MCI_clase_S6_2022-II

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Motores de 
Combustión Interna
Unidad II - Semana 05
Fabio Zegarra Choque, Ph.D.
Contenido
• Problemas
• Motor térmico
• Ciclos ideales
Escudero, Motores, 20112
Motor Térmico
• Diagrama de funcionamiento.
Young, H. y Freedman, R. (2009)
𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒. =
𝑄𝑄𝐻𝐻 − 𝑄𝑄𝑐𝑐
𝑄𝑄𝐻𝐻
3
Motor Térmico
4
Relación de Compresión
• Punto muerto superior: 
posición del pistón donde 
el volumen ocupado por 
el gas es mínimo.
• Punto muerto inferior: 
posición del pistón donde 
el volumen ocupado por 
el gas es máximo.
• Carrera: distancia que 
recorre el pistón en una 
dirección.
5
Presión Media Efectiva
• Volumen de desplazamiento: 
volumen desplazado por el 
pistón cuando se mueve 
desde PMI al PMS.
• Volumen de espacio libre o 
Volumen muerto: volumen 
donde no se desplaza el 
pistón.
• Cilindrada: suma del 
volumen de desplazamiento 
de todos los cilindros.6
Ciclos Teóricos
• Durante el funcionamiento de un MCI, el fluido de 
trabajo es sometido a varios cambio físicos y 
químicos.
• Al darse estos cambios de diferentes etapas que se 
repiten se dice que forman el ciclo del motor.
• Los ciclos teóricos se dividen en:
- Ciclo ideal
- Ciclo de aire
- Ciclo aire-combustible
• En el ciclos ideal se asume que el fluido operante es 
aire y este actúa como un gas perfecto. 
Giacosa, MCI, 19867
Ciclos Teóricos
• Un ciclo ideal proporciona el límite máximo teórico 
que un motor puede alcanzar y para su estudio se 
pueden usar las leyes de los gases perfectos. Los 
valores de los calores específicos son constantes para 
todas las temperaturas.
• En el ciclo de aire, el fluido de trabajo es aire, pero 
los valores de los calores específicos varían con la 
operación del motor.
• En el ciclo aire-combustible, el fluido durante la fase 
de aspiración esta compuesto por la mezcla y los 
gases residuales (el aire y los gases residuales) en el 
motor encendido por chispa (por compresión). En 
dichos casos los valores de los calores específicos es 
mas alto.
Giacosa, MCI, 19868
Ciclos Ideales
Para un ciclo ideal o ciclo de aire standard, se asume lo 
siguiente:
• El fluido de trabajo es siempre un gas ideal, llamado 
aire puro con valores constantes de calores 
específicos.
• Una cantidad fija de masa es tomada como fluido de 
trabajo durante todo el ciclo. El ciclo es considerado 
cerrado con el mismo aire permaneciendo en el 
cilindro.
• EL proceso de combustión es reemplazado por un 
proceso de transferencia de calor desde una fuente 
externa.
Gupta, MCI, 20099
Ciclos Ideales
• El ciclo es completado por la transferencia de calor a 
los alrededores hasta que la temperatura del aire y la 
presión correspondan a las condiciones iniciales.
• Todos los procesos del ciclo son reversibles.
• Los procesos de compresión y expansión son 
reversibles adiabáticos.
• No se produce un cambio químico del fluido de 
trabajo durante el ciclo.
• No se considera la fricción durante la operación del 
motor.
Gupta, MCI, 200910
Procesos Termodinámicos
Los procesos termodinámicos pueden ser:
• Proceso isotérmico: la temperatura del fluido de 
trabajo es constante durante el proceso.
• Proceso isobárico: la presión del fluido de trabajo es 
constante durante el proceso.
• Proceso isocórico: el volumen del fluido de trabajo es 
constante durante el proceso.
• Proceso adiabático: fluido de trabajo no entrega o 
recibe calor a sus alrededores.
• Proceso isentrópico: proceso donde la entropía del 
fluido de trabajo es constante. Un proceso adiabático 
reversible es isentrópico. 
11
Procesos Termodinámicos
• Los procesos isotérmico, isobárico e isocórico 
cumplen con la ecuación de los gases ideales o ley de 
Boyle-Mariotte:
P · V = R · T
R es la contante del gas. 
• Los procesos isotérmico y adiabático observadas en 
un diagrama PV son parecidas pero son procesos 
diferentes.
Proceso isotérmico: P · V =constante
Proceso adiabático: P · V γ = constante 
donde γ es el exponente adiabático
γ = 1.33 motores de gasolina (se asume triatómico: 
mezcla de aire y gasolina)
γ = 1.4 motores diesel (se asume biatómico: aire 
comprimido)
González, MT, 201512
Ciclo Otto
• Es un ciclo ideal con volumen constante de los 
motores encendidos por chispa
• Fase de admisión: a presión constante
González, MT, 201513
Ciclo Otto
• Fase de compresión: proceso adiabático o isentrópico
González, MT, 201514
Ciclo Otto
• Fase de combustión y expansión: se asume una 
combustión instantánea sin movimiento del pistón, es 
decir, el volumen permanece constante. Durante este 
proceso se aporta un calor Q1. Luego se da la expansión.
González, MT, 201515
Ciclo Otto
• Fase de escape: se da en dos partes: a volumen 
constante se transfiere Q2 al exterior y luego a 
presión constante.
