decir, la
energía química liberada por unidad de
masa de combustible,
mfuel es el flujo másico de combustible.
La potencia adimensional es
Las cantidades en esta ecuación,
evaluadas en condiciones estequiométricas
son:
entonces
Engine work, rate of work per unit
enthalpy flux
The non-dimensional ratio of work done
(the power) to the enthalpy flux through
the engine is given by
There is often a desire to increase this
quantity, because it means a smaller
engine for the same power. The heat
input is given by
where
∆hfuel is the heat of reaction, i.e. the chemical energy liberated per unit mass of fuel,
is the fuel mass flow rate.
The non-dimensional power is
The quantities in this equation,
evaluated at stoichiometric conditions
are:
so
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Ciclo Diesel
El ciclo de diesel es un motor de encendido por compresión (en lugar de encendido por chispa). El combustible atomizado se inyecta en el cilindro en p2 (alta presión) cuando la compresión se completa, y hay encendido sin una chispa. En la figura se muestra un ciclo idealizado de motor diesel.
El ciclo diesel es el ciclo ideal para motores de encendido por compresión. La bujía es sustituida por un inyector de combustible en los motores diesel. En este motor se asume que la adición de calor se produce durante un proceso a presión constante que se inicia con el pistón en el punto muerto
superior.
El ciclo de aire estándar diesel consiste de la siguiente secuencia de procesos internos reversibles:
1. Compresión isentrópica 2. Adición de calor a presión constante 3. Expansión isentrópica 4. Rechazo de calor de volumen constante
Diesel Cycle
The Diesel cycle is a compression ignition (rather than spark ignition) engine. Fuel is sprayed into the cylinder at p2 (high pressure) when the compression is complete, and there is ignition without a spark. An idealized Diesel engine cycle is shown in Figure.
The diesel cycle is the ideal cycle for compression ignition engines. The spark plug is replaced by fuel injector in diesel engines. In diesel engine it is assumed that the heat addition occurs during a constant pressure process that starts with the piston at top dead center.
The air standard diesel cycle consists of the following internally reversible processes in series:
1. Isentropic compression 2. Constant pressure heat addition 3. Isentropic expansion 4. Constant volume heat rejection
QA
QR
Adiabático reversible Adiabatic reversible
1
2
3
4
P = Cte.
V = Cte.
Ciclo ideal Diesel (Motor diesel de aire estándar)
The ideal Diesel cycle (Air standard diesel) engine))cycle
T
s
QA
QR
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Eficiencia del motor diesel:
La eficiencia térmica viene dada por
Las carreras de compresión y de trabajo de este ciclo idealizado son adiabáticas, La eficiencia se puede calcular a partir de los procesos de presión constante y volumen constante. Las energías de entrada y salida y la eficiencia pueden ser calculadas a partir de las temperaturas y calores específicos:
En el motor diesel,
Suposición de aire frio Luego la eficiencia térmica está dada por: Las carreras de compresión y de trabajo de este ciclo idealizado son adiabáticos reversibles, entonces
Efficiency of diesel engine:
Thermal efficiency is given by
The compression and power strokes of this idealized cycle are adiabatic, the efficiency can be calculated from the constant pressure and constant volume processes. The input and output energies and the efficiency can be calculated from the temperatures and specific heats:
In diesel engine,
Cold air assumptions: Then the thermal efficiency is given by:
The compression and power strokes of this idealized cycle are adiabatic reversible, then
A
neto
q
w
A
R
A
RA
q
q
q
1
)(
)(1
23
14
TTc
TTc
p
v
1
)1(11
2
3
1
4
2
1
T
T
T
T
T
T
k
k
V
V
p
p
2
1
1
2
1
12
12
k
c
k
c
rTT
rpp
k
V
V
p
p
3
1
4
3
qA = h3-h2
qR = u4-u1
qA = Cp(T3-T2)
qR = Cv(T4- T1)
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Una nueva cantidad se define para motor diesel. La proporción de corte que rc se define como la proporción de los volúmenes de cilindro después y antes del proceso de combustión: Es conveniente expresar esta eficiencia en términos de la relación de compresión rC = V1/V2 y la relación de expansión rE = V1/V3. Se puede escribir la eficiencia y esta se puede reorganizar a la forma O también Este ciclo puede funcionar a una mayor relación de compresión que el ciclo Otto porque sólo se comprime aire y no hay riesgo de auto-ignición del combustible. Aunque para una relación de compresión dada el ciclo Otto tiene una mayor eficiencia, sin embargo el motor diesel puede ser operado a mayor relación de compresión que el ciclo Otto, por lo que puede tener en la práctica una mayor eficiencia cuando ambos operan con relaciones de compresión que pueden lograrse en la práctica.
A new quantity is defined for diesel engine. The cutoff ratio rc is defined as the ratio of the cylinder volumes after and before the combustion process:
It is convenient to express this efficiency in terms of the compression ratio rC = V1/V2 and the expansion ratio rE = V1/V3.
The efficiency can be written
and this can be rearranged to the form or This cycle can operate with a higher compression ratio than the Otto cycle because only air is compressed and there is no risk of auto-ignition of the fuel. Although for a given compression ratio the Otto cycle has higher efficiency, because the Diesel engine can be operated to higher compression ratio, the engine can actually have higher efficiency than an Otto cycle when both are operated at compression ratios that might be achieved in practice.
2
3
V
VrA
3
1
3
4
V
V
V
VrE
CAE rrr
1)1(11
11
A
k
A
k
C r
r
rk
11
)(11
CE
k
C
k
E
rr
rr
k
EC
k
E
k
E
k
C
k
C rrr
rr
rk
11
)(111
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Página | 25
Bajo condiciones de aire frio estándar la eficiencia del un ciclo Diesel es menor que la del ciclo Otto, cuando ambos ciclos operan en la misma relación de compresión. Así mismo cuando la relación de corte disminuye, la eficiencia del ciclo Diesel aumenta. Para el caso límite de ra=1, las eficiencias de los ambos ciclos son iguales.
Ciclo Otto vs. Ciclo Diesel
El motor de combustión interna de diesel difiere el ciclo de Otto a gasolina por el uso de una mayor compresión del combustible para encender el combustible en lugar de utilizar una bujía ("encendido por compresión" en lugar de "encendido por chispa").
En el motor diesel, el aire es comprimido adiabáticamente con una relación de compresión normalmente entre 15 y 20. Esta compresión eleva la temperatura a la temperatura de ignición de la mezcla de combustible que se forma por la inyección de combustible, una vez que el aire es comprimido.
El ciclo ideal de aire estándar se modela como una compresión adiabática reversible, seguida de un proceso de combustión a presión constante, a continuación, una expansión adiabática como carrera de trabajo y un escape isovolumétrico. Una nueva carga de aire es aspirada al final de la carrera de escape.
Low conditions standard cold air efficiency of the diesel cycle is less than the Otto, cycle when both cycles operating in the same compression ratio. Likewise when the cutting relationship decreases, the efficiency of the diesel cycle increases. If ra = 1, both cycles efficiencies are equal.
Otto Cycle vs. Diesel Cycle
The diesel internal combustion engine differs from the gasoline powered Otto cycle by using a higher compression of the fuel to ignite the fuel rather than using a spark plug ("compression ignition" rather than "spark ignition").
