Consumo Específico

El Consumo específico indica la eficiencia que tiene un motor para transformar carburante en energía mecánica, y se expresa como la cantidad de carburante que hay que consumir (en gramos),para obtener una determinada potencia en kilovatios (kW), durante una hora (g/kWh). Estos datos se pueden tener en g/CVh, dividiendo las cantidades anteriores por 1,36.

El consumo específico de calor (CEC) de un motor o una instalación generadora, se define como la cantidad de energía que se utiliza para producir una unidad de trabajo,  y puede ser expresado de la forma siguiente:

CEC = QT/W = CE x PC = (kg/kW) (kJ/kWh) = kJ/kWh

De este modo, el rendimiento térmico se puede obtener a partir de la expresión siguiente:

η = (3 600/CEC) 100 = (kJ/kWh) / (kJ/kWh)

El rendimiento térmico también puede ser calculado conociendo la potencia generada  y el consumo horario de combustible:

η = (3 600 W) / G x Qti) 100 = (kJ/kWh) kW / (kg/g) (kJ/kg)

El mismo resultado se obtiene si se utiliza el consumo específico de combustible CE

y la potencia calorífica del combustible PC:

η = (3 600 / CE x PC) 100 = (kJ/kWh) / (kg/kWh) (kJ/kg)

En la figura 1 se presenta un ejemplo práctico del comportamiento del consumo específico de combustible CE y del consumo específico de calor CEC, en función del rendimiento de una unidad generadora de 100 000 kW producidos con fuel-oil. Como se puede observar, tanto el consumo específico de calor, como el consumo específico de combustible, son inversamente proporcionales al rendimiento de la central.

En las tablas 1 y 2 se presenta un resumen de las principales expresiones para el cálculo del rendimiento a partir del consumo específico de combustible, el consumo específico de calor, la potencia y el consumo horario de combustible, para diferentes sistemas de unidades. 

Tablas 1 y 2
Expresiones para el cálculo del rendimiento con diferentes sistemas de unidades

 

Fig. 1. Comportamiento de los indicadores de consumo 
de combustible y calor en función del rendimiento en una central
generadora de 100 000 kW, con un fuel oil residual de 40 174 kJ/kg. 

Rendimiento Volumétrico

Denominado también coeficiente de llenado, es la relación entre la masa de aire aspirada efectivamente en cada ciclo y la que teóricamente podría llenar un volumen igual a la cilindrada V en las condiciones de presión y temperatura exteriores.

El rendimiento volumétrico influye mucho en las prestaciones de un motor, ya que cuanto más grande sea la masa de aire introducida en los cilindros, mayor será la cantidad de combustible que podrá quemarse y, por tanto, mayor será la potencia.

El rendimiento volumétrico, cuyo valor suele oscilar entre 0,70 y 0,85, varía con el régimen de rotación del motor, ya que la resistencia que el fluido encuentra al atravesar los conductos aumenta con la velocidad del mismo.

La masa de fluido que se introduce efectivamente en los cilindros es inferior a la teórica, sobre todo por las razones que se enumeran seguidamente:

- contrapresión en el escape debida a los gases residuales presentes en el cilindro al final de la fase de escape; los gases residuales, al hallarse a una presión superior a la del ambiente, se expanden durante la primera parte de la fase de admisión, obstaculizando la introducción de carga fresca;

- disminución de la densidad de la carga a causa de la cesión de calor a la carga fresca por parte de las paredes, los conductos, el cilindro y la fracción de gases residuales;

- resistencia que el fluido encuentra a su paso por el carburador, los conductos y las válvulas de admisión.

Para mejorar el rendimiento volumétrico es preciso: diseñar los conductos de admisión y escape con él fin de optimizar el coeficiente de flujo; aumentar las secciones de los conductos y los diámetros de las válvulas para reducir la velocidad de los gases; adelantar la apertura de las válvulas de admisión con el fin de que alcancen su altura máxima en el momento más conveniente para obtener el máximo llenado del cilindro; retrasar el cierre de la válvula de admisión para aprovechar la inercia del fluido en el conducto de admisión con objeto de aumentar la cantidad de fluido introducida en el cilindro; adelantar la apertura y retrasar el cierre de la válvula de escape para reducir, respectivamente, la contrapresión en el escape y la cantidad de gases residuales.

