INGENIERÍA ENERGÉTICA. Tema 5. Motores y Turbinas para el Transporte


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1 INGENIERÍA ENERGÉTICA BLOQUE I. COMBUSTIBLES CONVENCIONALES Tema 5. Motores y Turbinas para el Transporte 1. Introducción 2. Motores de combustión interna alternativos 3. Turbinas de gas Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales

2 1. Introducción FOCO CALIENTE Q máquina térmica W= Q-Q Máquina Térmica transforma Energía Térmica en Energía Mecánica. El rendimiento no puede ser nunca del 100% Resitricciones por el 2º Ppio. de la Termodinámica Operación Cíclica Rto. máximo definido por los ciclos reversibles como el de Carnot. Ciclos abiertos El fluido no completa el ciclo Q FOCO FRIO Q Tipos de Máquinas Térmicas: Motores de Combustión Externa (MCE): Ciclos de potencia con vapor. Ciclos cerrados. Cambio de fase del fluido de trabajo Turbinas de vapor Motores de Combustión Interna (MCI): Ciclos de potencia con gases. Son ciclos abiertos. Turbinas de Gas Motores de combustión interna alternativos (MCIA) W NETO TOTAL _ APORTADO W PRODUCIDO Q W ABSORBIDO CONSUMIDO

3 1. Introducción MÁQUINAS DE FLUIDO MÁQUINAS HIDRÁULICAS El fluido de trabajo es incompresible MÁQUINAS TÉRMICAS El fluido de trabajo es compresible Máquina térmica directa o motora Generadora de energía Máquina térmica inversa Consumidora de energía Motor de combustión interna Motor de combustión externa Máquinas frigoríficas Compresores Bomba de calor Alternativos Rotativos Alternativos Rotativos Alternativos Rotativos Turbocompresores De encendido provocado (Otto). MEP. De encendido por compresión (Diesel). MEC. Turbina de gas de circuito abierto. Motor Wankel. Stirling Turbinas de vapor. Turbinas de vapor de circuito cerrado.

4 1. Introducción APLICACIONES DE LOS MOTORES TÉRMICOS. Pequeños motores Grupos electrógenos, motosierras, motobombas, cortadoras de césped, etc. (MEP) Motocicletas Motor de encendido provocado (MEP) Automóviles Motor de encendido provocado (MEP) Motor de encendido por compresión (MEC) Camiones Motor de encendido por compresión (MEC) Maquinaria agrícola y de construcción Motor de encendido por compresión (MEC) Propulsión marina Comercial y militar: MEC, turbina de vapor y de gas Turismo: MEP Producción eléctrica Turbina de vapor MEC Turbina de gas Turbosobrealimentación de motores de Turbina de gas combustión interna alternativos Cogeneración MEC Turbina de gas Turbina de vapor Propulsión aeronáutica MEP Turbina de gas

5 1. Introducción FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ELECCIÓN DEL TIPO DE MOTOR (EJ. TRANSPORTE): Coste. Condiciones de utilización. Fiabilidad. Emisiones contaminantes. COMPARACIÓN DE MOTORES: Potencia. Emisión de contaminantes. Consumo de combustible.

6 1. Introducción Motores Otto (MEP) y Diesel (MEC) Consumo de combustible: MEC consume un 25-30% menos que un MEP Rendimiento a plena carga: MEP (~30%), MEC (~40%). Relación peso/potencia: Mayor para los MEC. Tipo de combustible Mayor sensibilidad a las propiedades de los combustibles en MEP. Emisión de contaminantes (contaminantes/km): Mayor para los MEP (carburación). Desarrollos actuales: MEP (inyección): mayores potencias, economía de combustible y baja emisión de contaminantes. Motores de carga estratificada: emisiones favorece combustión completa

7 1. Introducción Turbinas de gas Consumo específico de combustible: Mayores que los MCIA (principalmente a cargas parciales). Rendimiento: Menor que MCIA, sobre todo a cargas parciales aplicación a vehículos de pequeño tamaño no competitiva. Relación peso/potencia: Menor que los MACI (muy ligeros y gran capacidad de aceleración). Emisión de contaminantes (contaminantes/km): Menor que los MEP y comparable a los MEC combustible gaseoso => buena mezcla => combustión completa. Altas temperaturas => NOx Desarrollos actuales: Para aviones comerciales y militares bajo peso, elevada potencia, dimensiones reducidas Competitivas con los MCIA para potencias superiores a CV.