In the diesel engine, air is compressed adiabatically with a compression ratio typically between 15 and 20. This compression raises the temperature to the ignition temperature of the fuel mixture which is formed by injecting fuel once the air is compressed.
The ideal air-standard cycle is modeled as a reversible adiabatic compression followed by a constant pressure combustion process, then an adiabatic expansion as a power stroke and an isovolumetric exhaust. A new air charge is taken in at the end of the exhaust, as indicated by the processes.
Relación de compresión, rc
ƞdie
se
l
Relaciones de
compresión típicas para
motores de Diesel
ra=1 (Otto)
ra=3 ra=2
Eficiencia térmica vs. Relación de compresión. Thermal efficiency & compression ratio
Apuntes de Clase
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Página | 26
En motores de encendido por chispa, la relación de compresión está limitada por la temperatura de autoignición del combustible. Los motores diesel no tienen esta limitación por comprimir el aire y combustible por separado y reunirlos en el momento de la combustión. En esta disposición se inyecta combustible en el cilindro que contiene el aire comprimido a una temperatura más alta que la temperatura de autoignición del combustible. Una vez inyectado, el combustible se auto inflama sin necesidad de un sistema de encendido.
El ciclo de diesel es similar al ciclo de Otto, la principal diferencia está en el proceso de adición de calor. En el ciclo de diesel, la adición de calor tiene lugar a presión constante, mientras que en el ciclo de Otto es a volumen constante. Por esta razón, el ciclo de diesel a menudo se hace referencia como el ciclo de presión constante
El ciclo de diesel es el proceso de combustión de un tipo de motor de combustión interna en el que la combustión del combustible no se activa por una bujía como en el ciclo de Otto, sino más bien por el calor generado en la mezcla del combustible y aire comprimidos.
En el ciclo de Otto el combustible y el aire se mezclan fuera el cilindro y son introducidos en él a través de la válvula de admisión. A continuación la mezcla se comprime e inflama en el momento adecuado con una bujía. Este es el instante en que la carga se enciende justo antes de que el pistón llegue a la parte superior de carrera de compresión, y en el instante en que la combustión acaba el pistón inicia su movimiento de retroceso. Esto significa que la adición de calor ocurre a un volumen constante, así que la presión y temperatura de la carga aumenta considerablemente.
En el ciclo de diesel sólo aire es aspirado y comprimido en el motor. A continuación, se inyecta el combustible directamente en el cilindro con un inyector de combustible de alta presión cuando el pistón llega a la parte superior de su movimiento. El diesel es más espeso y se quema más lentamente que la gasolina, por lo que el pistón ya avanza hacia abajo en el momento en que la combustión se completa. Por lo tanto el diesel, realmente, pierde parte de la energía potencial de la carga, energía que captura el ciclo de Otto, si bien es menos estresante en el motor.
In spark ignition engines, the upper limit of compression ratio is limited by the self-ignition temperature of the fuel. Diesel engines circumvent this limitation by compressing the fuel and air separately and bringing them together at the time of combustion. In this arrangement fuel is injected into the cylinder which contains compressed air at a higher temperature than the self-ignition temperature of the fuel. Once injected, the fuel ignites on its own accord without the need of an ignition system.
The Diesel cycle is similar to the Otto cycle, the main difference being in the process of heat addition. In the Diesel cycle, the heat addition takes place at constant pressure whereas in the Otto cycle it is at a constant volume. For this reason, the Diesel cycle is often referred as the constant-pressure cycle
The diesel cycle is the combustion process of a type of internal combustion engine in which the burning of the fuel is triggered not by a spark plug as in the Otto cycle, but rather by the heat generated in compressing the fuel-air mixture.
In the Otto cycle the fuel and air are mixed outside the cylinder and drawn into it through the intake valve. The mixture is then compressed, and ignited at the right time with a spark plug. This is timed so that the charge is ignited just before the piston reaches the top of the compression stroke, and by the time the combustion is complete it has just started its downward motion. This means that the heating takes place at a constant volume, so the pressure and temperature of the charge increases dramatically.
In the Diesel cycle only air is drawn into the engine and compressed. The fuel is then injected directly into the cylinder with a high-pressure fuel injector when the piston reaches the top of its motion. The fuel is thicker and burns more slowly than petrol, so the piston is already moving down by the time the combustion completes. Thus the Diesel actually loses some of the potential energy of the charge, energy that the Otto cycle captures, although it is less stressful on the engine.
Apuntes de Clase
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Página | 27
Dado que el motor Diesel no es tan eficaz, en teoría, como un motor de ciclo Otto y también es más complejo debido a la naturaleza de los inyectores, puede sorprender que sea ampliamente utilizado. Sin embargo, la clave del ciclo Diesel es que no hay la posibilidad que el combustible cause la temida condición en el ciclo de Otto conocido como golpeteo (pistoneo). Que se produce cuando se inflama el combustible en el momento equivocado, normalmente por el calor mientras la mezcla se comprime o entra en contacto con los puntos calientes dentro del cilindro. A fin de evitar el problema, los motores de ciclo Otto a menudo se ejecutan a presiones y temperaturas más bajas que las que teóricamente son capaces de soportar.
En el Diesel este problema simplemente no puede suceder, porque el combustible no está en el motor hasta el momento exacto en que sea necesario. Esto permite que el Diesel se ejecute a relaciones de compresión más altas, normalmente el doble de un motor de Otto del mismo tamaño. Dado que eficiencia está fuertemente relacionada con la relación de compresión, el motor diesel es considerablemente más eficaz a una potencia similar que Otto, en la práctica. De hecho, el motor diesel tiene el consumo de combustible específico más bajo de cualquier gran motor, 0,26 lb/hp.h (0,16 kg/kWh) para grandes motores marinos.
Además es más fácil hacer un combustible de combustión más lenta que la gasolina, lo que significa que el combustible diesel es más común y menos costoso producir. El combustible diesel también tiene más energía para un volumen dado que la gasolina, lo que significa que ocupa menos espacio y longer-range es un beneficio común. A la baja, el combustible más lento grabación lleva a RPM máxima más lento y, por lo tanto, más pequeño rango RPM.
El combustible utilizado en motores diesel es químicamente idéntico al aceite de calefacción doméstica. Sin embargo, el precio del combustible diesel normalmente incluye un impuesto de carretera, mientras que el aceite de calefacción doméstica no lo hace, y por lo tanto, es generalmente ilegal para utilizar el aceite de calefacción más barato como combustible diesel.
Given that the Diesel is not as efficient, in theory, as an Otto cycle engine, and is also more complex due to the nature of the injectors, it may be surprising that it is used at all. However the key to the Diesel cycle is that the fuel cannot possibly cause the dreaded condition in the Otto cycle known as knock (or ping). Knock occurs when the fuel ignites at the wrong time, typically from heating while it is being compressed, or coming into contact with hot spots inside the cylinder. In order to avoid the problem, Otto cycle engines are often run at lower pressures and temperatures than they are theoretically capable of.
