CARACTERISTICA DE VELOCIDAD DE UN MOTOR DIESEL

OBJETIVOS

Determinar experimentalmente la característica de velocidad con la ayuda de un software de un motor diesel.

Trazar los gráficos o características del motor trazarlo en una sola grafica una sobre otra para poder ver simultáneamente todas.

Realizar el estudio experimental del comportamiento de los motores en función de la velocidad.

Analizar las diferentes graficas obtenidas de los parámetros experimentales del motor diesel.

MARCO TEORICO

I. CARACTERISTICA DE VELOCIDAD

Representa la variación de los parámetros de funcionamiento del motor en función de la frecuencia de rotación del árbol de extracción de potencia.Es la representación gráfica de los parámetros del ciclo de trabajo y de los parámetros efectivos del motor en función de la velocidad de rotación del cigüeñal.Pueden ser:

Característica externa absoluta de velocidad. Característica de límite de humos. Característica parcial de velocidad.

1. CARACTERÍSTICA EXTERNA ABSOLUTA DE VELOCIDAD:

Es el grafico de la variación de la potencia máxima posible para la frecuencia de rotación dada entonces esta característica limita el campo de los regímenes límites de funcionamiento.Es la característica de velocidad del motor para lo cual el órgano de mando del sistema de alimentación de combustible se mantiene constante y en la posición correspondiente al máximo suministro de combustible.

2. ÓRGANO DE MANDO DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL COMBUSTIBLE:

Es la mariposa de gases en los motores de encendido por chispa o la cremallera de la bomba de inyección en los motores diesel.

3. CARACTERÍSTICAS PARCIALES DE VELOCIDAD:

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Es la característica de velocidad del motor, en la que el órgano de mando del sistema de alimentación de combustible ocupa una posición intermedia. En consecuencia, dentro de los límites de movimiento del órgano de mando existirán tantas características parciales como posiciones intermedias de la mariposa de gases o de la cremallera hayan.

Condiciones necesaria para la obtención de las características de velocidad:

Variable independiente: velocidad de rotación del cigüeñal. Magnitud constante: posición del órgano de mando del sistema de

alimentación del combustible. Variables dependientes: potencia efectiva, momento torsional, consumos

horarios y específico de combustible, presión media efectiva, consumo horario de aire, etc.

II. PARTICULARIDADES DE LA CARACTERÍSTICA DE VELOCIDAD

La tendencia de la potencia y del consumo especifico del combustible depende de la acción conjunta de la eficiencia indicada el coeficiente de exceso de aire, la eficiencia volumétrica y la eficiencia mecánica y de la velocidad de rotación del cigüeñal.

En la figura se muestra la característica de velocidad de un motor. Como se observa, la tendencia de la potencia y del consumo específico del combustible depende de la acción conjunta de ηi , ηv , ηm , α, y de la velocidad de rotación del cigüeñal.

Característica de velocidad.

III. FORMULAS A UTILIZAR

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Potencia Efectiva (Ne)(kW) Dónde:Me = Torque efectivo (N.m)n = número de revoluciones (RPM)N e=

M e×n

9550Consumo de combustible (Gc) (kg/hr) Dónde:

V = Volumen del combustible en cada cicloc = Densidad del combustible = 0,86 g/cm3t = Tiempo de cada ciclo

Gc=3.6 ρ c×∆V∆ t

Masa de aire fresca (Ga) (kg/hr) Dónde:a = densidad del aire = 0,895 kg/m3Va = caudal de aire (m3/hr)Ga=Ga=Va ρa

Coeficiente de exceso de aire () Dónde:Lo = Relación estequiométrica = 14,40 kg-aire/kg- combGc: Gasto de combustible (kg/hr).Ga: Masa de aire fresca (kg/hr).

