laboratorio de perdidas mecanicas en un motor de combustion interna encendido por chispa
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LABORATORIO DE PERDIDAS MECANICAS EN UN MOTOR ENCENDIDO POR CHISPA. Laboratorio dirigido por el Dr. Luis Lastra UNI FIM. Estudio de las perdidas mecanicas en un motor encendido por chispa Banco de Pruebas DAIHATSU.TRANSCRIPT
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
EXPERIENCIA 3: ESTUDIO DE LAS PERDIDAS MECANICAS EN LOS
MOTORES DE COMBUSTION INTERNA
EXPERIMENTO DIRIGIDO POR: DR. LUIS LASTRA ESPINOZA
MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA – MN 136 E
UNIDAD EJECUTORA: GRUPO 1
ALATA TRIVEÑO, Erick Moisés
ARROYO CONDOR, Jean Marco
CASTRO ESCOBAR, José Enrique
CHANCATUMA HUAMAN, Jesús Eusebio
FLORES NARVAEZ, Jorge
LIJARZA TORRES, Mackinder
SOCA QUISPE, Jonathan
20101077C
20102678K
20062557C
20127027C
20101114F
20100184K
20100142F
FECHA DE REALIZACIÓN: 02 DE ABRIL DEL 2014.
FECHA DE ENTREGA: 09 DE ABRIL DEL 2014.
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RESUMEN TECNICO
Las actividades del presente informe se realizaron el día 02 de Abril en el Laboratorio
del Instituto de Motores de Combustión Interna (IMCI) de la Universidad Nacional de
Ingeniería en horas de la tarde: 1pm – 4 pm.
El grupo comenzó con una demostración de la utilización del banco de pruebas del
Motor Daihatsu CB-20 (motor encendido por chispa), realizada por el Dr. Luis Lastra
Espinoza. Se comprobó el estado del banco de ensayos y del motor (sin arrancarlo),
inmediatamente después se arrancó el motor.
La primera instrucción fue regular la válvula mariposa a un 𝜑 = 40°, una vez fijada la
mariposa, regulamos en el tablero de control una velocidad de 1400 rpm y comenzamos
con la desconexión de cada cilindro del motor (bujía). Luego se procedió a medir la
fuerza registrada en el dinamómetro, para así calcular los momentos y potencias
efectivos correspondientes.
La segunda instrucción fue variar la velocidad del tablero de control a 1600, 1800, 2200
y 2400 rpm, luego se procedió a desconectar los cilindros (circuito de la bujía) del motor.
Luego se registraron las fuerzas indicadas en el dinamómetro.
Realizando los cálculos respectivos obtuvimos las perdidas mecánicas y la eficiencia
mecánica. Interpretándolas a través de la construcción de las curvas de Ne, Ni, Nm, 𝜂𝑚
vs RPM.
Se obtuvo en promedio para los diferentes regímenes de velocidad una eficiencia
mecánica de 35.5 %.
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INTRODUCCION
Por perdidas mecánicas se entiende las pérdidas originadas por la fricción de las piezas,
el intercambio de gases, el accionamiento de mecanismos auxiliares (bombas de agua,
de aceite, de combustible, ventilador, generador) y el accionamiento del compresor
(soplador).
Por analogía a la presión media indicada, cuando se estudia las perdidas mecánicas,
convencionalmente se introduce el concepto de presión media de perdidas mecánicas,
la cual numéricamente igual al trabajo específico de pérdidas mecánicas en un ciclo.
Las mayores pérdidas mecánicas se deben a perdidas por fricción, que constituyen
hasta un 80% del total. La mayor parte de las perdidas por fricción corresponde a las
piezas del grupo cilindro – embolo y anillos (del 45 al 55% en total de las perdidas
internas).
Las pérdidas por fricción en los cojinetes constituyen aproximadamente el 20% del total
de las perdidas mecánicas.
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OBJETIVOS
1) Impartir conocimientos sobre las metodologías de determinación de las perdidas
mecánicas en los motores de combustión interna.
2) Estudia la influencia sobre la magnitud de las perdidas mecánicas según el
régimen de velocidad del motor (velocidad de rotación del cigüeñal).
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FUNDAMENTO TEÓRICO
1. Pérdidas mecánicas
Para iguales condiciones de funcionamiento del motor a diferentes cargas y regímenes
de velocidad, en caso de reducir las pérdidas mecánicas, decrece la cantidad de calor
transmitida al medio refrigerante y disminuye la intensidad de las piezas friccionantes
del motor. Siendo menores las pérdidas por fricción disminuyen las pérdidas de potencia
consumida para accionar la bomba de aceite y el ventilador, así como menguan las
dimensiones máximas y las masas del ventilador y las masas del radiador. Cuanto
menores sean las pérdidas por fricción tanto menor será el desgaste de las principales
piezas friccionantes, será mayor la vida útil y menor el número de fallas del motor
durante su servicio.