In the Diesel this problem simply can't
happen, because the fuel isn't in the
engine until the exact moment it is
needed. This allows the Diesel to be run at
much higher compression ratios, typically
double that of an Otto engine of the same
size. Since efficiency is strongly related to
compression ratio, in practice the Diesel
engine is considerably more efficient than
a similar power Otto. In fact the Diesel
engine has the lowest specific fuel
consumption of any large engine, 0.26
lb/hp.h (0.16 kg/kWh) for very large
marine engines.
In addition it is easier to make a slower-burning fuel than petrol, which means that diesel fuel is less expensive to produce and more common. Diesel fuel also has more energy for a given volume than petrol, meaning it takes up less room and longer-range is a common benefit. On the downside, the slower-burning fuel leads to slower maximum RPM, and thus smaller RPM range.
The fuel used in diesel engines is
chemically identical to home heating oil.
However, the price of diesel fuel typically
includes a road tax while home heating oil
does not, and hence it is generally illegal
to use the cheaper heating oil as diesel
fuel.
Apuntes de Clase
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Página | 28
Ciclo de presión limitada ( o Ciclo Dual)
Ciclo dual
Aproximar el proceso de combustión en los motores de combustión interna como un proceso de adición de calor a volumen constante o a presión constante es sólo un enfoque simplificado. Una aproximación más precisa sería modelar el proceso de combustión como una combinación de dos procesos de adición de calor: uno a volumen constante y otro a presión constante. El ciclo ideal según este enfoque se denomina ciclo dual.
Este ciclo también se denomina ciclo dual,
que se muestra en la figura. Aquí la adición de calor se produce en parte a volumen constante y en parte a presión constante. Este ciclo es una aproximación más cercana al comportamiento real de los motores Otto y diesel, porque en los motores reales, el proceso de combustión no se produce exactamente a volumen constante o a presión constante, sino más bien como en el ciclo dual. Proceso 1-2: Compresión adiabática reversible. Proceso 2-3: Adición de calor a volumen constante. Proceso 3-4: Adición de calor a presión constante. Proceso 4-5: expansión adiabática reversible. Proceso 5-1: Rechazo de calor a volumen constante.
Limited Pressure Cycle (or Dual Cycle): Dual cycle
Approximating the combustion process in internal combustion engines as a constant volume or a constant pressure heat addition process is only a simplistic approach. More accurate approach would be to model the combustion process as a combination of two heat-transfer processes: one at constant volume and the other at constant pressure. The ideal cycle based on this approach is called dual cycle.
This cycle is also called as the dual cycle, which is shown in Figure. Here
the heat addition occurs partly at constant volume and partly at constant pressure. This cycle is a closer approximation to the behavior of the actual Otto and Diesel engines because in the actual engines, the combustion process does not occur exactly at constant volume or at constant pressure but rather as in the dual cycle.
Process 1-2: Reversible adiabatic compression. Process 2-3: Constant volume heat addition. Process 3-4: Constant pressure heat addition. Process 4-5: Reversible adiabatic expansion. Process 5-1: Constant volume heat
rejection.
2
3
3
4
2
1
p
pr
V
Vr
V
Vr
P
c
v
Apuntes de Clase
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Rendimiento Térmico
La eficiencia térmica esta dada por En el ciclo dual, Hipótesis de aire estándar: Entonces la eficiencia térmica está dada por:
Thermal efficiency
Thermal efficiency is given by
In dual cycle, Cold air assumptions:
Then the thermal efficiency is given by:
)1(1
111
1cpp
kcp
kv rkrr
rr
r
2
3
3
4
2
1
p
pr
V
Vr
V
Vr
P
c
v
A
neto
q
w
pAvA
R
A
RA
q
q
,,
1
)()(
)(1
)()(
)(1
2323
15
3423
15
TTkTT
TT
TTcTTc
TTc
PV
V
qA,v = u3-u2
qA,p=h4-h
qR = u5-u1
qA,v = Cv(T3-T2)
qA,p = Cp(T4-T3)
qR = Cv(T5- T1)
Apuntes de Clase
Docente: Emilio Rivera Chávez
Página | 30
PROBLEMAS
1.- Se desea diseñar un ciclo de aire estándar de Otto de acuerdo con las siguientes especificaciones: Presión al inicio del proceso de compresión = 101 kPa Temperatura al inicio del proceso de compresión = 300 K Razón de compresión =8 Presión Máxima durante el ciclo = 8.0 MPa.
a) Trácese el ciclo en los diagramas T-s y p-V; b) Determínese la eficiencia térmica del ciclo; c) Determínese la cantidad de calor agregado, en kJ/kg; d) Determínese la presión media efectiva.
Resp. b) 56.5% c)1634 kJ/kg d)1238 kPa.
2.- Trácese en un diagrama T-s un ciclo de aire estándar de Otto, superponiendo después un segundo ciclo Otto con las mismas condiciones de entrada y a la misma cantidad de calor añadida, pero con mayor razón de compresión. Muéstrese, mediante la comparación de áreas en el dicho diagrama T-s, que el segundo ciclo posee una mayor eficiencia térmica que el primero.
3.- Un Ciclo de Otto ideal tiene una relación de compresión de 8. Al principio del proceso de compresión, el aire está a 95 kPa y 27 C, y se transfieren 750 kJ/kg de calor hacia el aire durante el proceso de adición de calor a volumen constante. Tome en cuenta la variación de los calores específicos con la temperatura y determine a) la presión y la temperatura al final del proceso de adición de calor, b) la salida neta de trabajo, c) La eficiencia térmica y d) la presión media efectiva para el ciclo.
Resp: a) 3898 kPa, 1539 K; b) 392.4 kJ; c) 52.3%, d) 495 kPa.
4.- Se tiene un motor que opera en el ciclo diesel ideal con aire como fluido de trabajo. Al inicio del proceso de compresión el volumen del cilindro es de 1200 cm
3, 75 cm
3 al final y 150
cm3 después del proceso de adición de calor.
También al inicio del proceso de compresión el aire está a 17
oC y 100 kPa. Determine a) la
presión al principio del proceso de rechazo de calor, b) el trabajo neto por ciclo, en kJ y c) la presión media efectiva.
5.- Un ciclo dual ideal tiene una relación de compresión de 12 y emplea aire como el fluido de trabajo. Al principio del proceso de compresión el aire está a 14.7 psia y 90
0F y
ocupa un volumen de 75 pulg3. Durante el
proceso de adición de calor, 0.3 Btu a presión constante. Utilice calores específicos constantes
evaluados a temperatura ambiente y determine la eficiencia térmica del ciclo.
Resp. 59.4%
6.- Trácese en un diagrama T-s un ciclo de aire estándar de Otto, superponiendo después un ciclo de Diesel con las mismas condiciones de entrada, la misma cantidad de calor añadida y a la misma presión máxima durante el ciclo. Muéstrese, mediante la comparación de áreas en el dicho diagrama T-s, que el ciclo de Diesel posee una mayor eficiencia térmica que el ciclo de Otto.
