Factores importantes en el ciclo de Rankine y combustión en motores de combustión interna

Factores importantes en el ciclo de Rankine

Los factores más importantes que influyen en el ciclo de Rankine son: presión de vapor vivo, temperatura de vapor vivo y presión de condensación.

Si se mantiene la temperatura del vapor vivo y se eleva su presión

El trabajo específico de la turbina crece, llega a un máximo y luego disminuye. Por tanto, el trabajo neto del ciclo y la potencia tienen el mismo comportamiento, al ser despreciable el trabajo de la bomba. El rendimiento térmico del ciclo aumenta. El grado de humedad a la salida de la turbina aumenta. La primera conclusión se observa en el diagrama de Mollier. Los puntos correspondientes al vapor vivo. A medida que aumenta la presión, crece el salto entálpico disminuye, llegando a su valor máximo en el punto donde la paralela a la isobara correspondiente a la presión de condensación es tangente a la isoterma del vapor vivo. A partir de ese punto, el salto entálpico disminuye y el trabajo de la turbina también. El rendimiento térmico es mayor ya que dividimos en pequeños ciclos elementales, la temperatura del foco caliente es mayor que la de menor presión y se sabe que el ηt=1-Tf/Tc. El grado de humedad es mayor con lo que los álabes de la turbina se expondrán más a la corrosión, la humedad en el escape no debe exceder el 12%.

Si se eleva la temperatura del vapor vivo manteniendo su presión

Aumenta el trabajo específico de la turbina y también el trabajo específico neto y la potencia del ciclo. Aumenta el rendimiento térmico del ciclo. Disminuye el grado de humedad de la turbina al crecer la temperatura del vapor anterior. La primera conclusión se ve en el diagrama ya que aumenta el área del diagrama. Si se dividen los ciclos Rankine en ciclos elementales carrot se observa que los divisores tienen mayor temperatura en el ciclo nuevo, con lo que el rendimiento crece. Disminuye el grado de humedad con lo que es beneficioso para disminuir efectos de corrosión. Se necesitan elementos de materiales con más alta resistencia térmica.

Si se disminuye la presión de condensación

Aumenta el trabajo específico de la turbina, el trabajo específico neto y la potencia. Aumenta el rendimiento del ciclo. Aumenta el grado de humedad a la salida. Aumenta el volumen específico del vapor a la salida. El aumento del trabajo específico se ve mirando diagramas. Si se descompone el ciclo en ciclos elementales de carrot se ve que la temperatura del foco frío es mayor, el rendimiento aumenta. Al disminuir la presión, el volumen aumenta, y tiene un efecto perjudicial. Tuberías de mayor sección. La presión de condensación depende de la temperatura de condensación, que depende del refrigerante (foco frío). La presión mínima debe oscilar entre 0,12 y 0,02 bar.

Cotas de distribución

AAA=la válvula abre antes del PMS, para aprovechar el flujo de los gases de escape que crea un vacío que ayuda a la admisión. RCA= la válvula cierra después del PMI, para que de tiempo a entrar a los últimos gases frescos. AAE=la válvula abre antes del PMI en la carrera de expansión, para quitar tapón de presión en el escape igualando con la presión exterior. RCE= la válvula cierra pasado ya el PMS y habiendo completado la admisión, tiempo de retraso, en los MEC desde la 1ª inyección de combustible hasta que empieza a quemar. Avance a la inyección, debido al tiempo de retraso hay que inyectar antes del PMS en la carrera de compresión.

Hipótesis de los ciclos de aire

La r es la misma en el ciclo de aire que en el motor real r=V1/V2=Vc+Vd/Vc. La energía aportada al aire del ciclo es la misma que la que aporta el combustible en el motor real. Qcc=Q1. Hc mf= Mc ∆T. Hc F=r/r-1 c∆T. El aire se toma como gas ideal con calores específicos constantes. El fluido que evoluciona es aire. La T1 y la P1, al final de la admisión del ciclo real coinciden con la del ciclo del aire.