8 1. Introducción COMPARACIÓN DE MOTORES: Consumo específico de combustible: Relación peso/potencia:

9 El origen del aumento de T para realizar la transformación en W no es un intercambio de calor, sino un proceso de combustión en el propio fluido de trabajo. Parámetros básicos y constituyentes de los motores: Calibre Puntos Muertos Superior e Inferior Carrera Relación de compresión Cilindrada Válvulas de admisión y Escape Bujía Inyector Biela Cigüeñal Dos tipos básicos de motores: - Encendido provocado (por chispa) MEP (ciclo de Otto) - Encendido por compresión MEC (ciclo de Diésel) Caracterización: Número de transformaciones Tiempos

10 Esquema sencillo de un motor de encendido provocado (MEP)

11 BLOQUE DEL MOTOR CULATA CILINDRO Y PISTÓN

12 CIGÜEÑAL ÁRBOL DE LEVAS

13 CORREA O CADENA DE DISTRIBUCIÓN ÁRBOL DE LEVAS CULATA

14 Ciclo de cuatro tiempos Se completa en cuatro carreras del pistón. Un ciclo equivale a dos revoluciones del cigüeñal. Fases: admisión compresión combustión y expansión - escape Carrera de admisión Carrera de compresión PMS PMI PMS PMI

15 Ciclo de cuatro tiempos Carrera de combustión-expansión Carrera de escape PMS PMI PMS PMI Es la única carrera de trabajo Proceso de renovación de la carga: carrera de admisión y escape. Proceso termodinámico básico: compresión, combustión y expansión.

16 Funcionamiento de un motor de cuatro tiempos (MEP)

17 Ciclo de cuatro tiempos Diagrama P-V real Diagrama P-V ideal

18 Ciclo de cuatro tiempos A: Admisión; CP: compresión; EX: Expansión; ES: Escape; CB: Combustión

19 Ciclo de dos tiempos Se cumple en dos carreras del pistón. Un ciclo equivale a una revolución del cigüeñal. Fases: 1 er tiempo (compresión y admisión); 2º tiempo (explosión y escape) Primer tiempo Segundo tiempo

20 Ciclo de dos tiempos CARACTERÍSTICAS BÁSICAS Mayor potencia por unidad de tamaño (cilindrada) para un mismo régimen de giro que un 4T. Imperfecta renovación de la carga reduce la potencia. Peor en MEP con carburador. Se emplea en: o Pequeñas cilindradas: simplicidad mecánica y menor coste. o Grandes cilindradas (MEC): mayor potencia por unidad de tamaño. DIFERENCIAS CON EL MOTOR DE 4 TIEMPOS Ambas caras del pistón realizan una función. Lumbreras en lugar de válvulas. Cárter del cigüeñal estanco y empleo como cámara de pre-compresión. Lubricación incorporando aceite al combustible. Mayor eficacia termodinámica, menor eficiencia económica y más contaminación. Menor freno motor.

21 Tipos de motores: encendido Motor de cuatro tiempos de encendido por chispa (MEP; izq.) y de encendido por compresión (MEC; dcha.) Ciclo de referencia (teórico) MEP Otto MEC C. Diesel

22 Comparación básica de los MEP y MEC MEP MEC Combustión Introducción de combustible - V cte. (teórico) - Gasolina - Carburación - Inyección - P cte. (teórico) - Diesel - Inyección Encendido - Chispa - Autoignición Ciclos Relación de compresión - 4T - 2T - 4T - 2T ( consumo) Peso - Menor peso - Mayor peso

23 Valores típicos de presión (bar) y relación de compresión Motores para automoción Motores estacionarios y marinos Otto Diesel Otto (a gas) Diesel Final aspiración se supone 1 bar en todos los casos Final compresión Durante la combustión Final expansión Relación de compresión

24 Desarrollos actuales: Carga estratificada

25 Admisión Flujo de aire Inyección Formación de la mezcla Combustión Formación de la mezcla y momento de encendido muy precisos. Inyección a la subida λ entre 1,6 y 3. Disminución de pérdidas de calor en las paredes y aumento del rendimiento térmico.