7.- An ideal Otto cycle has a compression ratio of 8. At the beginning of the compression process, the air is at 100 KPa and 17
oC, and 800 KJ/Kg of heat is
transferred to air during the constant-volume heat-addition process. Accounting for the variation of specific heats of air with temperature, determine (a) the maximum temperature and pressure that occur during the cycle, (b) the net work output, (c) the thermal efficiency, and (d) the mean effective pressure for the cycle
8.- An automobile engine, which can be
modeled as a four-stroke Otto cycle using
cold air standard analysis, has a
displacement of 5 liters, a compression ratio
of 7.5, and operate at 3000 RPM. At the
beginning of the compression stroke, the air
is at 27 0C, 100 kPa and the maximum cycle
temperature is 1027 0C. What is the rate at
which heat is added to this cycle? Resp.
65.5 kW.
9.-. An air-standard Diesel cycle has a
compression ration of 18 and a cutoff ratio of
2. At the beginning of the compression
process, air is at 0.1 MPa and 27oC.
Determine (a) the temperature and pressure
at the end of each process of the cycle, (b)
the thermal efficiency, (c) the mean effective
pressure
10.- . At the start of the compression stroke,
the air in an Otto cycle is at 27 0C, 100 kPa.
This cycle has a compression ratio of 9 and
maximum cycle temperature of 1027 0C.
Using cold air standard analysis, what is the
temperature of the air at the air the end of
the compression stroke? Resp. 450 0C.
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Bibliografía:
Ingeniería termodinamica, Francis F. Huang, CECSA, 2003
Termodinamica, Yunus A. Cengel, Michael a. Boles, McGraw-Hill, V edición.
Engineering Thermodynamics, William C. Reynolds and Henry C. Perkins, McGraw-Hill Book Company, 1977
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ANEXO 1
Demonio de Maxwell De Wikipedia, la enciclopedia libre
El Demonio de Maxwell es el nombre de una criatura imaginaria ideada en 1867 por el físico escocés James
Clerk Maxwell como parte de un experimento mental diseñado para ilustrar la Segunda Ley de la
Termodinámica. Esta ley prohíbe que entre dos cuerpos a diferente temperatura se pueda transmitir el calor del
cuerpo frío al cuerpo caliente. La segunda ley también se expresa comúnmente afirmando: "En un sistema
aislado la entropía nunca decrece". En la primera formulación el demonio de Maxwell sería una criatura capaz
de actuar a nivel molecular seleccionando moléculas calientes y moléculas frías separándolas. El nombre
"Demonio" proviene aparentemente de un juego de cartas solitario conocido en Gran Bretaña en el que se
debían ordenar cartas rojas y blancas análogas a moléculas calientes y frías. El demonio de Maxwell aparece referenciado también como Paradoja de Maxwell.
Contenido
1 Formulación tradicional del demonio de Maxwell o 1.1 Posible resolución de la paradoja o 1.2 Versiones "reales" del demonio de Maxwell
2 Referencias
Formulación tradicional del demonio de Maxwell
Partimos inicialmente de la premisa de que el demonio es capaz de diferenciar entre moléculas de gas a diferente
temperatura, y separarlas en función de dicho factor.
Aprovechando este colaborador, podríamos construir una
máquina térmica con un 100% del rendimiento.
El diseño sería el siguiente: Imaginemos una mezcla
equimolar de dos gases A y B, ambos con diferente calor
específico (con lo cual es de suponer que, a iguales
condiciones, las moléculas de uno de los dos se muevan
a mayor velocidad que las del otro); contenida en un
recipiente ideal en el que tenemos una pared intermedia que separa el recipiente en dos mitades, unida a un
émbolo que sale del recipiente; y dotada de una "puerta"
controlada por nuestro demonio.
Si por ejemplo, el calor específico de A es mayor que el de B, nuestro demonio se pondrá a trabajar y en un lapso determinado nos habrá separado (por el simple método de abrir selectivamente la puerta a las moléculas
más rápidas para que pasen al otro lado del recipiente) los dos gases; "violando" la segunda ley de la
termodinámica -ha habido disminución de la entropía del sistema-. El ciclo de la máquina se completa abriendo
la puerta, y dejando que A vuelva a mezclarse con B (el movimiento espontáneo para tender de nuevo al estado
de entropía máxima del sistema originará un cambio del volumen del lado en el que se encuentra B),
provocando así el movimiento de la pared y con ella del émbolo, produciendo así un trabajo (se supone que
entre la pared central unida al émbolo y el resto del recipiente no hay fricción). La entropía puede disminuir,
por ejemplo si tu enfrías un gas, no existen irreversibilidades, y por tanto la producción de entropia es nula,
además el calor sería negativo pues el sistema lo pierde; por tanto recordando la formulación matemática del
segundo principio obtenemos que el incremento de entropía en negativo, con lo cual la entropía decrece.
Posible resolución de la paradoja
Leó Szilárd resolvió en 1959 la paradoja de Maxwell al formular los aspectos relativos a la información y
energía necesaria para la interacción entre el demonio y el sistema. Szilard se percató de que nuestro
"Demonio" no es un trabajador desinteresado. El mero hecho de poder distinguir entre A y B requiere de un
aporte de energía y de una interacción con el sistema. La energía invertida en "capacidad de decisión" es la que
se utiliza para separar ambos gases. En otras palabras, la Segunda ley de la termodinámica no puede violarse
El demonio de Maxwell separa las moléculas de los gases A y B.
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por sistemas microscópicos con información. La paradoja de Maxwell ha dado lugar a una amplia
investigación en los aspectos fundamentales de la termodinámica y la teoría de la información.
Léon Brillouin, inspirado en el trabajo de Szilard enunció el teorema por el cual se relaciona la información
con la entropía negativa. Enunciado sencillamente este teorema dice que toda medida, o adquisición de
información, requiere un gasto energético.
Versiones "reales" del demonio de Maxwell
Versiones reales de demonios de Maxwell (con su capacidad de disminuir la entropía equilibrada por el
aumento de ésta en su construcción o interacción con el medio) pueden encontrarse prácticamente en la
totalidad de los sistemas biológicos que son capaces de disminuir localmente la entropía pero a costa de gastar
energía extraída de sus alimentos. Un ejemplo utilizado frecuentemente es la acción de determinadas enzimas,
proteínas capaces de catalizar reacciones químicas en los organismos vivos. Su capacidad de decisión,
consistente en reconocer a sus materias primas y las acciones a desempeñar están codificadas —en términos de
información— en la propia secuencia de aminoácidos de la proteína.
En el emergente campo de la nanotecnología también se estudian mecanismos capaces de disminuir localmente
la entropía y de comportarse en cierta forma como un demonio de Maxwell. En todos los casos la Segunda ley
de la termodinámica se preserva si se tiene en cuenta la energía utilizada en la adquisición y utilización de la información
Referencias
Feynman, Richard P., Feynman Lectures on Computation (Perseus: 1996). ISBN 0-201-48991-0.
Charles H. Bennett, "Demons, Engines and the Second Law", Scientific American, pp.108-116 (November, 1987).
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ANEXO 2
Octanaje y rendimiento de la gasolina http://www.automotriz.net/index.html
¿Qué es el octanaje?
El "Número de Octano" se refiere exclusivamente a la
cualidad antidetonante de la gasolina. El octanaje no es otra cosa
que la medida de la cualidad antidetonante que se requiere en el combustible para resistir la tendencia a la detonación o
autoencendido, por lo que el número de octano requerido
depende directamente de la relación de compresión del motor.