Eficiencia de un motor de combustión interna

La eficiencia o rendimiento térmico de un motor de este tipo depende de la relación de compresión, proporción entre los volúmenes máximo y mínimo de la cámara de combustión. Esta proporción suele ser de 8 a 1 hasta 10 a 1 en la mayoría de los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores, como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de octanos para evitar la detonación.

Una relación de compresión baja no requiere combustible con alto número de octanos para evitar este fenómeno; de la misma manera, una compresión alta requiere un combustible de alto número de octanos, para evitar los efectos de la detonación, es decir, que se produzca una auto ignición del combustible antes de producirse la chispa en la bujía.

El rendimiento medio de un buen motor Otto de 4 tiempos es de un 25 a un 30%, inferior al rendimiento alcanzado con motores diésel, que llegan a rendimientos del 30 al 45%, debido precisamente a su mayor relación de compresión.

Casi todos los motores de este tipo se fabrican para el transporte y deben trabajar variando la entrega de potencia constantemente. Debido a esto el rendimiento de los mismos cae bruscamente al trabajar con carga parcial (cuanto menos carga porcentualmente, peor rendimiento), ya que, cuando esto sucede la cámara de compresión mantiene su volumen dando una compresión real baja y transformando gran parte de la energía en calor.

Algunos fabricantes han fabricado motores con sistemas de compresión variable, pero siempre dedicado a variar de aproximadamente 7:1 a 14:1 y en relación a las RPM.

Para conseguir buenas eficiencias sería necesario variar la compresión desde 1:7 hasta 1:140 en casos de carga del 10% y hacerlo en relación a la cantidad de aire introducida para evitar detonaciones anticipadas.

 Gráfica termodinámica de un motor de combustión interna

 

Ciclo ideal  de aire de un MCI

Esta proporción ha de permanecer lo más uniforme posible, dentro de unos estrechos márgenes de variación, se denomina factor lambda y se sitúa alrededor de 14-15 partes de aire en peso por cada parte de gasolina en peso, estando la mezcla estequiométrica aire/gasolina en 14,7:1

Un ciclo Otto ideal modela el comportamiento de un motor de explosión. Este ciclo está formado por seis pasos, según se indica en la figura. Pruebe que el rendimiento de este ciclo viene dado por la expresión

siendo r = V_A / V_B la razón de compresión igual al cociente entre el volumen al inicio del ciclo de compresión y al final de él. Para ello, halle el rendimiento a partir del calor que entra en el sistema y el que sale de él; exprese el resultado en términos de las temperaturas en los vértices del ciclo y, con ayuda de la ley de Poisson, relacione este resultado con los volúmenes V_A y V_B.

Un ciclo Otto ideal es una aproximación teórica al comportamiento de un motor de explosión. Las fases de operación de este motor son las siguientes:

Admisión (1)

El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de mezcla (aire + combustible) en la cámara. Esto se modela como una expansión a presión constante (ya que al estar la válvula abierta la presión es igual a la exterior). En el diagrama PV aparece como la línea recta E→A.

Compresión (2)

El pistón sube comprimiendo la mezcla. Dada la velocidad del proceso se supone que la mezcla no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiabático. Se modela como la curva adiabática-reversible A→B, aunque en realidad no lo es por la presencia de factores irreversibles como la fricción.

Combustión

Con el pistón en su punto más alto, salta la chispa de la bujía. El calor generado en la combustión calienta bruscamente el aire, que incrementa su temperatura a volumen prácticamente constante (ya que al pistón no le ha dado tiempo a bajar). Esto se representa por una isócora B→C. Este paso es claramente irreversible, pero para el caso de un proceso isócoro en un gas ideal el balance es el mismo que en uno reversible.

Expansión (3)

La alta temperatura del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él. De nuevo, por ser un proceso muy rápido se aproxima por una curva adiabática reversible C→D.