α=Ga

Gc× Lo

Consumo o gasto especifico efectivo (ge) (gr/KW-hr)

Dónde:Gc : Gasto de combustible (kg/hr).Ne: Potencia efectiva (kW).

ge=GcN e

Eficiencia efectiva (e ) Dónde:Hu = Poder calorífico = 42500 KJ/kgge: gasto especifico efectivo de combustible (gr/KW-hr).ηe=

3600ge×H u

Eficiencia Volumétrica o coeficiente de llenado (v)

Dónde:

Vh = Cilindrada unitaria ¿π4×d2×s

k = Densidad del aire 0,895 kg/m3

i = Numero de cilindros (4)n = RPM = 2 (motor de 4 tiempos)

ηv=Ga

60τ×V h×ρk×i×n

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IV. EQUIPO A UTILIZAR

Parámetros básicos del Objeto de Prueba

Diámetro del cilindro 110 mmCarrera del pistón 125 mmR/L 0,32Número de cilindros 4Cilindrada 4,75 lRelación de compresión 16Potencia efectiva 55 + 3,7Momento par máximo 275 N.mFactor nominal de reserva del momento par (Torque máximo/Torque nominal) 12%Frecuencia nominal 2200 RPMGasto especifico de combustible 238 g/kW.hrGasto relativo aceite por quemadura 0,70%Masa seca del motor 460 kg

Parámetros de Medición

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Gracias a este software se pueden hacer graficas instantáneas de los parámetros del motor para interpretar mejor las variaciones de estos en cada medición. Comprobar el funcionamiento del banco de ensayos, sin arrancar el motor. Arrancar el motor y esperar que alcance su temperatura 65 a 75°C. Con la cremallera de la bomba de inyección en su posición de máximo suministro, con un ángulo de avance de 22o y ayudándose con el freno establecer el régimen inicial de velocidad.

Esperar el funcionamiento estable del motor y luego efectuar las mediciones indicadas. Disminuyendo la carga en el freno, aumentar la velocidad de rotación y luego efectuar las mediciones. Repetir sucesivamente el punto anterior y luego efectuar las mediciones cundo el motor alcance la velocidad de 2200rpm. [2] (a) Parámetros del motor que deben calcularse

Momento torsional del motor (Me). Potencia efectiva del motor (Ne). Consumo específico efectivo de combustible (ge). Consumo específico indicado de combustible (gi). Eficiencia efectiva del motor (ηe). Eficiencia indicada del motor (ηi). Eficiencia mecánica del motor (ηm). Coeficiente de llenado (ηv). Consumo horario de combustible (Gc) Coeficiente de exceso de aire (α).

V. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

A través del software de un ordenador, simulamos el ensayo del laboratorio, lo que equivale a decir que encendemos el banco de pruebas, enseguida regulamos la frecuencia de rotación a 2200 rpm, la que será constante durante todas las pruebas.

Procedemos a regular la posición de la palanca BAP para obtener un momento par de 50N.m. aproximadamente y luego anotamos los datos una vez que el motor alcanza los parámetros estables para su funcionamiento en ese régimen, luego subimos el Momento par de 50 en 50 hasta llegar al par máximo de 275 N.m.

Después hallamos el ángulo óptimo de inyección para diferentes frecuencias de rotación de 600 rpm hasta 2200 rpm variando en 300 rpm. Esto se hace manteniendo la frecuencia y la posición de la palanca constantes y se prueba con los distintos ángulos de inyección hasta encontrar el óptimo para ese régimen de funcionamiento donde la potencia sea máxima y el consumo especifico de combustible sea mínimo.

Gracias a este software se pueden hacer graficas instantáneas de los parámetros del motor para interpretar mejor las variaciones de estos en cada medición.

Comprobar el funcionamiento del banco de ensayos, sin arrancar el motor. Arrancar el motor y esperar que alcance su temperatura 65 a 75°C.

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Con la cremallera de la bomba de inyección en su posición de máximo suministro, con un ángulo de avance de 22o y ayudándose con el freno establecer el régimen inicial de velocidad.

Esperar el funcionamiento estable del motor y luego efectuar las mediciones indicadas. Disminuyendo la carga en el freno, aumentar la velocidad de rotación y luego efectuar las mediciones.

