laboratorio de motores de combustion interna
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LABORATORIO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA:
PROCESO DE ADMISION Y FORMACION DE LA MEZCLA DE UN MOTOR ECH
I) OBJETIVO:
Determinar la influencia de los regmenes de funcionamiento eficiencia
volumtrica y exceso de aire, que son los parmetros que caracterizan el proceso
de admisin y de formacin de la mezcla.
Realizar un estudio experimental del comportamiento del motor Ford (gasolinero)
en funcin de la carga y la velocidad.
Estudio de las curvas caractersticas de coeficiente de llenado y exceso de aire vs
la carga y las RPM. Para ello se realizar un ensayo con h=cte. y luego RPM=cte.
II) FUNDAMENTO TEORICO
GENERALIDADES
Para realizar el ciclo de trabajo en un motor de combustin interna a pistn, es preciso
expulsar del cilindro los productos de la combustin formados en el ciclo anterior e
introducir en l la carga fresca del aire (motores diesel) o de la mezcla aire combustible
(motores con carburador). Los procesos de admisin y escape estn vinculados entre s y
en funcin del nmero de tiempos del motor. La cantidad de carga fresca suministrada
depende de la calidad con que se limpia el cilindro del motor. Por eso el proceso de
admisin de debe analizar tomando en consideracin los parmetros que caracterizan el
desarrollo del proceso de escape, examinando todo el complejo de fenmenos que se
refieren al proceso de intercambio de gases en conjunto.
PARAMETROS DEL PROCESO DE ADMISIN
La cantidad de carga fresca que ingresa en el proceso de admisin, es decir, el llenado del
cilindro, depende de los siguientes factores:
* Resistencia hidrulica en el sistema de admisin, que hace disminuir la presin de la
carga suministrada en la magnitud Pa;
* Existencia de cierta cantidad Mr de productos quemados (gases residuales) en el
cilindro, que ocupan parte de su volumen;
* Calentamiento de la carga por las superficies de las paredes del sistema de admisin
y del espacio interior del cilindro en la magnitud T, como consecuencia de la cual
disminuye la densidad de la carga introducida.
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La influencia que ejerce cada uno de los factores indicados puede aclararse analizndolos
por separado.
a) Presin en el cilindro en el periodo de llenado.
La existencia de resistencias en el sistema de admisin conduce a que la cantidad de
carga fresca que entra en el cilindro del motor, disminuye debido al decrecimiento de la
densidad de la carga.
La disminucin de la presin en el sistema de admisin y en el cilindro depende del
rgimen de velocidad del motor, de las resistencias hidrulicas en todos los elementos del
sistema, del rea de las secciones de paso por donde se desplaza la carga fresca y de su
densidad.
Utilizando la ecuacin de Bernoulli podemos escribir.
aad
adad
a
aK
K
K
K gZwwP
gZwP
222
222
2
Donde:
K : densidad de la carga en la entrada del cilindro.
a : densidad de la carga en el cilindro.
Kw : velocidad del aire en la entrada del sistema de admisin.
adw : velocidad media del aire en todo el proceso de admisin (medida en la vlvula
por ser la seccin ms estrecha del sistema de admisin) en m/s.
KZ : altura de nivel desde el eje del sistema de admisin
aZ : altura de nivel desde el eje de la vlvula de admisin.
ad : Coeficiente de resistencia del sistema de admisin referida a su seccin ms estrecha.
cw : velocidad media del aire en la seccin examinada del cilindro.
ad
c
w
w : (coef. de amortiguacin de la velocidad de la carga en la seccin examinada del
cilindro).
Asumiendo:
,,,0 akakk ZZw
Reemplazando en la ecuacin anterior se obtiene:
kad
adaka
wPPP
2)(
2
2
aP : perdidas hidrulicas en el sistema.
-
Para las secciones ms estrechas del sistema de admisin y del cilindro la ecuacin
de continuidad es:
pmxadad FCpfw
adf : rea de la seccin de paso de la vlvula (o de la seccin ms estrecha)..
mxCp : velocidad mxima del pistn.
pF : rea de la cara del pistn.
21 RCpmx
n 2 : (n, frecuencia de rotacin del cigeal).
L
R , relacin entre el radio de la manivela R y la longitud de la biela L.
adadad
p
msadf
nA
f
DRn
f
FCpw 1
22 )
1)(
4(12
Reemplazando wad en la ecuacin de perdidas hidrulicas se obtiene:
2
2
22
22
12 )1
)(2
)((ad
k
ad
adaf
nA
f
nAP
En los motores de automvil modernos de cuatro tiempos con las vlvulas dispuestas en
la parte superior la posibilidad de aumentar la superficie fad est limitada por condiciones
de ubicacin de las vlvulas en la culata.
Siendo Vh = constante en caso de disminuir la carrera del pistn ser necesario aumentar
respectivamente el dimetro D del cilindro, lo que permitir instalar vlvulas con mayor
seccin de sus gargantas de paso.
La superficie de la seccin de paso en las vlvulas puede incrementarse utilizando
cmaras de combustin en las cuales las vlvulas van dispuestas inclinadamente.