A pesar del considerable proceso alcanzado en la fabricación de motores, los valores
de Nm (potencia mecánica) son relativamente pequeños en el régimen nominal
generalmente no superiores de 0,75-0,80 Nmax. Al disminuir la carga el valor de Nm.
decrece.
La magnitud de las pérdidas por fricción puede ser obtenida por la suma de las perdidas
mecánicas como en el desplazamiento relativo de los pistones y anillos en los cilindros,
de los bulones en los casquillos, de los cigüeñales y el árbol de levas en los cojinetes,
del taqué y las válvulas en las guías, también en las bombas de aceite, la bomba del
líquido refrigerante, cadena de distribución etc.
1.2 Importancia
Para aumentar el rendimiento efectivo se trabaja bien mejorando los procesos
termodinámicos del ciclo de trabajo y con ello incrementar el trabajo indicado, o
incrementando el rendimiento mecánico, es decir, reduciendo las pérdidas entre el
trabajo que transfieren los gases al pistón y el trabajo mecánico disponible en el eje de
salida.
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1.3 La potencia efectiva (Ne)
La potencia efectiva es generada por un par (aplicada a la biela y transmitida al cigüeñal)
y se conoce también como potencia al freno ya que se mide empleando un dispositivo
frenante, que aplicado al eje del motor, se opone al par motor permitiendo leer su valor.
1.4 La potencia de perdidas mecánicas
Resulta difícil de medir dada la diversidad de las causas de las pérdidas por rozamiento
y las alteraciones de su valor al variar las condiciones de funcionamiento. Puede
obtenerse su valor total midiendo la potencia efectiva y restando de la indicada. Como
en este procedimiento resulta complejo la determinación de la potencia absorbida suele
acercarse obligando a girar al motor sin que este funcione. Midiendo al propio tiempo la
potencia que es necesario emplear.
NeNiNm
Por perdidas mecánicas se entiende las pérdidas originadas por la fricción entre las
piezas del motor, el intercambio de gases, el accionamiento de mecanismos auxiliares
(bombas de agua, de aceite, de combustible, ventilador, generador) y el accionamiento
del compresor (soplador). En los motores Diesel con cámaras de combustión separadas,
las perdidas mecánicas se deben también a las perdidas gasodinámicas ocurridas al
pasar la mezcla a través del canal que comunica la cámara auxiliar con la cámara
principal del motor.
Por analogía a la presión media indicada, cuando se estudia las pérdidas mecánicas,
convencionalmente, se introduce el concepto de presión media de pérdidas mecánicas,
la cual numéricamente es igual al trabajo específico de pérdidas en un ciclo.
Matemáticamente la presión media de perdidas mecánicas se representa mediante la
siguiente expresión:
Pm = Pfr + Pi.g + Paux + Pvent + Pcomp
Donde:
9550
nMeNe
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Pfr : Presión media de perdidas mecánicas por fricción.
Pi.g : Presión media de perdidas mecánicas por intercambio de gases.
Paux : Presión media de perdidas mecánicas por accionamiento de mecanismos
auxiliares.
Pvent : Presión media de perdidas mecánicas por ventilación.
Pcomp : Presión media de perdidas mecánicas por accionamiento del compresor para
el caso de motores con sobrealimentación mecánica.
Las mayores pérdidas mecánicas se deben a las pérdidas por fricción Pfr, que
constituyen hasta un 80% del total. La mayor parte de las perdidas por fricción
corresponde a las piezas del grupo cilindro - embolo y anillos (del 45% al 55% en total
de las perdidas internas). Las pérdidas por fricción en los cojinetes constituyen
aproximadamente el 20% del total de las perdidas mecánicas.
1.5 Métodos para hallar las pérdidas mecánicas
La determinación de las pérdidas mecánicas se puede efectuar por los siguientes
métodos:
1) Método de desaceleración libre
2) Método lineal de William
3) Método Morse o Método de desconexión de cilindros
4) Método por diagrama Indicado.
5) Método por arrastre
En el desarrollo de la experiencia, utilizamos el método de desconexión de cilindros.
1.6 Método por desconexión de cilindros
Este método consiste en la desactivación sucesiva de cada cilindro. Cuando se
desactiva cada cilindro se va a producir modificaciones de las presiones y temperaturas.
