Motores de Combustión Interna y Ciclos Termodinámicos

Motores de Combustión Interna

Turborreactor

El ciclo de trabajo de los turborreactores es el ciclo de Brayton (admisión, compresión, combustión, escape). Consta de una entrada de aire, un compresor de aire, una cámara de combustión, una turbina de gas que mueve el compresor y una tobera. El aire comprimido entra en la cámara, se calienta y expande por la combustión del combustible y luego es expulsado a través de la turbina hacia la tobera, siendo acelerado a altas velocidades para proporcionar la propulsión. Son muy ruidosos y comunes en misiles de crucero.

Funcionamiento:

• Para la fase de compresión se utilizan compresores axiales o centrífugos que comprimen un gran volumen de aire.
• Una vez comprimido el aire, se introduce en las cámaras de combustión donde el combustible se quema de forma continua.
• El aire a alta presión y temperatura va a la turbina donde se expande para obtener energía que permite mover el compresor.
• Después, el aire pasa por una tobera en la que es acelerado hasta la velocidad de salida.
• La fuerza impulsora se obtiene por la cantidad de movimiento.

Ventajas sobre motores alternativos:

• Más eficiente en términos de consumo de combustible.
• Más sencillo y con menos partes móviles.
• Menor mantenimiento.
• Vida útil más larga.

Desventajas con respecto a estatorreactores:

• Carecen de piezas móviles.
• Relación peso/empuje mayor que los reactores.
• Imposibilidad de fallo por ingestión de partículas sólidas.
• Construcción simple.

Estatorreactor

El estatorreactor es un motor de reacción que carece de compresores y turbinas. La compresión se efectúa debido a la alta velocidad a la que ha de funcionar. El aire ya comprimido se somete a un proceso de combustión en la cámara de combustión y una expansión en la tobera de escape. Es el más sencillo de los motores de reacción, no contiene pieza móvil a excepción de la bomba de combustible. Está abierto por ambos extremos y tiene toberas de combustible en la parte central.

Funcionamiento:

• En primer lugar, el aire se dirige hacia la entrada del reactor donde resulta parcialmente comprimido y aumenta su temperatura por el efecto de presión dinámica.
• Si la velocidad a la que entra el aire en el motor es lo bastante alta, esta compresión puede ser suficiente y el reactor podría funcionar sin compresión ni turbina.
• El siguiente paso es el de la combustión del aire, cuyo proceso se realiza en la cámara de combustión donde hay una serie de inyectores que pulverizan el combustible de manera continua.
• Cuando el combustible y el aire se mezclan en la cámara de combustión, una serie de bujías encienden la mezcla y comienza la combustión, despidiendo mucho calor.
• Los gases resultantes salen a gran velocidad por la tobera de escape: convergente (utilizadas para la propulsión subsónica) o divergente (para velocidades supersónicas).

Régimen de funcionamiento:

• A partir de velocidades de unos 300 km/h.

Aplicación principal:

• Propulsión adicional después de haber adquirido la velocidad necesaria.

Un estatorreactor debe tener una sección de difusión de entrada con la forma apropiada para que el aire entre a baja velocidad y alta presión en la sección de combustión. Un vehículo propulsado por este sistema debe ser acelerado primero por otros medios hasta alcanzar una velocidad elevada.

Turbohélice

El turbohélice tiene montada delante del reactor una hélice propulsada por una segunda turbina denominada turbina libre o por etapas adicionales de la turbina que mueve el compresor. Un 90% de la energía de los gases expandidos se absorbe en la parte de la turbina que mueve la hélice y el 10% restante se emplea para acelerar el chorro de gases de escape.

Motor Wankel

El motor Wankel es un motor de combustión interna que utiliza rotores en vez de pistones de los motores alternativos. En un motor Wankel se desarrollan los mismos 4 tiempos pero en zonas distintas del estator o bloque, el envolvente es una cavidad con forma de 8, dentro de la cual se encuentra un rotor triangular o triángulo lobular que realiza un giro de centro variable. Este pistón transmite su movimiento rotatorio a un eje cigüeñal que se encuentra en su interior y gira ya con un centro único. El rotativo utiliza la presión producida por la combustión de la mezcla aire-combustible. El rotor sigue un recorrido en el que mantiene sus 3 vértices en contacto con el estator delimitando así 3 compartimentos separados de mezcla.