Segn datos experimentales obtenidos al investigar motores de automviles, para la
apertura completa de la vlvula en el rgimen nominal, la velocidad de movimiento de la
carga en la seccin de paso es 50 130 m/s, los coeficientes de resistencia estn entre los
valores de 2.5 4.
En los motores de cuatro tiempos sin sobrealimentacin los datos experimentales
muestran que Pa = (0.8 0.9)Po, mientras que para los que emplean sobrealimentacin
Pa = (0.9 0.96)Pk.
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b) Cantidad de gases residuales.
En el proceso de escape no se logra desalojar por completo del cilindro los productos de
la combustin, ocupando stos cierto volumen a presin Pr y temperatura Tr respectivas.
En el proceso de admisin los gases residuales se expanden y mezclndose con la carga
fresca que ingresa, hacen disminuir el llenado del cilindro, La cantidad de gases residuales
Mr depende del procedimiento empleado para limpiar el cilindro, as como de la
posibilidad del barrido del cilindro por la carga fresca.
La cantidad de gases residuales se caracteriza por una magnitud relativa denominada
coeficientes de gases residuales.
1M
Mrr
En los motores de cuatro tiempos, que tiene traslapo de vlvula (no mayor de 30 40),
el cual excluye la posibilidad de barrido, puede considerarse que al final de la carrera de
escape los gases residuales ocupan el volumen de la cmara de combustin Vc=Vh/(-1),
y por lo tanto, su cantidad:
rv
crr
TR
VPM
La magnitud Pr queda definida por la presin del medio ambiente al cual se expulsa los
gases, es decir, por la presin Po en caso en caso de escape a la atmsfera o Pp cuando en
el escape se instala un silenciador o un colector, habiendo sobrealimentacin por
turbocompresor.
La temperatura Tr depende de la composicin de la mezcla del grado de expansin y del
intercambio de calor en la expansin y en el escape. En los motores de gasolina, en los
cuales la composicin de la mezcla vara entre lmites relativamente pequeos, la
temperatura Tr, decrece insignificativamente al disminuir la carga. La temperatura Tr en
los motores Diesel es considerablemente menor (en 200 300 K), comparada con la de
los motores a gasolina, debido a las relaciones de compresin y respectivamente de
expansin ms altas y a las temperaturas ms bajas en este ltimo proceso.
Es muy importante sealar que el aumento de la relacin de compresin siempre va
acompaado de la disminucin de Mr.
El nmero de moles de la carga fresca M1 se caracteriza por las condiciones de llenado y
regulacin de la carga. Al disminuir la carga en los motores a gasolina mediante la
reduccin de los gases la magnitud M1decrece. Al haber sobrealimentacin M1 aumenta.
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En los motores a gasolina el coeficiente r es mayor, que en los motores Diesel, debido a
menores relaciones de compresin. Al disminuir la carga en los motores a gasolina r
aumenta. Al introducir la sobrealimentacin el coeficiente r disminuye como resultado
de una mayor cantidad de M1.
En los motores a gasolina r = 0.06 ..0.10; en los motores diesel r = 0.03 ..0.06;
rT =900 1000K para motores a gasolina, rT =700 900K para motores diesel,
En los motores de cuatro tiempos el coeficiente r puede ser disminuido utilizando la
sobrealimentacin y aumentando en cierta medida el traslapo de las vlvulas.
Coeficiente de barrido s : r
sMM
M
1
1
c) Temperatura de calentamiento de la carga.
La carga fresca durante su movimiento por el sistema de admisin y dentro del cilindro
entra en contacto con las paredes calientes, elevndose su temperatura en T. EL grado
de calentamiento de la carga depende de la velocidad de su movimiento, de la duracin
de la admisin, as como de la diferencia de temperaturas entre las paredes y la carga.
Al aumentar la temperatura de la carga su densidad disminuye, por eso el calentamiento
especial del sistema de admisin en el motor de carburador es conveniente solo hasta
cierto lmite correspondiente al calor necesario para la vaporizacin del combustible. El
calentamiento excesivo influye negativamente sobre el llenado del cilindro.
vapcl TTT ..
..clT : Incremento de la temperatura de la carga fresca debido al intercambio de calor.
vapT : Disminucin de la temperatura de la carga fresca, debido a la vaporizacin del
combustible.
El clculo de T se dificulta debido a la ausencia de datos suficientes para elegir el
coeficiente de transmisin de calor y la temperatura media de las superficies, as como a
la complejidad en determinar la parte de combustible que se ha evaporado durante el
proceso de admisin (en los motores de gasolina). Como resultado de esto, durante el
clculo trmico del motor la temperatura T se adopta basndose en los resultados
experimentales y en clculos indirectos. Si el sistema de intercambio de gases ha sido
diseado correctamente, la carga fresca que ingresa al cilindro del motor Diesel sin
sobrealimentacin, ser T 20 40C. Para el motor con formacin externa de la mezcla
T = 0 20C.
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Temperatura al terminar la admisin
La temperatura aT puede calcularse sobre la base del balance trmico, compuesto para la
carga fresca y para los gases residuales antes y despus de su mezcla.