Combustión en MEC

Al aumentar la turbulencia aumenta la velocidad del frente de llama. Con más mezcla, más temperatura, más presión y mayor velocidad del frente. Con mayor n la velocidad del frente aumenta al principio por la turbulencia y luego baja por un peor llenado y evacuación de gases. Mayor carga, combustión más rápida y menor avance al encendido. Detonación: en los MEP se produce después del salto de chispa, por compresión que hace la mezcla quemada sobre la fracción de mezcla sin quemar. Normalmente en la carrera de expansión, con el pistón bajando, saltos bruscos de presión y ruido. A mayor avance al encendido mayor detonación. A mayor r mayor detonación por aumento de presión y temperatura. A más bujías menor recorrido del frente de llama y menor posibilidad de detonación. Poca cámara de combustión por igual motivo. Poca cilindrada ya que las mayores disipan peor el calor.

Variación del dosado

MEP, en los regímenes transitorios, arranque en frío: se condensa mucha gasolina en el colector al estar frío con lo que el motor necesita una mezcla más rica. Aceleración, abrimos la mariposa, entra más carga y aumenta la presión en el colector. Por el aumento de presión aumenta la gasolina condensada. Luego también hay que meter gasolina suplementaria. Deceleración: cerramos la mariposa, disminuye la presión en el colector con lo que se vaporiza más gasolina aumentando los hidrocarburos no quemados en el escape y se pueden producir explosiones por lo que se corta la inyección. MEC: el combustible se inyecta en la cámara de combustión. Como el tiempo disponible para la vaporización es pequeño y el combustible menos volátil se requiere aire en exceso para aumentar la posibilidad de la combustión. En un MEC la cantidad de aire es constante a cualquier régimen luego lo que regula es la cantidad de combustible la cual varía el dosado. El límite del dosado es aparte de los humos negros el aumento de la mala combustión.

Renovación de carga en los MCIA

Del llenado de los cilindros depende la potencia ya que los márgenes para jugar con el dosado son pequeños. MEP: como el margen del dosado para jugar es pequeño, se consigue ganar potencia a base de más mezcla. MEC: como el límite del dosado son los humos, para conseguir más potencia también había que meter más aire. La cantidad del aire que entra en los cilindros es función de ηv. A más ηv más m. Factores que influyen, régimen de giro, al principio crece porque se incrementan las inercias. Luego baja porque el rozamiento del fluido con los colectores es proporcional a V^2 (pérdidas de carga pequeñas) -válvulas, debido a lo anterior.

Motores rápidos, S aumenta para que V no se dispare. Válvulas grandes. Motores lentos, válvulas de admisión pequeñas. Como la capacidad de descarga influye poco en el llenado y están muy solicitadas térmicamente, válvulas de escape= 70% válvulas admisión. Diagrama de distribución, para optimizar el llenado de cilindro y minimizar trabajo de bombeo son necesarias grandes ángulos de admisión a n altas y pequeños a n pequeñas.

Contaminación

En periodos transitorios, MEP. Arranque en frío, son mezclas ricas y mal gasificadas por estar las paredes frías con lo que se produce CO + HC. Aceleración, el aporte de gasolina aumenta CO y HC deceleración, al cerrarse la mariposa se produce depresión que evapora más la gasolina donde bajar a mezclas muy ricas que combustionan mal desprendiendo CO y HC. MEC, en arranque en frío y cargas ligeras, HC. En plena carga, NOx y humos. Soluciones, MEP, recirculación de gases de escape, disminuyendo los NOX, CO igual y HC crecen. Se usa a cargas parciales. Catalizador de 3 vías, reduce CO, NOx y HC. MEC, recirculación de gases reduce NOx y aumenta un poco HC. Filtros, retienen partículas de C que cada cierto tiempo se queman con combustible, bujía y aire. Catalizador de oxidación, reduce HC, humos negros pero no NOx. Pueden ser perjudiciales por el SO2 pasa a SO3 y luego H2SO3.