Con el nivel de octanaje adecuado se evita la detonación y se logra un solo foco de llama dado para el encendido en el
momento preciso, con lo cual se logra una combustión pareja y
efectiva.
El exceso de octanaje por sobre lo requerido por un motor
no agrega mayores beneficios, ni en términos de potencia, suavidad ni de rendimiento, sino tan solo
un costo adicional innecesario en dinero para los consumidores y puede generar una mayor contaminación al medio ambiente. El exceso de octanaje involucra un costo adicional innecesario.
No existe mayor potencia a mayor octanaje
Un exceso de octanaje por sobre lo requerido de acuerdo con la relación de compresión del
motor, no agrega mayor potencia. En efecto, no existe relación directa entre mayor octanaje y mayor
potencia, puesto que como dijimos, la mayor potencia depende de la relación de compresión, la que
no se ve alterada de modo alguno por el nivel de octanaje. Además de la relación de compresión, existen otros aspectos relacionados con el diseño mecánico (geometría) que determinan el octanaje
más adecuado para cada motor, y es por esto que Shell siempre ha sostenido que es el fabricante de
motores quién mejor determina experimentalmente los requerimientos específicos de octanaje de
cada motor.
No existe mayor rendimiento a mayor octanaje
Cabe tener presente que en un motor a combustión, el rendimiento en términos de número de
kilómetros que es posible recorrer por cada litro de combustible, no tiene ninguna relación positiva
con el Número de Octano. En otras palabras, no existe una relación directa entre octanaje y rendimiento que permita afirmar que a mayor octanaje se obtendrá un mayor rendimiento. En
relación con el octanaje, el máximo y el óptimo rendimiento se logra justo con el octanaje preciso. Es
decir, si bien un menor octanaje que el requerido puede generar un menor rendimiento (por causa de una eventual combustión desorganizada motivada por una detonación), un mayor octanaje que el
requerido no contribuirá a un rendimiento superior.
Exceso de octanaje mayor contaminación
Otra consecuencia de una incorrecta selección de la
gasolina, es el nivel de gases contaminantes emitidos. Las
gasolinas sin plomo presentan contenidos de compuesto aromáticos que se incorporan y utilizan precisamente para obtener
el nivel de octano (cualidad antidetonante) que se requiere para
controlar el efecto de detonación, de modo tal que a mayor
octanaje mayor es el nivel de compuestos aromáticos que se incorporan a la gasolina. Por tanto, ya que por diseño la mezcla
gasolina/aire no detona sino hasta comprimirse totalmente por la
acción del octanaje recomendado, cualquier exceso aumenta
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innecesariamente la cantidad de compuestos aromáticos presentes en los gases evacuados del
cilindro, los cuales salen al exterior por el escape, aumentando la contaminación del aire. Es así que cualquier disminución que se obtenga en los contenidos de compuestos aromáticos en las gasolinas
sin plomo, favorece a una menor generación de hidrocarburos (partículas), menos generación de CO
y fundamentalmente una fuerte reducción de compuesto tóxicos.
El consumidor puede optimizar
Es por todas estas razones, Shell fue la primera en ofrecer a los consumidores gasolina sin
plomo de distinto octanaje (93, 95 y también 97) para que los consumidores puedan escoger
libremente, de acuerdo con la recomendación del fabricante, el octanaje que más le convenga de
acuerdo con las características de su motor y con el mínimo impacto al medio ambiente. Adicionalmente, con el fin de informar debidamente a los consumidores, Shell ha distribuido de
tiempo en tiempo folletos explicativos sobre el octanaje, incluyendo el detalle del octanaje
recomendado por los distintos fabricantes de automóviles presentes en Latinoamérica.
Lo aconsejable en materia de octanaje
Hoy en día este tema ya se encuentra totalmente resuelto a nivel mundial y nadie discute que lo más razonable es aconsejar lo siguiente:
A los consumidores les conviene comprar la gasolina de más bajo
octanaje que sus automóviles puedan utilizar sin que sus motores
detonen o "cascabeleen". Si un automóvil funciona bien, sin detonación o cascabeleo, no necesita y no se desempeñará mejor con gasolina de
más alto octanaje. Lo recomendable es consultar el manual del
fabricante del automóvil para averiguar cuál es el nivel de octanaje
recomendado.
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Naftas
¿Qué es el Número de Octano?
Un motor de combustión interna funciona adecuadamente cuando la onda de expansión iniciada por la chispa de la bujía, se mueve rápida y suavemente por la cámara de combustión.
El Número de octano es la capacidad antidetonante de una nafta; es la propiedad que asegura la estabilidad al encendido de la nafta, hasta el momento en que salta la chispa. Una nafta con un número de octano inferior al requerido por el motor, no soporta las condiciones de presión y temperatura de la cámara, autoinflamándose antes de la aparición de la chispa de la bujía, lo que origina el fenómeno de “pistoneo”.
¿Cómo se determina el Número de Octano?
El Número de Octano se determina en un motor monocilíndrico Waukesha, que permite variar el volumen de la cámara de combustión, y con ello la relación de compresión. Para la determinación del Número de Octano, en 1926 se creó la escala de octano, que sirve para medir la capacidad antidetonante de las naftas. A partir de ello, se determinó que el 100 de la escala es el 2,2,4 trimetil pentano (conocido como iso-octano); para el 0 se definió al n-heptano, hidrocarburo detonante de primer orden. Mezclando ambos hidrocarburos se producen los combustibles de referencia que podrán ser comparados con cualquier nafta que se quiera determinar el número de octano. Por ejemplo: si se
mezcla 98% de iso-octano y 2% de n-heptano, se obtiene una mezcla con número octano 98.
¿Cuántos Números de Octano existen?
Existen dos formas de medir el número de octano:
RON: Número de Octano Research.
MON: Número de Octano Motor.
El RON se mide en condiciones de bajas revoluciones, en el momento del pique; el MON se mide con altas revoluciones, durante la aceleración en ruta.
Los distintos grados de combustibles fueron diseñados para cubrir diferentes relaciones de compresión. Lo que ocurriría es que al no suministrarle al vehículo la calidad octánica que el mismo necesita, su funcionamiento se vería afectado detectándose problemas de pistoneo y baja respuesta ante exigencias.
Cada motor está diseñado para trabajar con una determinada relación de compresión y de acuerdo a esa relación se requiere el uso de una nafta de valor octánico definido. Si se usara un producto de menor Número de Octano al recomendado, ocurrirían problemas de pistoneo o golpeteo, con la consecuente falta de respuesta ante exigencias y el incremento de los depósitos en la cámara de combustión.
Las características de estas naftas, y además el carburador o los inyectores y las válvulas de admisión libres de depósitos, permiten el funcionamiento del motor en condiciones cercanas a las de su diseño, aprovechando al máximo las cualidades del combustible, obteniendo máxima potencia, mayor economía de combustible y menor nivel de emisiones, prolongando la vida útil del motor.
Número de Octano Research (RON) = 98,5 color natural.
Número de Octano Research (RON)= 96,5 color azul.
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Número de Octano Research (RON)= 86 color amarillo.