Asumiendo que el proceso de transferencia de calor se realiza a presin constante y que
Cp= Cp.
arprrpkp TMMcTMcTTMc )()( 11
De donde:
r
rrka
MM
TMTTMT
1
1 )(
Puesto que:
)1(11 rr MMM
Entonces
r
rrka
TTTT
1
d) Coeficiente de llenado (V)
El grado de perfeccin del proceso de admisin se acostumbra evaluar por el coeficiente
de llenado o rendimiento volumtrico nv que es la razn entre la cantidad de carga fresca
que se encuentra en el cilindro al inicio de la compresin real, es decir, al instante en que
se cierran los rganos del intercambio de gases, y aquella cantidad de carga fresca que
podra llenar la cilindrada (volumen de trabajo del cilindro) en las condiciones de
admisin.
Los clculos muestran que para los motores con formacin externa de la mezcla, que
funcionan con combustible lquido, la diferencia entre los coeficientes de llenado,
calculando considerando la condicin de la carga fresca puede ser el aire o la mezcla aire
combustible, es insignificante. Por eso en lo sucesivo, para estos motores as como para
los de tipo Diesel, vamos a determinar la nv la cantidad de aire admitida al cilindro. Segn
la definicin:
nv = Gar / (Vh*k) = Vk / Vh
donde Gar es la cantidad msica real de carga fresca que se encuentra en el cilindro al
inicio de la compresin, en Kg; Vk, el volumen ocupado por la carga fresca y reducido a
las condiciones de admisin (Pk y Tk), en m3.
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En los motores de cuatro tiempos con barrido del cilindro en el periodo de traslapo de las
vlvulas y en los motores de dos tiempos parte de la carga fresca suministrada se pierde
en el barrido y no participa en los procesos de compresin y combustin.
k
rs
k
a
k
kv
P
P
P
P
TT
T
1
1
1
Segn datos experimentales:
2
1
2
1
k
k
v
v
T
T
Diversos factores que influyen sobre el coeficiente de llenado
Se puede decir que sobre el valor del coeficiente de llenado influyen la presin Pa y la
temperatura Ta al final de la admisin, el calentamiento de la carga, el coeficiente de gases
residuales, la temperatura Tr y la presin Pr, la relacin de compresin, los coeficientes
de recarga y de barrido. A su vez, dichas magnitudes dependen de una serie de factores
y, adems, estn relacionadas entre s.
* Relacin de compresin
Si los dems parmetros se mantiene constantes, entonces para mayores valores de , el
coeficiente de llenado aumentara. En la realidad, al crecer varan tambin otros
parmetros (disminuye el coeficiente y temperatura de los gases residuales, aumenta el
calentamiento de la carga y otros). Adems influye sobre nv de barrido de la cmara de
combustin. Se puede mostrar analticamente que siendo el barrido completo de la cmara
con el aumento de el coeficiente nv disminuye. Sin embargo, al elevar , nv puede tanto
aumentar como disminuir, en funcin del factor que ejerza mayor influencia.
* Presin al final de la admisin
La presin Pa es la que ejerce mayor influencia sobre nv. Se puede concluir que la Pa
depende de las resistencias en el sistema de admisin y vara proporcionalmente al
cuadrado de la velocidad media de la carga en la seccin mnima de la tubera de
admisin.
Al aumentar la velocidad de la carga en la seccin mnima de admisin, el coeficiente de
llenado disminuye, lo cual debe tenerse en cuenta al disear el sistema de admisin
cuando se requiere aumentar la velocidad de la carga.
* Presin y temperatura en la entrada
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La presin de la carga en la entrada ejerce cierta influencia sobre la magnitud del
coeficiente de llenado. Al aumentar Pk, sin variar la presin de escape, la relacin Pa/Pk
crece. Lo que conduce al incremento de nv.
El aumento de nv cuando crece Pk es una consecuencia de la disminucin relativa de las
perdidas hidrulicas, as como tambin de cierta disminucin del calentamiento T,
debido al enfriamiento ms intenso de las superficies que intercambian calor durante el
barrido del cilindro.
Con el aumento de la temperatura Tk, por efecto de la menor diferencia entre las
temperaturas de las paredes y del aire, la intensidad del intercambio de calor y la magnitud
T disminuyen, mientras nv crece. En los motores de carburador, siendo la temperatura
Tk elevada, mayor cantidad de calor, introducida con el aire, se gasta tambin en el
calentamiento y vaporizacin del combustible, as como para recalentar sus vapores.
* Presin de los gases residuales
La presin Pr tambin influye sobre nv. El aumento de la presin Pr manteniendo constante
la temperatura Tr, corresponde a la presencia de mayor cantidad de gases residuales en el
cilindro. En este caso gran parte de la carrera del pistn desde el P.M.S. se gasta para la
expansin de los gases residuales y la admisin comienza ms tarde, como consecuencia
de lo cual el coeficiente nv disminuye.
La resistencia del sistema es proporcional al cuadrado de la velocidad de salida del gas
en la seccin mnima de paso y, por lo tanto, es proporcional al cuadrado de la frecuencia
de rotacin del cigeal del motor. Tomando en consideracin la menor influencia de Pr
sobre nv, en algunas estructuras de motores disminuyen las secciones de paso de las
vlvulas de escape en cierta medida aumentando respectivamente las secciones de paso
de las vlvulas de admisin, obteniendo de esta manera el incremento de nv.