Escape (4)

Se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una temperatura mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en la siguiente admisión. El sistema es realmente abierto, pues intercambia masa con el exterior. No obstante, dado que la cantidad de aire que sale y la que entra es la misma podemos, para el balance energético, suponer que es el mismo aire, que se ha enfriado. Este enfriamiento ocurre en dos fases. Cuando el pistón está en su punto más bajo, el volumen permanece aproximadamente constante y tenemos la isócora D→A. Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, empleamos la isobara A→E, cerrando el ciclo.

En total, el ciclo se compone de dos subidas y dos bajadas del pistón, razón por la que se le llama motor de cuatro tiempos.

En un motor real de explosión varios cilindros actúan simultáneamente, de forma que la expansión de alguno de ellos realiza el trabajo de compresión de otros.

Ciclo teórico Aire-Combustible

Ciclo Teórico:

En admisión  el descenso del pistón aspira la mezcla aire combustible en los motores de encendido provocado o el aire en motores de encendido por compresión. La válvula de escape permanece cerrada, mientras que la de admisión está abierta. En el primer tiempo el cigüeñal da 180º y el árbol de levas da 90º y la válvula de admisión se encuentra abierta y su carrera es descendente.

 Al llegar al final de carrera inferior, la válvula de admisión se cierra, comprimiéndose el gas contenido en la cámara por el ascenso del pistón. En el 2º tiempo el cigüeñal da 360º y el árbol de levas da 180º, y además ambas válvulas se encuentran cerradas y su carrera es ascendente.

 Al no poder llegar al final de carrera superior el gas ha alcanzado la presión máxima. En los motores de encendido provocado, salta la chispa en la bujía, provocando la inflamación de la mezcla, mientras que en los motores diésel, se inyecta con jeringa el combustible que se auto inflama por la presión y temperatura existentes en el interior del cilindro. En ambos casos, una vez iniciada la combustión, esta progresa rápidamente incrementando la temperatura en el interior del cilindro y expandiendo los gases que empujan el pistón. Esta es la única fase en la que se obtiene trabajo. En este tiempo el cigüeñal da 180º mientras que el árbol de levas da 240º, ambas válvulas se encuentran cerradas y su carrera es descendente.

En esta fase el pistón empuja cuidadosamente, en su movimiento ascendente, los gases de la combustión que salen a través de la válvula de escape que permanece abierta. Al llegar al punto máximo de carrera superior, se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión, reiniciándose el ciclo. En este tiempo el cigüeñal da 360º y el árbol de levas da 180º y su carrera es ascendente.

 Ciclo práctico de los motores diesel de 4 tiempos

ADMISIÓN

Corresponde a este tiempo o proceso este tiempo la carrera descendente delpistón, la válvula del pistón, la válvula de admisión se abre unos 15º antes deque el eje cigüeñal llegue al PMS.

COMPRESIÓN

Se produce este proceso durante la carrera ascendente del pistón. Esta fase comienza realmente cuando se cierra la válvula de admisión y finaliza al llegar el pistón al PMS .

COMBUSTIÓN Y EXPANSIÓN

Se realiza este proceso durante la carrera descendente del pistón. Durante el tiempo tiene lugar la combustión y la expansión, la temperatura eleva  a unos 3,27ºF (1,800ºC) y la presión a unos 146 lb./pulgadas (50 Kg./centímetros cuadrados) , El Aumento de presión obliga al pistón a descender con cierta violencia , a la vez que la gran cantidad de gases generados por la combustión se expansionan por el aumento de volumen creado por el descenso del pistón. 

ESCAPE

Antes de terminar la carrera motriz se abre la válvula de escape con objeto de dar mayor facilidad de salida a los gases quemados, y evitar en lo posible la contrapresión en la carrera ascendente del pistón.

Generalmente:

Las Válvulas de admisión se abren entre 10 y 25 grados de giro del eje cigüeñal antes del P.M.S .

Se cierran de 20 a 45 grados de giro después del P.M.I

La inyección del combustible comienza alrededor de 7 a 26 grados antes del P.M.S

Las Válvulas de escape se comienzan a abrir de 30 a 60 grados antes del P.M.I para poder expulsar los gases de escape al tiempo correcto.

Se cierran de 10 a 20 grados después del P.M.S.