Las características de esta nafta, y además el carburador o los inyectores y las válvulas de admisión libres de depósitos, dan la máxima respuesta al pie en el acelerador,
máxima potencia, mayor economía de combustible y menor nivel de emisiones, además de prolongar la vida útil del motor.
La nafta debe ser libre de metales (plomo, manganeso, hierro). Se recurre a la incorporación de estos aditivos con metales, con el fin de aumentar el Número de Octano. Una nafta de última generación de diseña libre de metales, aspecto que la califica para ser empleada en vehículos provistos con convertidores catalíticos y sonda
Lambda.
El plomo es un producto tóxico para el ser humano y además inutiliza el convertidor catalítico y la sonda Lambda. Con una sola carga de nafta con plomo, el convertidor deja de cumplir su función, "lo envenena". El manganeso reduce la vida útil de convertidor e interfiere en la medición de la sonda Lambda, responsable de corregir la inyección de combustibles a la cámara de combustión. No sólo disminuye la capacidad de conversión del convertidor catalítico, sino que afecta la regulación de la inyección por señales erróneas de la sonda Lambda. La Word Wide Fuel Charter (acuerdo técnico elaborado entre las más importantes terminales automotrices del mundo) no permite el agregado de éstos aditivos metálicos en las naftas, por los inconvenientes detallados.
Eliminación del agregado de metales (plomo, hierro, manganeso).
Menor contenido de benceno.
Mínimas emisiones.
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ANEXO 3
Fuel octane rating Main article: Octane rating Internal combustion engine power primarily originates from the expansion of gases in the power stroke.
Compressing the fuel and air into a very small space increases the efficiency of the power stroke, but
increasing the cylinder compression ratio also increases the heating of the fuel as the mixture is compressed
(following Charles's law).
A highly flammable fuel with a low self-ignition temperature can combust before the cylinder reaches top-
dead-center (TDC), potentially forcing the piston backwards against rotation. Alternately, a fuel which self-
ignites at TDC but before the cylinder has started downwards can damage the piston and cylinder due to the
extreme thermal energy concentrated into a very small space with no relief. This damage is often referred to as
engine knocking and can lead to permanent engine damage if it occurs frequently.
The octane rating is a measure of the fuel's resistance to self-ignition, by increasing the temperature at which it
will self-ignite. A fuel with a greater octane rating allows for a much higher compression ratio without the risk
of damage due to self-ignition.
Diesel engines rely on self-ignition for the engine to function. They solve the engine damage problem by
separately injecting high-pressure fuel into the cylinder shortly before the piston has reached TDC. Air without
fuel can be compressed to a very high degree without concern for self-ignition, and the highly pressurized fuel
in the fuel injection system cannot ignite without the presence of air.
Power output limit
The four-stroke cycle
1=TDC
2=BDC
A: Intake
B: Compression
C: Power
D: Exhaust
The maximum amount of power generated by an engine is determined by the maximum amount of air ingested. The amount of power generated by a piston engine is
related to its size (cylinder volume), whether it is a two-stroke or four-stroke design, volumetric efficiency,
losses, air-to-fuel ratio, the calorific value of the fuel, oxygen content of the air and speed (RPM). The speed is
ultimately limited by material strength and lubrication. Valves, pistons and connecting rods suffer severe
acceleration forces. At high engine speed, physical breakage and piston ring flutter can occur, resulting in
power loss or even engine destruction. Piston ring flutter occurs when the rings oscillate vertically within the
piston grooves they reside in. Ring flutter compromises the seal between the ring and the cylinder wall which
results in a loss of cylinder pressure and power. If an engine spins too quickly, valve springs cannot act quickly
enough to close the valves. This is commonly referred to as 'valve float', and it can result in piston to valve
contact, severely damaging the engine. At high speeds the lubrication of piston cylinder wall interface tends to
break down. This limits the piston speed for industrial engines to about 10 m/sec.
Intake/exhaust port flow
The output power of an engine is dependent on the ability of intake (air–fuel mixture) and exhaust matter to
move quickly through valve ports, typically located in the cylinder head. To increase an engine’s output power, irregularities in the intake and exhaust paths, such as casting flaws, can be removed, and, with the aid of an air
flow bench, the radii of valve port turns and valve seat configuration can be modified to reduce resistance. This
process is called porting, and it can be done by hand or with a CNC machine..
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Supercharging
One way to increase engine power is to force more air into the cylinder so that more power can be produced
from each power stroke. This was originally done using a type of air compression device known as a
Supercharger which is powered by the engine crankshaft.
Supercharging increases the power output limits of four-stroke engine, but the supercharger is always running. Continuous compression of the intake air requires some mechanical energy to accomplish, so the supercharger
has a cost of reduced fuel efficiency when the engine is operating at low power levels or when the engine is
simply unloaded and idling.
Turbocharging
The Turbocharger was designed as a part-time method of compressing more air into the cylinder head. It
consists of a two piece, high-speed turbine assembly with one side that compresses the intake air, and the other
side that is powered by the exhaust gas outflow.
When idling, and at low-to-moderate speeds, the turbocharger is not engaged and the engine operates in a
naturally-aspirated manner. When much more power output is required, the engine speed is increased until the
exhaust gases are sufficient to 'spin up' the turbocharger's turbine to start compressing much more air than
normal into the intake manifold.
Turbocharging allows for more efficient engine operation at low-to-moderate speeds, but there is a design
limitation known as turbo lag. The increased engine power is not immediately available, due to the need to
sharply increase engine RPM to spin up the turbo, before the turbo starts to do any useful air compression.
Rod and piston-to-stroke ratio
The rod-to-stroke ratio is the ratio of the length of the connecting rod to the length of the piston stroke. A
longer rod will reduce the sidewise pressure of the piston on the cylinder wall and the stress forces, hence
increasing engine life. It also increases cost and engine height and weight.
A "square engine" is an engine with a bore diameter equal to its stroke length. An engine where the bore
diameter is larger than its stroke length is an oversquare engine, conversely, an engine with a bore diameter
that is smaller than its stroke length is an undersquare engine.
Valvetrain
The valves are typically operated by a camshaft rotating at half the speed of the crankshaft. It has a series of
cams along its length, each designed to open a valve during the appropriate part of an intake or exhaust stroke.
A tappet between valve and cam is a contact surface on which the cam slides to open the valve. Many engines
use one or more camshafts ―above‖ a row (or each row) of cylinders, as in the illustration, in which each cam
directly actuates a valve through a flat tappet. In other engine designs the camshaft is in the crankcase, in
which case each cam contacts a push rod, which contacts a rocker arm which opens a valve. The overhead cam
design typically allows higher engine speeds because it provides the most direct path between cam and valve.
Valve clearance
Valve clearance refers to the small gap between a valve lifter and a valve stem that ensures that the valve completely closes. On engines with mechanical valve adjustment excessive clearance will cause noise from the
valve train. Typically the clearance has to be readjusted each 20,000 miles with a feeler gage.
Most modern production engines use hydraulic lifters to automatically compensate for valve train component
wear. Dirty engine oil may cause lifter failure.