* Temperatura de los gases residuales
Puede considerarse que Tr no influye sobre nv, ya que la mezcla suministrada al calentarse
se expande tanto como se comprimen los gases residuales al ceder el calor a la mezcla
admitida o al aire.
* Calentamiento de la carga
En los motores con formacin externa de la mezcla parte del calor introducido con el aire
se gasta en calentar y evaporar la gasolina. Sin embargo, en la mayora de los casos la
cantidad de calor del aire, empleado para los fines indicados, no puede garantizar la
completa vaporizacin.
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Por eso, para este tipo de formacin de la mezcla, est se calienta adicionalmente en los
conductos de admisin.
Hay que tener en cuenta que el calentamiento excesivo del sistema de admisin, en caso
del cual a la mezcla aire combustible se le suministrara ms calor del necesario para la
vaporizacin del combustible, conduce a un incremento injustificado de la magnitud de
T y a la correspondiente disminucin del coeficiente nv y de la carga msica.
* Llenado del motor a n = constante variando la carga
Al disminuir la carga del motor de carburador y cerrar respectivamente la mariposa de
gases, las prdidas hidrulicas se incrementan, lo que conduce a la variacin del carcter
con que transcurre el proceso de intercambio gaseoso.
Al cerrar demasiado la mariposa de gases, el coeficiente de gases residuales crece. Debido
a la menor temperatura de la superficie, a causa de disminuir la carga decrece un poco.
Sin embargo, la variacin de T es en este caso insignificante. Como resultado de la
accin conjunta de estos factores, al reducir la carga el coeficiente nv tambin disminuye.
* Influencia de la variacin de n sobre el llenado de los motores de cuatro tiempos
Cuando el motor funciona cambiando la frecuencia de rotacin y a mxima carga (segn
la caracterstica externa de velocidad) sobre la calidad del llenado influyen la resistencia
en el sistema de admisin, el calentamiento de la carga y la presencia de gases residuales.
Cuando la frecuencia de rotacin aumenta la resistencia del sistema crece
proporcionalmente al cuadrado de la misma, como resultado de esto Pa tambin crece,
en tanto que la presin Pa disminuye. A pesar de que la temperatura media de la superficie
transmisora de calor se eleva, la temperatura de calentamiento de la carga T disminuye,
debido a que el tiempo de intercambio de gases decrece. El coeficiente de gases residuales
aumenta un poco.
Al aumentar la frecuencia de rotacin, nv al principio crece y luego, despus de alcanzar
su valor mximo valor, decrece.
COEFICIENTE DE EXCESO DE AIRE
En el motor de automvil la cantidad de aire realmente consumida puede ser, en funcin
del tipo de formacin de la mezcla, de las condiciones de encendido y combustin, as
como del rgimen de funcionamiento, mayor, igual o menor que la necesaria tericamente
para la combustin completa.
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La relacin entre la cantidad real de aire que ingresa al cilindro del motor (l, en Kg o L,
en Kmol) y la cantidad de aire tericamente necesaria para la combustin de 1 Kg de
carburante, se denomina coeficiente de exceso de aire y se designa con la letra :
= L/Lo
Siendo la mezcla estequiometrica L = Lo (l = lo) el coeficiente de exceso de aire = 1; si
< 1 (insuficiencia de oxgeno), la mezcla se denomina rica; cuando > 1 (exceso de oxigeno), la mezcla se denomina pobre.
En los motores de gasolina con encendido de la mezcla homognea por chispa y con regulacin combinada, cuando la mariposa de
gases est completamente abierta, la mayor economicidad y el transcurso suficientemente estable del proceso de combustin se logra
siendo = 1.1 1.3.
La mxima potencia de estos motores se obtiene enriqueciendo ligeramente la mezcla (
= 0.85 0.9). Para alcanzar un trabajo estable del motor a bajas cargas y en vaco se necesita un mayor enriquecimiento de la mezcla.
En caso de < 1, debido a la insuficiencia de oxgeno, el combustible no se quema totalmente, como consecuencia de lo cual durante
la combustin el desprendimiento de calor es incompleto y en los gases de escape aparecen
los productos de la oxidacin incompleta (CO, H, CH4 y otros).
DIFERENCIAS NOTABLES ENTRE EL MOTOR DIESEL Y EL MOTOR DE
ENCENDIDO POR CHISPA
En los motores Diesel la mezcla aire-combustible se realiza dentro del cilindro del motor
(formacin interna de la mezcla) y la regulacin de la mezcla al variar la carga es
cualitativa, es decir, la cantidad de aire suministrado al cilindro es aproximadamente
constante, y slo se incrementa o disminuye la alimentacin de combustible.
Estos 2 factores determinan que tanto el proceso de admisin como el de formacin de la
mezcla difieran sustancialmente de los mismos procesos en los motores de carburador
(ECH).
Las diferencias ms notables entre ambos motores durante el proceso de admisin son:
a) Menor cada de presin en el colector de admisin, por la ausencia de carburador.
b) Menor r debido a mayores de los motores Diesel. Este coeficiente, al disminuir
la carga, en los motores a gasolina aumenta, mientras que en los motores Diesel es
prcticamente constante.
c) No es necesario del calentamiento adicional del colector de admisin, como, a
veces, se emplea en el motor de carburador para intensificar el proceso de
vaporizacin del combustible. En el motor Diesel el combustible se inyecta y
evapora al final de la compresin, por eso calentar la carga de aire durante la
admisin no es conveniente, ya que aumenta T y, respectivamente, disminuye V.