A medida que el rotor gira dentro de la cámara, cada uno de los 3 volúmenes se expande y contrae alternativamente, es esta expansión-contracción la que aspira el aire y el combustible hacia el motor, comprime la mezcla, extrae su energía y luego expulsa los gases quemados hacia el escape.

Ventajas:

• Menos piezas móviles, solo 4 (bloque, rotor, árbol motriz y sistema de refrigeración).
• Suavidad de marcha.
• Menores vibraciones.
• Menor peso.

Inconvenientes:

• Emisiones.
• Difícil estanqueidad.

Ciclos Termodinámicos

Ciclo de Otto

: la inflamacion se debe a una chispa electrica de una bujía un instante antes de que el piston llegue al PMS. El combustible suele inyectarse al cilindro mezclado con aire, normalmente en el carburador o actualmente usando sistemas de inyeccion. Tramo 1-2: compresión adiabatica del Fluido:realizamos un trabajo sobre el sistema q se materializa en un aumento de su energia interna. Tramo 2-3: admision instantanea de calor en el momento de la explosión. Se suministra Q al sistema q aumenta su E.Interna. Tramo 3-4: expansion adiabatica del fluido. El sistema realiza un W equivalente a su perdida de energ.interna. Tramo 4-1: Escape, cesion de Q a v=cte. Rendimiento: e=1- Qf/Qc. // Ciclo Diesel: Encendido x compresión: en la admision solo entra aire q se comprime fuertemente elevando su Temp de manera q al inyectar el combustible este se inflama directamente. Requiere de una compresión + fuerte y por tanto deben ser mas robustos. Tramo 1-2: igual que Otto, Tramo 2-3: Qc=nCp (t3-t2), Tramo 3-4 y 4-1: igual Otto.// Ciclo Termodinamico de la turbina de gas: Ciclo bramton o Joule: Tramo 1-2 compresion adiabatica del aire, 2-3: absorcion de Q a P=cte, al entrar aire en contacto con el combustible q entra a traves de los inyectores, 3-4: expansion adiabatica de los gases, el sistema realiza un W equivalente a su E.Interna, 4-1: cesion de Q a P=ct, ya en la atmosfera los gases resultantes de la combustion ceden calor al ambiente, a la presión exterior. Ciclo Regenerativo: podemos reutilizar parte de la energia perdida en forma de Q en los gases de escape usandola para calentar el aire q sale del compresor.// Ciclo de Rankine: Tramo 5-1-2 (absorcion de calor a p=cte). El líquido sale de la bomba y se calienta en el precalentador hasta alcanzar la saturacion (5-1), Absorcion de Q en la caldera hasta q todo es vapor saturado (cambio de estado a P=cte (1-2). Tramo 2-3: expansion adiabatica del vapor, el sistema realiza un W equivalente a Energia interna. (turbina), Tramo 3-4: Cesion de q a p=ct y t=ct) Se produce una condensacion del vapor en el condensador, Tramo 4-5: compresion hasta alcanzar la T y la P de la caldera (bomba). // Maquinas frigorificas: los circuitos frigorificos transportan calor ciclicamente desde su foco frio a un foco caliente. Para ello es necesario realizar un W mediante un compresor. 1)Maquina frigorifica de Carnot: su funcionamiento se basa en el ciclo de Carnot recorrido en sentido inverso (contrario a las agujas del reloj). Tramo A-B: Compresion adiabatica del fluido regrigerante, aumento de P y T. El W que realiza el compresor es absorbido x el fluido. B-C: Compresion isoterma del fluido: el fluido se licua cediendo calor q circula por el condensador. C-D: Expansion adiabatica del fluido refrigerante , descenso de P y de T. Vaporizacion parcial. D-A: expansion isoterma del fluido. El fluido se vaporiza casi en su totalidad absorbiendo una cantidad de Q del recinto q se desea refrigerar. El calor cedido del foco caliente es igual a la summa del absorbido por el foco frio mas el W suministrado por el compresor. El rendimiento es la relacion entre el q absorbido del foco frico y el W realizado.// Bomba de calor: Podemos utilizar el dispositivo con el objetivo de ceder la maxima cantidad de Q posible a un foco caliente a Tcte, absorbiendo calor del ambiente q se encuentra a una temp inferior. // Bomba de calor reversible: la instalacion correspondiente a una bomba de calor se puede usar tambien como refrigerador del recinto. Solo es necesario dotarr el equipo de una valvula reversible q permite intercambiar las funciones del condensador y evaporador.