González, MT, 201516
Ciclo Otto
• Generalmente se expresa como:
• Proceso 1-2: compresión adiabático reversible no Q
• Proceso 2-3: volumen constante entrega Q1
• Proceso 3-4: expansión adiabática reversible no Q
• Proceso 4-1: volumen constante extrae Q2 Gupta, MCI, 200917
Ciclo Otto
• Relación de compresión
• Eficiencia térmica del ciclo
• El calor entregado y rechazado
• Por lo tanto
𝑟𝑟 =
𝑉𝑉1
𝑉𝑉2
𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒. = 1 −
𝑄𝑄2
𝑄𝑄1
𝑄𝑄1 = 𝑚𝑚𝑒𝑒𝑣𝑣 𝑇𝑇3 − 𝑇𝑇2
𝑄𝑄2 = 𝑚𝑚𝑒𝑒𝑣𝑣 𝑇𝑇4 − 𝑇𝑇1
𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒. = 1 −
𝑇𝑇4 − 𝑇𝑇1
𝑇𝑇3 − 𝑇𝑇2 Gupta, MCI, 200918
Ciclo Otto
• Para el proceso isentrópico 1-2 
• Para el proceso isentrópico 3-4 
• Por lo tanto
𝑇𝑇2
𝑇𝑇1
=
𝑉𝑉1
𝑉𝑉2
𝛾𝛾−1
= 𝑟𝑟𝛾𝛾−1
𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒. = 1 −
𝑇𝑇4 − 𝑇𝑇1
𝑇𝑇3 − 𝑇𝑇2
= 1 −
𝑇𝑇4 − 𝑇𝑇1
𝑇𝑇4𝑟𝑟𝛾𝛾−1 − 𝑇𝑇1𝑟𝑟𝛾𝛾−1
Gupta, MCI, 2009
𝑇𝑇2 = 𝑇𝑇1𝑟𝑟𝛾𝛾−1
𝑇𝑇3
𝑇𝑇4
=
𝑉𝑉4
𝑉𝑉3
𝛾𝛾−1
=
𝑉𝑉1
𝑉𝑉2
𝛾𝛾−1
= 𝑟𝑟𝛾𝛾−1 𝑇𝑇3 = 𝑇𝑇4𝑟𝑟𝛾𝛾−1
𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒. = 1 −
1
𝑟𝑟𝛾𝛾−119
Ciclo Otto
• La eficiencia depende solo de la relación de 
compresión r, y se incrementa con r. 
González, MT, 201520
Ciclo Otto
• La trabajo entregado durante un ciclo
• Para el proceso 2-3 con volumen constante
• Usando
• Tenemos
González, MT, 2015
𝑊𝑊 = calor suministrado – calor retirado
𝑊𝑊 = 𝑄𝑄1−𝑄𝑄2= 𝑚𝑚𝑒𝑒𝑣𝑣 𝑇𝑇3 − 𝑇𝑇2 − 𝑚𝑚𝑒𝑒𝑣𝑣 𝑇𝑇4 − 𝑇𝑇1
𝑊𝑊 = 𝑄𝑄1−𝑄𝑄2= 𝑚𝑚𝑒𝑒𝑣𝑣 𝑇𝑇3 − 𝑇𝑇2 − 𝑇𝑇4 − 𝑇𝑇1
𝑝𝑝2
𝑇𝑇2
=
𝑝𝑝3
𝑇𝑇3
𝑇𝑇3 =
𝑝𝑝3
𝑝𝑝2
𝑇𝑇2= 𝛼𝛼𝑇𝑇2
𝑇𝑇3 = 𝛼𝛼𝑇𝑇1𝑟𝑟𝛾𝛾−1
𝑇𝑇3 = 𝑇𝑇4𝑟𝑟𝛾𝛾−1
𝑇𝑇4 = 𝛼𝛼𝑇𝑇121
Ciclo Otto
• Reemplazando las temperaturas
• El volumen de desplazamiento
• La presión efectiva media
• Tenemos
González, MT, 2015
𝑊𝑊 = 𝑚𝑚𝑒𝑒𝑣𝑣 𝛼𝛼𝑇𝑇1𝑟𝑟𝛾𝛾−1 − 𝑇𝑇1𝑟𝑟𝛾𝛾−1 − 𝛼𝛼𝑇𝑇1 − 𝑇𝑇1
𝑉𝑉𝑠𝑠 = 𝑉𝑉1 − 𝑉𝑉2 = 𝑉𝑉1 1 −
𝑉𝑉2
𝑉𝑉1
= 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑇𝑇1
𝑝𝑝1
1 − 1
𝑟𝑟
𝑊𝑊 = 𝑚𝑚𝑒𝑒𝑣𝑣𝑇𝑇1 𝛼𝛼 − 1 𝑟𝑟𝛾𝛾−1 − 1
𝑝𝑝𝑚𝑚 =
𝑊𝑊
𝑉𝑉𝑠𝑠
𝑝𝑝𝑚𝑚 =
𝑝𝑝1 𝛼𝛼 − 1 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒. 𝑟𝑟𝛾𝛾
𝛾𝛾 − 1 𝑟𝑟 − 122
Ciclo Otto
González, MT, 2015
p1=1 bar
γ=1.3
23
Problemas
González, MT, 2015
Un motor que funciona con el ciclo Otto tiene un cilindro 
de 200 mm y una carrera de 250 mm. El volumen muerto 
es 1570 cm3. La presión y temperatura en el inicio de la 
compresión son 1 bar y 27 °C respectivamente. La 
máxima temperatura del ciclo es 1400 °C. Determine la 
presión y temperatura en los puntos salientes, la 
eficiencia teórica del ciclo ideal, el trabajo entregado y la 
presión media.
Para aire considere cv=0.718 KJ/(kg K) R=0.287 kJ/(Kg K)
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