En el motor Diesel siempre hay que disminuir el calentamiento de la carga durante
la admisin.
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d) Al disminuir la carga del motor de carburador (con N = cte) y cerrar respectivamente
la mariposa de gases, las prdidas de presin en la admisin se incrementan; esto
provoca tambin el incremento de los gases residuales. Debido a la menor
temperatura de las paredes, por la disminucin de la carga, el calentamiento de la
carga fresca decrece un poco. Sin embargo, la variacin de T es en este caso
insignificante. Como resultado conjunto de estos factores, al reducir la carga el
coeficiente V disminuye.
Los motores Diesel de 4 tiempos de aspiracin natural no tienen en su sistema de
admisin dispositivo alguno para cambiar la cantidad de aire que suministra al
cilindro. En consecuencia, cuando aumenta N = cte y vara la carga, relacionado con
el suministro de una mayor cantidad de combustible, la temperatura de las paredes
del colector se eleva, la transferencia de calor a la carga fresca (al aire) aumenta y
respectivamente T crece y, a pesar de que las prdidas hidrulicas no varan, como
resultado del calentamiento, la cantidad admitida de aire disminuye ligeramente con
el incremento de la carga. El coeficiente r casi no vara al modificar la carga. La
influencia conjunta de todos los factores conduce a que en el motor Diesel el
coeficiente V disminuya ligeramente al aumentar la carga.
e) Sobre el V , cuando el motor funciona cambiando la frecuencia de rotacin, segn
la caracterstica externa de velocidad, influyen la resistencia hidrulica en el sistema
de admisin, el calentamiento de la carga fresca y la presencia de gases residuales.
Al mismo tiempo, ejercen gran influencia las fases de distribucin de los gases y
los fenmenos ondulatorios que aparecen en los colectores de admisin y escape.
El efecto combinado de todos estos factores determinan que, tanto en el motor
Diesel como en el motor de carburador, al aumentar la frecuencia de rotacin,
V al principio crezca y luego, despus de alcanzar su mximo valor, decrezca.
Las diferencias en el proceso de formacin de la mezcla entre estos 2 tipos de motores
son muy notorias y estn estrechamente relacionadas con el mtodo de encendido.
a) En los motores de carburador, una mezcla aire-combustible, muy homognea en
su composicin ingresa los cilindros durante la carrera de compresin, gracias a la
accin de la chispa elctrica de la buja, se produce el encendido de la mezcla. Esto
se produce siempre y cuando el coeficiente est entre los lmites de inflamabilidad
de las mezclas aire-gasolina (aprox. 0.6 1.2), en caso contrario la mezcla no
arde.
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b) En los motores Diesel, la inyeccin del petrleo Diesel se realiza grados antes de
que el pistn llegue al PMS, y hay un periodo de tiempo (periodo de retardo) durante
el cual se va preparando la mezcla aire-combustible para su autoencendido, despus
de esto el proceso de inyeccin trascurre simultneamente con el de combustin.
Una vez finalizado el proceso de inyeccin, los vapores del combustible mezclado
con el aire residual, siguen combustionndose (combustin residual). Este es el
motivo de que en el motor Diesel, a diferencia del motor de carburador, se pueda
lograr combustiones de mezclas con coeficientes de exceso de aire tan variable
(desde = 5 o ms en los regmenes de vaco, hasta entre 1.4 y 1.6 en los
regmenes nominales); es decir, el vara constantemente durante el proceso de
inyeccin, y tambin de un lugar a otro en la cmara de combustin, y slo se
producir el autoencendido en aquellos lugares donde el local alcance un valor
cercano al estequiomtrico ( 0.9), a pesar de que el global puede tener valores
fuera de los lmites de inflamabilidad.
III) PROCEDIMIENTO
3.1 PARA EL MOTOR FORD
a) Encender el motor Ford.
b) Manteniendo la apertura de la vlvula mariposa constante (abierta 25%),
variar las RPM en forma decreciente, tomando para cada caso datos de la
fuerza en el dinammetro, tiempo de consumo del combustible, valor del
manmetro inclinado, temperatura del lquido refrigerante (agua), temperatura
y presin del aceite.
c) Manteniendo las RPM constante (2500 rpm), variar la apertura de la vlvula
mariposa en forma creciente, tomando para cada caso datos de la fuerza en el
dinammetro, tiempo de consumo del combustible, valor de la cada de
presin en el manmetro inclinado, temperatura del lquido refrigerante
(agua), temperatura y presin del aceite.
d) Apagar el motor.