26 Análisis detallado de los motores de combustión alternativos: - Combustión en el cilindro - Irreversibilidades como rozamiento; gradientes de P y T - Pérdidas de calor transferencia gas-sólido - Trabajo de carga y descarga del cilindro Análisis simplificado análisis aire estándar

27 Ciclo Otto Para motores de encendido por chispa o provocado Nikolaus August Otto ANÁLISIS AIRE-ESTÁNDAR Fluido de trabajo aire (gas ideal). No cambia composición ni cantidad. Sustitución de la combustión por absorción de Q de fuente externa a V cte. Desaparecen las etapas de admisión y escape cesión de Q en PMI Todos los procesos son reversibles.

28 Ciclo Otto Aire-Estándar Compresión (1-2): Isoentrópica. El pistón se mueve de PMI a PMS Absorción de Q (2-3): El aire absorbe Q a volumen constante de forma instantánea (Ignición de la mezcla) Expansión (3-4). Isoentrópica. Es la carrera de trabajo (PMS PMI) Cesión de Q (4-1): El calor es cedido de forma isocórica (escape y admisión) Rendimiento térmico definido como: W Q NETO ABS W REALIZADO W Q ABS RECIBIDO W34 W Q er Principio de la Termodinámica u = q+w u = (Q recibido -Q cedido )+(W recibido -W realizado )=0 (ciclo => estado inicial=estado final) (Q 23 -Q 41 )+(W 12 -W 34 )=0; W 34 -W 12 = Q 23 -Q 41 w q NETO ABS q 1 q w REALIZADO mcv ( T 1 mc ( T v w q ABS 4 3 RECIBIDO w T1 ) T 1 T ) T w q T T q T 1 T q q 23 ( T 4 41 T ) 1 1 T 1 3 T2

29 2. Motores de combustión interna alternativos (MCIA) Ciclo Otto Aire-Estándar Como 1-2 y 3-4 son procesos isoentrópicos se pueden aplicar las ecuaciones de las adiabáticas. Además v 1 =v 4 y v 2 =v T v 1 v T4 donde 1 T 2 v 1 r v 4 T3 C p / C v T T2 v r 1 v2 r (o r v ) se define como la relación de compresión V 1 /V 2 : a mayor relación de compresión, mayor rendimiento. 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 Asíntota en el Rto. predicho en el ciclo de Carnot (máximo termodinámico) Condiciones habituales: r = 7 10 P = 5 10 bar λ = 0,9 1,1 0,2 0,1 η = 25 30% 0, r

30 Ciclo Otto Aire-Estándar Aumento de la potencia Incrementar cilindrada Incrementar la presión (mayor cantidad de aire y combustible) Mejorar la fluidodinámica (duplicación de válvulas ) Mejorar combustión (diseño motor) Reducir la inercia (peso del motor) Uso de sistemas de inyección

31 Ciclo Diésel ANÁLISIS AIRE-ESTÁNDAR Fluido de trabajo aire (gas ideal). Sustitución de la combustión por absorción de Q de fuente externa a P cte. Desaparecen las etapas de admisión y escape. Todos los procesos son reversibles. P = cte.

32 Ciclo Diésel aire-estándar Rudolf Diesel Compresión (1-2): Isoentrópico. El pistón se mueve de PMI a PMS Absorción de Q (2-3): El aire absorbe Q a presión constante de forma que el pistón ha de recorrer parcialmente la carrera de trabajo (PMS ) Expansión (3-4). Isoentrópica. Es el segundo tramo de la carrera de trabajo ( PMI) Cesión de Q (4-1): El calor es cedido de forma isocórica (escape y admisión)

33 Ciclo Diésel aire-estándar Rendimiento Térmico del ciclo W W PRODUCIDO W CONSUMIDO NETO QTOTAL_ APORTADO QABSORBIDO W ( W ) Q Q Q Q DIESEL EXP Q ABS COMP ABS Q ABS CED U Q W 0 Q W 1 Q CED ABS 1 Q Q41 CV ( T1 T4) ( Q23 CP ( T3 T2) ( 0) (J / kg) 0) (J / kg) DIESEL 1 C C V P T T 3 T T T 4 T1 T T 3 2 Relación de combustión (α ó r c ): Relación de compresión (r ó r v ): V r c V V r V 1 2 C C V 3 2 P 1 1 rc 1 1 r (rc 1 )