Repetir sucesivamente el punto anterior y luego efectuar las mediciones cundo el motor alcance la velocidad de 2200rpm.

Datos tomados del software para un ángulo de avance constante (22°)

N° Punto de prueba 1 2 3 4 5 6 7Presión barométrica (kPa) 98 98 98 98 98 98 98Humedad relativa (%) 64 64 64 64 64 64 64Temperatura (°C) 30 30 30 30 30 30 31Gasto de combustible (g) 150 150 150 150 150 150 150Tiempo de consumo de combustible (s)

148,1 88,6 63,4 49,6 43,5 40,5 40,5

Posición de la palanca de control de BAP (%)

100 100 100 100 100 100 100

Momento par (N.m) 232 265 284 291 279 253 244Temperatura de los gases de escape (°C)

724,2 796,2 812,7

839 852,4

826,3 799,6

Contrapresión en el escape (kPa) 0,2 0,3 0,4 0,5 0,61 0,71 0,74Angulo de avance (°) 22 22 22 22 22 22 22Frecuencia de rotación (RPM) 599 901 1199 1499 1803 2100 2202CO (%) 0,22 0,075 0,05 0,085 0,13 0,13 0,115HC (ppm) 102 196 198 150 96 84 98Hollin (%) 36 39 38 34 28 21 19NO x (ppm) 1480 1210 1100 1110 1160 1150 1110Temperatura del líquido refrigerante (°C)

92 92 91 90 90 90 90

Temperatura del aceite (°C) 96 94 94 93 93 93 93Presión del aceite (MPa) 0,1 0,15 0,2 0,26 0,31 0,35 0,35Vacío en la admisión (kPa) 0,33 0,49 0,65 0,82 0,98 1,15 1,2Gasto de aire (m3/hr) 72 109 148 184 215 239 251Momento par residual -16 -20 -24 -29 -33 -37 -39

Ángulos de avance óptimo para diferentes frecuencias de rotación

N° Punto de prueba

Frecuencia de rotación (RPM)

Angulo de avance

1 600 10°2 900 14°3 1200 18°4 1500 20°5 1800 22°6 2100 24°7 2200 26°

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Datos tomados del software con un ángulo de avance óptimo

N° Punto de prueba 1 2 3 4 5 6 7Presión barométrica (kPa) 98 98 98 98 98 98 98Humedad relativa (%) 64 64 64 64 64 64 64Temperatura (°C) 32 32 32 32 32 32 32Gasto de combustible (g) 150 150 150 150 150 150 150Tiempo de consumo de combustible (s) 148 87,9 63,2 49,9 43,8 40,7 41,1Posición de la palanca de control de BAP (%) 100 100 100 100 100 100 100Momento par (N.m) 248 276 287 287 278 256 245Temperatura de los gases de escape (°C) 701 771,4 835,7 849,5 859,4 822 819,3Contrapresión en el escape (kPa) 0,2 0,3 0,4 0,51 0,61 0,71 0,74Angulo de avance (°) 10 14 18 20 22 24 26Frecuencia de rotación (RPM) 602 901 1203 1502 1799 2099 2199CO (%) 0,15 0,01 0,015 0,07 0,13 0,13 0,105HC (ppm) 114 180 182 140 96 92 108Hollin (%) 55 52 45 37 27 18 13NO x (ppm) 1190 910 900 1000 1160 1300 1440Temperatura del líquido refrigerante (°C) 93 91 91 91 91 91 91Temperatura del aceite (°C) 95 94 94 94 94 94 93Presión del aceite (MPa) 0,1 0,15 0,2 0,26 0,31 0,35 0,35Vacío en la admisión (kPa) 0,33 0,49 0,66 0,82 0,98 1,15 1,2Gasto de aire (m3/hr) 69 109 147 182 214 243 250Momento par residual -16 -20 -24 -29 -33 -37 -39