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3.2 PARA EL MOTOR PETTER
a) Arrancar el motor Petter y calentarlo hasta que la temperatura del lquido
refrigerante, en la entrada, sea 70 C.
b) El coeficiente de exceso de aire vara de 0.46 a 0.57 aprox., en el rango
variar las RPM en forma decreciente, tomando para cada caso datos de la
fuerza en el dinammetro, tiempo de consumo del combustible, valor de la
cada de presin en el manmetro inclinado y en el manmetro en U,
temperatura del lquido refrigerante (agua) a la entrada y salida, temperatura
y presin del aceite.
c) Manteniendo las RPM constante (1500 rpm), variar la posicin de la
cremallera en forma decreciente, tomando para cada caso datos de la fuerza
en el dinammetro, tiempo de consumo del combustible, valor de la cada de
presin en el manmetro inclinado y en el manmetro en U, temperatura del
lquido refrigerante (agua) a la entrada y salida, temperatura y presin del
aceite.
d) Apagar el motor.
3.3 BANCO DE PRUEBAS DEL MOTOR FORD
-
Generador Motor Ford
Depsito de aire
Depsito de combustible
-
Tablero de Control
3.4 BANCO DE PRUEBAS DEL MOTOR PETTER
Intercambiador de Calor
Motor Petter
Dinammetro
Generador
-
Tablero de Control
Medidor de caudal de
combustible
Manmetro en U
Manmetro inclinado
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IV) DATOS OBTENIDOS
MOTOR FORD
DATOS ADICIONALES
Potencia efectiva (Ne) 39HP/5000rpm
Cilindrada (Vh) 1100cm3
Cantidad de cilindros 4
Relacin de compresin 8.9/1
Densidad del combustible(gasolina) 0.735 gr/cm3
Densidad del agua(T = 20C) 1000 Kg/m3
Coeficiente de descarga (Cf) 0,69
Diametro de la seccion de ingreso del aire(pulg) 1
Presion atmosferica (mmHg) 760
Temperatura ambiente (C) 17
Longitud del brazo del eje 0,32 m
Densidad del aire 1.225 Kg/m3
Relacin estequiomtrica (lo) 15
1 pinta = 473.18ml
MOTOR PETTER
DATOS ADICIONALES
Potencia efectiva (Ne) 8.2HP/2000rpm
Cilindrada(Vh) 659cm3
Cantidad de cilindros 1
Relacin de compresin 16.5/1
Densidad del combustible (Diesel 2) 0.850 gr/cm3
Densidad del agua (T = 20C) 1000 Kg/m3
Presin atmosfrica (mmHg) 758
Temperatura ambiente (C) 18.8
Longitud del brazo del eje 0,31 m
Densidad del aire 1.293 Kg/m3
Relacin estequiomtrica (lo) 14.45
-
V) CALCULOS Y RESULTADOS
a) Consumo de combustible GC (kg/s)
combCt
VG
6.3 (kg/h)
V = volumen en cc
t = tiempo en s
comb = densidad en gr/cm3
b) Consumo de aire teorico Gteorico (kg/s)
airehteorico VnG ***30 (kg/h)
c) Consumo de aire real Gar (kg/s)
En el Motor Ford:
aguaairefdar senSgACG **)15(**2**3600 (kg/h)
Ar =(2*)4/( rD m
2; Dr =1 pulg.
g = gravedad m/s2
)(var menliquidomanometrodeliacinS
aire = densidad en Kg/m3
En el Motor Petter:
273
6.13
10
464.0)(8365.50
0
T
PP
senSGar (kg/h)
P = cada de presin en el manmetro en U (cm H2O) s = cada de presin en el manmetro inclinado (cm H2O)
= ngulo de inclinacin del manmetro inclinado (30)
d) Coeficiente de exceso de aire
Ocomb
ar
lG
G
*
lo= relacin estequiometrica
e) Coeficiente de llenado (eficiencia volumetrica) v
teorico
arv
G
G
f) Momento efectivo: Me (N .m)
LFMe * (N.m)
F = fuerza en el dinammetro (N)
L = brazo del eje hasta el dinammetro (m)
g) Potencia efectiva del motor Ne (kw)
9550
* nMeNe (kw)
Me = Momento efectivo (N.m), n= RPM
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5.1 MOTOR FORD
1 Experiencia: h = cte. (apertura de la vlvula mariposa)
Tabla de valores obtenidos:
Tabla de valores calculados:
Punto Gc Me Ne Gar Gat nV
kg/h N.m KW kg/H Kg/h %
1 4.737 25.338 7.999 54.824 121.881 44.98 0.772
2 5.095 28.897 8.206 52.058 109.633 47.48 0.681
3 4.389 33.879 8.557 48.124 97.505 49.36 0.731
4 4.198 37.438 8.232 44.396 84.893 52.30 0.705
5 3.578 38.434 7.325 39.709 73.574 53.97 0.740
6 2.827 38.149 5.952 33.665 60.233 55.89 0.794
7 2.384 37.153 4.746 28.078 49.319 56.93 0.785
2 Experiencia: N = cte.
Tabla de valores obtenidos:
Punto h N F V t S Tagua Taceite Paceite
% RPM lb pinta seg cm C C psi
1 20 2500 9.9 0.0625 36.11 9.5 72 74.0 41.0
2 30 2500 19.5 0.0625 17.92 9.0 72 74.0 41.0
3 40 2500 25.0 0.0625 14.25 27.5 70 77.0 40.0
4 50 2500 26.5 0.0625 13.09 33.0 70 79.5 39.8
5 60 2500 33.4 0.0625 12.16 35.5 72 84.0 39.0
6 70 2500 27.0 0.0625 10.53 40.5 70 87.0 39.4
7 80 2500 35.4 0.0625 11.75 42.0 68 89.0 39.7
Tabla de valores calculados:
Punto Gc Me Ne Gar Gat nV
kg/h N.m KW kg/H Kg/h %
1 2.167 14.093 3.689 30.6 101.0625 30.28 0.941
2 4.367 27.758 7.266 29.8 101.0625 29.47 0.455
3 5.491 35.587 9.316 52.1 101.0625 51.51 0.632
4 5.978 37.722 9.875 57.0 101.0625 56.43 0.636
5 6.435 47.544 12.446 59.1 101.0625 58.53 0.613
6 7.431 38.434 10.061 63.2 101.0625 62.51 0.567
7 6.660 50.391 13.191 64.3 101.0625 63.66 0.644
Punto N h F V t S Tagua Taceite Paceite
RPM % lb pinta seg cm C C psi
1 3015 35 17.8 0.0625 16.52 30.5 70 48 44
2 2712 35 20.3 0.0625 15.36 27.5 68 57 42
3 2412 35 23.8 0.0625 17.83 23.5 70 64 40
4 2100 35 26.3 0.0625 18.64 20.0 72 68 38
5 1820 35 27.0 0.0625 21.87 16.0 70 71 37
6 1490 35 26.8 0.0625 27.68 11.5 74 72 37
7 1220 35 26.1 0.0625 32.83 8.0 72 72 37
-
5.2 MOTOR PETTER
1 Experiencia: h = cte. (posicin de la cremallera)
Tabla de valores obtenidos:
Tabla de valores calculados:
Punto Gc Me Ne Gar Gat nV
kg/h N.m KW kg/H Kg/h %
1 2.542 298.028 62.414 35.312 51.125 69.07 0.9615
2 2.176 322.357 60.758 33.571 46.013 72.96 1.0675
3 1.949 334.521 56.045 31.482 40.900 76.97 1.1178
4 1.665 352.768 51.715 28.345 35.788 79.20 1.1782
5 1.419 358.850 45.091 24.867 30.675 81.07 1.2125
6 1.162 355.809 37.257 21.377 25.563 83.63 1.2734
2 Experiencia: N = cte.
Tabla de valores obtenidos:
Punto h N F V t S P Te Ts Paceite
mm RPM kg cc seg cmH2O cmH2O C C psi
1 17 1600 75.5 5 14.15 9.1 5.8 69.5 72 42.0
2 16 1600 91.0 5 12.27 9.2 5.6 69.5 72 39.0
3 15 1600 102.5 5 9.70 9.0 5.5 70.0 72 39.0
4 14 1600 109.0 5 7.98 9.0 5.5 70.0 72 39.0
5 13 1600 112.0 5 6.80 8.9 5.5 70.0 72 37.5
6 12 1600 114.0 5 6.40 8.9 5.5 69.0 72 36.0
7 11 1600 113.0 5 6.03 8.9 5.5 70.5 74 35.0
Tabla de valores calculados:
Punto Gc Me Ne Gar Gat nV
kg/h N.m KW kg/H Kg/h %
1 1.081 229.603 38.468 31.828 40.900176 77.82 2.0371
2 1.247 276.740 46.365 32.184 40.900176 78.69 1.7862
3 1.577 311.713 52.224 31.488 40.900176 76.99 1.3815
4 1.917 331.480 55.536 31.488 40.900176 76.99 1.1365
5 2.250 340.603 57.064 31.138 40.900176 76.13 0.9577
6 2.391 346.685 58.083 31.138 40.900176 76.13 0.9014
7 2.537 343.644 57.574 31.138 40.900176 76.13 0.8493
Punto N h F V t S P Te Ts Paceite
RPM mm kg cc seg cmH2O cmH2O C C psi
1 2000 14 98 5 6.02 10.1 6.2 70 72 51
2 1800 14 106 5 7.03 9.6 6.0 70 73 47
3 1600 14 110 5 7.85 9.0 5.7 70 73 40
4 1400 14 116 5 9.19 8.1 5.3 70 73 32
5 1200 14 118 5 10.78 7.1 4.4 70 73 22
6 1000 14 117 5 13.17 6.1 3.8 70 72 20
-
EF
ICIE
NC
IA V
OL
UM
ET
RIC
A V
S R
PM
(h
=cte
.)
y =
-1
E-0
6x2
- 0
.00
18
x +
61
.02
1
0
10
20
30
40
50
60
70
0500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
N (
RP
M)
nV (%)
VI) REPRESENTACION GRAFICA DE LOS RESULTADOS
6.1 MOTOR FORD
-
COEFICIENTE DE EXCESO DE AIRE VS RPM (h=cte.)
0.5
0.6
0.6
0.7
0.7
0.8
0.8
0.9
0.9
1.0
1.0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
N (RPM)
-
EFICIENCIA VOLUMETRICA VS CARGA (RPM=cte.)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Ne (KW)
nV
(%
)
-
COEFICIENTE DE EXCESO DE AIRE VS CARGA
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14Ne (KW)
-
EF
ICIE
NC
IA V
OL
UM
ET
RIC
A V
S.