34 2. Motores de combustión interna alternativos (MCIA) Ciclo Diesel aire-estándar 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Ciclo de Otto Diesel: r c =1,3 Diesel: r c =1,6 Diesel: r c =1,9 Diesel: r c =2,1 Diesel: r c =2, r rc ( r c 1 1) r c = relación de combustión r = relación de compresión Menor eficacia del ciclo Diesel que el de Otto para la misma relación de compresión. En la práctica : r (Otto) ~ 7 10 r (Diesel) ~ ,1 0, Relación de compresión, r P (Diesel) = bar = 1,1 6 η = 30 45%

35 Ciclo dual o de Sabathé P 3 Q 1 Q 1 Q 4 T 1 Q W 5 2 Q 5 Q 2 1 Q V S Modela mejor el funcionamiento de los MEC

36 2.1 Motores de combustión interna rotativos (MCIR) Motor Wankel Combustión interna y rotativo de 4 tiempos No hay parones en las partes móviles Rotor triangular excéntrico + estator Mayor compresión Mayor potencia Menor peso y # piezas móviles; mayor suavidad y vibraciones Mayores emisiones ( 2T); menor eficiencia termod. y estanqueidad por la forma alargada; mantenimiento más complejo Poco extendido

37 2.2 Disposiciones de varios cilindros Motor en línea (L) La más común en automoción, sobre todo L4 Bastante estable y sencillo Motor en V Más compactos pero mayor peso. Movimiento más suave y continuo De 2 a 12 cilindros Motores VR y W RADIAL O ESTRELLA (L) Varios cilindros (# impar) distribuidos en torno al cigüeñal Menos elementos en cigüeñal: relación peso/potencia El fallo de un cilindro es menos problemático

38 3. Turbinas de gas Ventajas de la utilización de la turbina de gas Potencia específica elevada Tiempo reducido de puesta en marcha Bajo coste por kw instalado Poca necesidad de agua de refrigeración Costes de mantenimiento reducido Aplicaciones de la turbina de gas Turbosobrealimentación de motores de combustión interna alternativos (turbo) Producción de energía eléctrica Propulsión marina (principalmente en marinas de guerra) Propulsión terrestre (locomotoras, camiones, autobuses). En desarrollo Propulsión aeronáutica aplicación más importante

39 3. Turbinas de gas TURBOPROPULSORES A CHORRO BASADOS EN TURBINA DE GAS PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO fuerza de reacción experimentada por el sistema en contra de un chorro de fluido a elevada velocidad. Impulsión mediante la aceleración de un fluido en la dirección opuesta al movimiento de la aeronave. Dos posibilidades: Aceleración elevada de una masa pequeña de fluido turborreactores Aceleración baja de una masa grande de fluido turbohélice Ambos turbopropulsor, turborreactor de doble flujo o turbofan TURBORREACTOR (TURBOJET) Es el más antiguo de los motores de reacción. Axial o centrífugo. Q ENT Q SAL W neto = 0

40 3. Turbinas de gas TURBORREACTOR Turborreactor con compresor axial VENTAJAS Diseño simple Eficiente a velocidades supersónicas INCONVENIENTES Baja eficiencia a velocidades subsónicas Ruido elevado Turborreactor con compresor centrífugo

41 3. Turbinas de gas TURBOHÉLICE Impulsión fundamentalmente por el flujo de aire movido por la hélice

42 3. Turbinas de gas TURBOEJE Sin empuje de propulsión Empleado en helicópteros

43 3. Turbinas de gas TURBORREACTOR DE DOBLE FLUJO (TURBOFAN) Flujo secundario Flujo principal Turbofan Airbus A380 Aumento de eficiencia a velocidades subsónicas Reducción del ruido

44 3. Turbinas de gas TURBOPROPULSORES A CHORRO BASADOS EN TURBINA DE GAS TURBOFAN

45 3. Turbinas de gas TURBOPROPULSORES A CHORRO BASADOS EN TURBINA DE GAS TURBOFAN Relación de by-pass elevadas la mayor parte del empuje proviene del flujo secundario. Vuelos comerciales Relación de by-pass bajas la mayor parte del empuje proviene del flujo primario. Vuelos supersónicos. Utilización de postquemadores: aumenta considerablemente el consumo utilización en momentos puntuales

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