Energy Balance
Otto engines are about 35% efficient - in other words, 35% of the energy generated by combustion is converted
into useful rotational energy at the output shaft of the engine, while the remainder appears as waste heat. [citation
needed]By contrast, a six stroke engine may convert more than 50% of the energy of combustion into useful
rotational energy.
Modern engines are often intentionally built to be slightly less efficient than they could otherwise be. This is
necessary for emission controls such as exhaust gas recirculation and catalytic converters that reduce smog and other atmospheric pollutants. Reductions in efficiency may be counteracted with an Engine control unit using
lean burn techniques. [1]
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ANEXO 4
Octane rating
From Wikipedia, the free encyclopedia
The octane rating is a measure of the resistance of gasoline and other fuels to detonation (engine
knocking) in spark-ignition internal combustion
engines. High-performance engines typically have higher compression ratios and are therefore more
prone to detonation, so they require higher octane
fuel. A lower-performance engine will not
generally perform better with high-octane fuel, since the compression ratio is fixed by the engine
design.
The octane number of a fuel is measured in a test engine, and is defined by comparison with the
mixture of iso-octane and heptane which would
have the same anti-knocking capacity as the fuel under test: the percentage, by volume, of iso-octane
in that mixture is the octane number of the fuel. For example, gasoline with the same knocking characteristics as a mixture of 90% iso-octane and 10% heptane would have an octane rating of 90.
[1]
This does not mean that the gasoline contains just iso-octane and heptane in these proportions, but
that it has the same detonation resistance properties. Because some fuels are more knock-resistant than iso-octane, the definition has been extended to allow for octane numbers higher than 100.
Octane rating does not relate to the energy content of the fuel (see heating value). It is only a
measure of the fuel's tendency to burn in a controlled manner, rather than exploding in an uncontrolled manner.
It is possible for a fuel to have a Research Octane Number (RON) greater than 100, because iso-
octane is not the most knock-resistant substance available. Racing fuels, AvGas, liquefied petroleum
gas (LPG), and alcohol fuels such as methanol or ethanol may have octane ratings of 110 or significantly higher — ethanol's RON is 129 (102 MON, 116 AKI). Typical "octane booster"
gasoline additives include MTBE, ETBE, isooctane and toluene. Lead in the form of tetra-ethyl lead
was once a common additive, but since the 1970s, its use in the United States, and most of the industrialised world has been restricted, and its use is currently limited mostly to aviation gasoline.
Contents 1 Research Octane Number (RON) 2 Motor Octane Number (MON) 3 Anti-Knock Index (AKI) 4 Difference between RON and AKI 5 Examples of octane ratings 6 Effects of octane rating 7 Regional variations 8 References 9 External links
Research Octane Number (RON)
The most common type of octane rating worldwide is the Research Octane Number (RON). RON is determined by running the fuel in a test engine with a variable compression ratio under controlled
conditions, and comparing the results with those for mixtures of iso-octane and n-heptane.
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Motor Octane Number (MON)
There is another type of octane rating, called Motor Octane Number (MON), or the aviation lean octane rating, which is a better measure of how the fuel behaves when under load as it is done at 900
rpm instead of the 600 rpm of the RON[2][3]
. MON testing uses a similar test engine to that used in
RON testing, but with a preheated fuel mixture, a higher engine speed, and variable ignition timing
to further stress the fuel's knock resistance. Depending on the composition of the fuel, the MON of a modern gasoline will be about 8 to 10 points lower than the RON. Normally, fuel specifications
require both a minimum RON and a minimum MON.[citation needed]
Anti-Knock Index (AKI)
In most countries, including all of those of Europe, and Australia, the "headline" octane rating shown
on the pump is the RON - but in the United States, Canada, and some other countries,[which?]
the
headline number is the average of the RON and the MON, called the Anti-Knock Index (AKI). It may also sometimes be called the Road Octane Number (RdON), Pump Octane Number (PON),
or (R+M)/2.
Difference between RON and AKI
Because of the 8 to 10 point difference noted above, the octane rating shown in the United States is 4 to 5 points lower than the rating shown elsewhere in the world for the same fuel. See the table in the
following section for a comparison.
Examples of octane ratings
The MON of n-heptane and iso-octane are exactly 0 and 100, by definition. The following table lists
octane ratings for various other fuels.[4][5]
[10]
Fuel RON MON AKI
hexadecane < -30
n-octane -10
n-heptane (MON 0 by definition) 0
diesel fuel 15–25
2-methylheptane 23
n-hexane 25
2-methylhexane 44
1-heptene 60
n-pentane 62
requirement for a typical two-stroke outboard engine[6] 69 65 67
1-pentene 84
n-butanol 87
n-butane 91
"regular" gasoline in US and Canada 91–92 82–83 87
"EuroSuper" or "EuroPremium" 95 85–86 90–91
cyclohexane 97
"premium" gasoline in US and Canada 97-98 88–89 93
"SuperPlus" in Germany and Great Britain 98 89–90 93–94
iso-octane (MON 100 by definition) 100
benzene 101
"BP Ultimate 102"[7] 102 93–94 97–98
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t-butanol 103 91 97
ethane 108
propane 110
toluene 111 95 103
E85 gasoline 105
xylene 117
isopropanol 118 98 108
ethanol 129 102 116
methanol 133 105 119
methane 135 122 129
hydrogen* > 130 very low[8]
*Hydrogen does not fit well into the normal definitions of octane number. It has a very high RON
and a low MON,[8]
so that it has low knock resistance in practice,[9]
due to its low ignition energy
(primarily due to its low dissociation energy) and extremely high flame speed. These traits are highly
desirable in rocket engines, but undesirable in Otto-cycle engines. However, as a minor blending component (e.g. in a bi-fuel vehicle), hydrogen raises overall knock resistance. Flame speed is
limited by the rest of the component species; hydrogen may reduce knock by contributing its high
thermal conductivity[citation needed]
Effects of octane rating
Higher octane ratings correlate to higher activation energies. Activation energy is the amount of
energy necessary to start a chemical reaction. Since higher octane fuels have higher activation
energies, it is less likely that a given compression will cause detonation.
It might seem odd that fuels with higher octane ratings are used in more powerful engines, since such
fuels explode less easily. However, an explosion is not desired in an internal combustion engine. An
explosion will cause the pressure in the cylinder to rise far beyond the cylinder's design limits, before
the force of the expanding gases can be absorbed by the piston traveling downward. This actually reduces power output, because much of the energy of combustion is absorbed as strain and heat in
parts of the engine,[citation needed]
rather than being converted to torque at the crankshaft.
A fuel with a higher octane rating can be run at a higher compression ratio without detonating. Compression is directly related to power (see engine tuning), so engines that require higher octane
usually deliver more motive power. Engine power is a function of the fuel, as well as the engine
design, and is related to octane rating of the fuel. Power is limited by the maximum amount of fuel-air mixture that can be forced into the combustion chamber. When the throttle is partially open, only
a small fraction of the total available power is produced because the manifold is operating at
pressures far below atmospheric. In this case, the octane requirement is far lower than when the
throttle is opened fully and the manifold pressure increases to atmospheric pressure, or higher in the case of supercharged or turbocharged engines.
Many high-performance engines are designed to operate with a high maximum compression, and
thus demand high-octane premium gasoline. A common misconception is that power output or fuel mileage can be improved by burning higher octane fuel than a particular engine was designed for.