RP
M (
h=
cte
.)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
N (
RP
M)
v (%)6.2 MOTOR PETTER
-
COEFICIENTE DE EXCESO DE AIRE VS. RPM (h=cte.)
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
1.10
1.20
1.30
1.40
1.50
400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
N (RPM)
-
EFICIENCIA VOLUMETRICA VS. CARGA (RPM=cte.)
50
55
60
65
70
75
80
85
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Ne (KW)
v (
%)
-
COEFICIENTE DE EXCESO DE AIRE VS. CARGA (RPM=cte.)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Ne (KW)
-
VII) OBSERVACIONES
En el Motor Ford:
Se arranc el motor y se tomaron datos cuando el motor lleg a su temperatura de
trabajo. Se ley en el refrigerante aprox. 70C.
Durante la experiencia no se llego a alcanzar la potencia mxima del motor que
es de 22,37 kw a 3000 r.p.m.; esto debido a que la mariposa de gases slo se abri
hasta un 70% (como mximo a 3000 r.p.m).
VII) ANALISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES.
En el Motor Ford:
En la curva V vs RPM para h=cte. comprobamos la tendencia de la curva que es
decreciente conforme aumentamos la RPM, desde un RPM mnimo estable hasta
el RPM nominal. Podramos decir que al aumentar la velocidad de rotacin del
cigeal aumentamos la carga en el sistema de admisin, y por consiguiente, la
perdida de presin, y por consiguiente, disminuye V. Tambin se concluye que la
eficiencia no se acerca al 1 sino que es menos ya que existen prdidas adicionales
por reglaje de vlvulas. En este caso sera por cierre tardo.
En la curva V vs Ne para RPM=cte. comprobamos igualmente la tendencia de la
curva la cual como sabemos por teora empieza para un Ne = 0, en un V = 0.15-
0.25 y crece hasta su mximo que tiende a un V = 0.75-0.85. En nuestra grfico
podemos comprobarlo si extrapolamos la curva ya que tomamos valores
intermedios. Esto tendencia se debe a que con la estrangulacin de la mezcla,
que se usa en los motores con carburador para disminuir la carga, es acompaada
por la disminucin de la presin en el sistema de admisin y en el cilindro, adems
la carga fresca se calienta.
En la curva vs N para h=cte, se obtuvo valores entre 0.6 y 0.8. Siendo entonces
la mezcla es rica. Adems segn la tendencia de la curva vemos que va
disminuyendo al aumentar Ne pero no en gran medida.
En la curva vs Ne para RPM=cte, tambin obtenemos una mezcla rica, la cual
tiende a 1 o incluso a ser una mezcla pobre con >1 si disminuimos Ne. Al
aumentar Ne se llega hasta un min y luego tiende a subir nuevamente.
-
En el Motor Petter:
Con la posicin de la cremallera constante (14 mm), la eficiencia volumtrica V
decrece a medida que aumentan las RPM, ya que al aumentar la velocidad se
incrementan las prdidas hidrulicas Pa y la cantidad de gases residuales.
A velocidad constante (1600 rpm), la eficiencia volumtrica V decrece a medida
que aumenta la carga (se acorta ms la posicin de la cremallera), ya que al
aumentar la carga se incrementa el consumo de combustible, entonces aumenta el
calentamiento de la mezcla fresca (T).
Con la posicin de la cremallera constante (14 mm), el coeficiente de exceso de
aire decrece a medida que aumentan las RPM, ya que el consumo de combustible
se incrementa en mayor proporcin que la cantidad de mezcla fresca.
A velocidad constante (1600 rpm), el coeficiente de exceso de aire decrece a
medida que aumenta la carga (se acorta ms la posicin de la cremallera), debido
al incremento de la cantidad de combustible en mayor proporcin que la cantidad
de mezcla fresca.
El coeficiente de exceso de aire vara de 0.85 a 2.05 aprox., lo que quiere decir
que hay defecto de aire (mezcla rica), as como tambin, exceso de aire (mezcla
pobre), para distintas condiciones de trabajo.
El coeficiente de llenado o eficiencia volumtrica nos result, para el motor
Diesel, result en un rango de 65% - 89% con h=35% (apertura de la mariposa),
mientras que para el motor gasolinera, result en un rango de 45% -57%, para un
h=14mm (posicin de la cremallera). Se observa entonces claramente un mejor
llenado o llenado ms eficiente de lo real respecto a lo terico en los Diessel.
VIII) RECOMENDACIONES
En el Motor Ford:
Tomar rpidamente los datos, habiendo esperado a que se mantengan estables
Chequear constantemente la temperatura del lquido refrigerante y tratar de que
se mantenga alrededor de 70C. Si va subiendo, entonces mediante la vlvula de
agua manipular (haciendo ingresar agua fra por la que est caliente) para
conseguirlo.
IX) BIBLIOGRAFIA
-
1.- JVAJ, M. S. Motores de automvil , Edit. Mir, Mosc
2.- LUKANIN V.N., Motores de combustin interna, Edit. MIR, Mosc
3.- HTTE Manual del Ingeniero Tomo II, Edit Gili, Barcelona