VI. PROCESANDO LOS DATOS

Características para un ángulo de avance constante (22°)

N° Punto de Prueba

RPM Gc Ga Alfa ge Ne Nm Ni ne nv nm ni

1 599 3,65 64,44 1,23 250,57 14,55 1,00 15,56 0,34 0,84 0,94 0,362 901 6,09 97,56 1,11 243,78 25,00 1,89 26,89 0,35 0,85 0,93 0,373 1199 8,52 132,46 1,08 238,87 35,66 3,01 38,67 0,35 0,87 0,92 0,384 1499 10,89 164,68 1,05 238,35 45,68 4,55 50,23 0,36 0,86 0,91 0,395 1803 12,41 192,43 1,08 235,67 52,67 6,23 58,90 0,36 0,84 0,89 0,406 2100 13,33 213,91 1,11 239,66 55,63 8,14 63,77 0,35 0,80 0,87 0,417 2202 13,33 224,65 1,17 236,99 56,26 8,99 65,25 0,36 0,80 0,86 0,41

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Características para ángulos de avances óptimos

N° Punto de Prueba

RPM Gc Ga Alfa ge Ne Nm Ni ne nv nm ni

1 602 3,65 61,76 1,18 233,39 15,63 1,01 16,64 0,36 0,80 0,94 0,392 901 6,14 97,56 1,10 235,93 26,04 1,89 27,93 0,36 0,85 0,93 0,393 1203 8,54 131,57 1,07 236,34 36,15 3,02 39,18 0,36 0,86 0,92 0,394 1502 10,82 162,89 1,05 239,74 45,14 4,56 49,70 0,35 0,85 0,91 0,395 1799 12,33 191,53 1,08 235,42 52,37 6,22 58,59 0,36 0,83 0,89 0,406 2099 13,27 217,49 1,14 235,80 56,27 8,13 64,40 0,36 0,81 0,87 0,417 2199 13,14 223,75 1,18 232,90 56,41 8,98 65,39 0,36 0,80 0,86 0,42

Característica externa de velocidad para un ángulo de avance constante (22°)

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Característica externa de velocidad para ángulos de avance óptimos de las frecuencias de rotación ensayadas

Análisis del error absoluto del consumo especifico de combustible

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Para ángulo optimo del avance: Donde: ϕ=26° n= (2200 ± 1) rpm Me= (251 ± 1) Nm t = (40 ± 0.1) s mc = (150 ± 0.1) gr

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VII. CONCLUSIONES

Los resultados arrojados por el software, nos permitieron realizar las características externas de carga, coincidiendo en muchos aspectos con las características de carga observadas en el marco teórico, en el comportamiento que tienen los diferentes parámetros analizados en relación a distintas frecuencias de rotación.

podemos observar que el momento par máximo corresponde a frecuencias de rotación intermedias, correspondientes aproximadamente a 1500 RPM, el consumo horario de combustible y de aire aumenta a medida que aumenta la velocidad.

En relación con el consumo especifico, podemos señalar que al mantener el ángulo de avance constante (22°), el mayor valor corresponde a las frecuencias mínimas de rotación; mientras que con la variación del ángulo de avance en relación a la velocidad para obtener un valor máximo del momento par, tenemos que el consumo especifico mayor corresponde a 1500 RPM aproximadamente.

el aumento de la potencia, comparando la potencia obtenida para ángulos de avance óptimos y una Angulo de avance constante, no justifica la implementación de un equipo encargado de variar el ángulo de avance en el motor

podemos asegurar que las perdidas mecánicas crecen a medida que aumenta la frecuencia de rotación, así mismo la eficiencia de llenado también disminuye al existir menos tiempo para llenar el cilindro en la admisión pese a que el motor presenta temperaturas menores a mayores frecuencias de rotación.

el análisis del error correspondiente al consumo especifico de combustible para un ángulo de avance óptimo de 26° a la frecuencia de rotación de 2200 RPM, obteniendo un error de 0,47 % o 1,1 g/kW.hr.

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