The power output of an engine depends in part on the energy density of its fuel, but similar fuels
with different octane ratings have similar density. Since switching to a higher octane fuel does not
add any more hydrocarbon content or oxygen, the engine cannot produce more power.
However, burning fuel with a lower octane rating than required by the engine often reduces power
output and efficiency one way or another. If the engine begins to detonate (knock), that reduces
power and efficiency for the reasons stated above. Many modern car engines feature a knock sensor
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– a small piezoelectric microphone which detects knock, and then sends a signal to the engine
control unit to retard the ignition timing. Retarding the ignition timing reduces the tendency to detonate, but also reduces power output and fuel efficiency.
Most fuel stations have two storage tanks (even those offering 3 or 4 octane levels), and you are
given a mixture of the higher and lower octane fuel. Purchasing premium simply means more fuel from the higher octane tank. The detergents in the fuel are the same.
The octane rating was developed by chemist Russell Marker at the Ethyl Corporation c1926. The
selection of n-heptane as the zero point of the scale was due to the availability of very high purity n-
heptane, not mixed with other isomers of heptane or octane, distilled from the resin of the Jeffrey Pine. Other sources of heptane produced from crude oil contain a mixture of different isomers with
greatly differing ratings, which would not give a precise zero point.
Regional variations
The selection of octane ratings available at the pump can vary greatly from region to region.
In the Rocky Mountain (high altitude) states, 85 AKI is the minimum octane, and 91 AKI is the
maximum octane available in fuel. The reason for this is that in higher-altitude areas, a typical
naturally-aspirated engine draws in less air mass per cycle due to the reduced density of the atmosphere. This directly translates to less fuel and reduced absolute compression in the cylinder,
therefore deterring knock. It is safe to fill up a carbureted car that normally takes 87 AKI fuel at sea
level with 85 AKI fuel in the mountains, but at sea level the fuel may cause damage to the engine. A disadvantage to this strategy is that most turbocharged vehicles are unable to produce full power,
even when using the "premium" 91 AKI fuel. In some east coast states, up to 94 AKI is available [1].
In parts of the Midwest (primarily Minnesota, Iowa, Illinois and Missouri) ethanol based E-85 fuel with 105 AKI is available [2]. Often, filling stations near US racing tracks will offer higher octane
levels such as 100 AKI.
California fuel stations will offer 87, 89, and 91 AKI octane fuels, and at some stations, 100 AKI or
higher octane, sold as racing fuel. Until summer 2001 before the phase-out of methyl tert-butyl ether aka MTBE as an octane enhancer additive, 92 AKI was offered in lieu of 91.
Generally, octane ratings are higher in Europe than they are in North America and most other parts
of the world. This is especially true when comparing the lowest available octane level in each country. In many parts of Europe, 95 RON (90-91 AKI) is the minimum available standard, with
97/98 RON being higher specification (being called Super Unleaded).
In Germany, big suppliers like Shell or Aral offer 100 RON gasoline (Shell V-Power, Aral Ultimate)
at almost every gas station.
The United Kingdom also offers Shell V-Power, but in a 99 RON octane rating, and Tesco fuel
stations also supply the Greenergy produced 99 RON "Tesco 99".
In Australia, "regular" unleaded fuel is 91 RON, "premium" unleaded with 95 RON is widely available, and 98 RON fuel is also reasonably common. Shell used to sell 100 RON petrol from a
small number of service stations, most of which are located in capital cities (stopped in August
2008).
In Malaysia, the "regular" unleaded fuel is 95 RON, "premium" fuel is rated at 97 RON, and Shell's
V-Power at 97 RON.
In the Netherlands Shell V-Power is a 97 RON (labelled as 95 due to the legalities of only using 95
or 98 labelling), whereas in neighbouring Germany Shell V-Power consists of the regular 100 RON fuel.
In other countries "regular" unleaded gasoline, when available, is sometimes as low as 85 RON (still
with the more regular fuel, 95, and premium, around 98, available).
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In Russia and CIS countries 80 RON (76 MON) is the minimum available, the standard is 92 RON,
however, the most used type is 95 RON.[citation needed]
In Ireland 95 RON is the only petrol type available through stations.
In Italy, 95 RON is the regular gasoline offered (verde), and most gas stations offer 98 RON as the
premium type (Super/Blu Super), many Shell stations close to the cities offer also V-Power Gasoline rated at 100 RON.
This higher rating seen in Europe is an artifact of a different underlying measuring procedure. In
most countries (including all of Europe and Australia) the "headline" octane that would be shown on
the pump is the RON, but in the United States, Canada and some other countries the headline number is the average of the RON and the MON, sometimes called the Anti-Knock Index (AKI),
Road Octane Number (RdON), Pump Octane Number (PON), or (R+M)/2. Because of the 8 to 10
point difference noted above, this means that the octane in the United States will be about 4 to 5 points lower than the same fuel elsewhere: 87 octane fuel, the "regular" gasoline in the US and
Canada, would be 91-92 in Europe. However most European pumps deliver 95 (RON) as "regular",
equivalent to 90–91 US AKI=(R+M)/2, and deliver 98, 99 or 100 (RON) (93-94 AKI) labeled as
Super Unleaded - thus regular gasoline sold in much of Europe corresponds to premium sold in the United States.
In the United Kingdom, 'regular' petrol has an octane rating of 95 RON, with 97 RON fuel being
widely available as the Super Unleaded. Tesco and Shell both offer 99 RON fuel. BP is currently trialling the public selling of the super-high octane petrol BP Ultimate Unleaded 102, which as the
name suggests, has an octane rating of 102 RON. Although BP Ultimate Unleaded (with an octane
rating of 97 RON) and BP Ultimate Diesel are both widely available throughout the UK, BP Ultimate Unleaded 102 is (as of October 2007) only available throughout the UK in 10 filling
stations, and is priced at about two and half times more than their 97 RON fuel.
References 1. ^ Kemp, Kenneth W.; Brown, Theodore; Nelson, John D. (2003). Chemistry: the central science.
Englewood Cliffs, N.J: Prentice Hall. pp. 992. ISBN 0-13-066997-0. 2. ^ http://www.texacoursa.com/glossary/r.html 3. ^ http://www.texacoursa.com/glossary/m.html 4. ^ Petroleum and Coal 5. ^ http://www.iupac.org/publications/pac/1983/pdf/5502x0199.pdf 6. ^ Johnson Operation and Maintenance Manual, 1999 7. ^ BP Ultimate 102 8. ^
a b Ingersoll, John G. (1996). Natural gas vehicles. Lilburn, Ga: Fairmont Press. pp. 327. ISBN 0-
88173-218-4. 9. ^ LIQUID HYDROGEN AS A PROPULSION FUEL,1945-1959
SAE standard J 1297 Alternative Automotive Fuels, Sept 2002
Khoo, Kenny K. Understanding Octane and its Related Components. Yellowknife: Smithsonian Press, 2006.
External links Octane ratings of some hydrocarbons
Petroleum and Coal Gasoline Refining and Testing
Information in general Gasoline FAQ How Octane Works at HowStuffWorks.com