Por ejemplo si tuviéramos un motor de 4 cilindros, para hallar las pérdidas mecánicas
tendríamos la siguiente relación:
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Donde:
∑𝑁𝑒′: es la suma de potencias del motor al eliminar la combustión sucesivamente en
los diferentes cilindros.
𝑁𝑒: es la potencia efectiva con todos los cilindros activos.
𝑁𝑝𝑚: es la pérdida mecánica total del motor.
En el cálculo se está incluyendo la pérdida por bombeo.
Sin combustión en el cilindro 1 𝑁𝑒𝐼 = 𝑁𝑒2 +𝑁𝑒3 + 𝑁𝑒4 − 𝑁𝑝𝑚1
Sin combustión en el cilindro 2 𝑁𝑒𝐼𝐼 = 𝑁𝑒1 + 𝑁𝑒3 +𝑁𝑒4 −𝑁𝑝𝑚2
Sin combustión en el cilindro 3 𝑁𝑒𝐼𝐼𝐼 = 𝑁𝑒1 +𝑁𝑒2 + 𝑁𝑒4 − 𝑁𝑝𝑚3
Sin combustión en el cilindro 4 𝑁𝑒𝐼𝑉 = 𝑁𝑒1 +𝑁𝑒2 + 𝑁𝑒3 −𝑁𝑝𝑚4
Sumando ∑𝑁
𝑒
′
= 3(𝑁𝑒1 +𝑁𝑒2 + 𝑁𝑒3 +𝑁𝑒4)
−∑𝑁𝑝𝑚
Finalmente tenemos: ∑𝑁
𝑒
′
= 3 ∗ 𝑁𝑒 − 𝑁𝑝𝑚
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INSTRUMENTOS Y EQUIPOS UTILIZADOS
01 Banco de pruebas DAIHATSU
01 Dinamómetro
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Posicionador de la válvula mariposa
Desconector del circuito de cada cilindro
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Tablero de control eléctrico
Implementos de seguridad.
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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Mediciones a realizar:
1) Número de revoluciones por minuto del cigüeñal.
2) Fuerza en el dinamómetro; para n cilindros funcionando, para n-1 cilindros n-2
cilindros, n-3 cilindros, etc. Tantos como cilindros tenga el motor.
Secuencia:
1) Arrancar el motor y esperar que la temperatura de la salida del agua sea 70°C.
2) Llevar las revoluciones a 1400 rpm y medir la fuerza en el dinamómetro.
3) Desconectar el cilindro n°1 (bujía) y medir la fuerza en el dinamómetro.
4) Volver a repetir el paso 3, desconectando los cilindros n°2 y n°3 respectivamente.
5) Repetir los pasos 1, 2, 3 para velocidades de 1600, 1800, 2200 y 2400 rpm.
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Una vez realizados los pasos antes mencionados, se obtuvieron los siguientes
resultados:
n
(RPM)
FD
(kgf)
FD-1
(kgf)
FD-2
(kgf)
FD-3
(kgf)
1400 20.6 12.8 13 13
1600 20.4 12.8 12.6 12
1800 19.7 12.2 12.6 12
2200 19 11.3 11.5 11.4
2400 18.5 10 10.3 10.2
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FORMULAS UTILIZADAS
El método que se usara para evaluar las pérdidas mecánicas es el de desconexión de
cilindros.
𝑁𝑒 =𝑀𝑒𝑥𝑛
9550=𝐹𝑒. 𝐿. 𝑛
9550
Desconectamos el primer cilindro:
𝑁𝑒−1 =𝐹𝑒−1. 𝐿. 𝑛
9550
𝑁𝑖1 = 𝑁𝑒 −𝑁𝑒−1 =(𝐹𝑒 − 𝐹𝑒−1). 𝐿. 𝑛
9550
Desconectando el segundo y tercer cilindro obtenemos:
𝑁𝑖2 = 𝑁𝑒 −𝑁𝑒−2 =(𝐹𝑒 − 𝐹𝑒−2). 𝐿. 𝑛
9550
𝑁𝑖3 = 𝑁𝑒 −𝑁𝑒−3 =(𝐹𝑒 − 𝐹𝑒−3). 𝐿. 𝑛
9550
𝑁𝑖 = 𝑁𝑖1 +𝑁𝑖2 +𝑁𝑖3
Potencia de pérdidas mecánicas:
𝑁𝑚 = 𝑁𝑖 − 𝑁𝑒
Eficiencia mecánica:
𝑛𝑚 =𝑁𝑒
𝑁𝑖
RESULTADOS OBTENIDOS
Aplicando las formulas respectivas, para los datos obtenidos en el laboratorio:
n
(RPM)
FD
(kgf)
FD-1
(kgf)
FD-2
(kgf)
FD-3
(kgf)
1400 20.6 12.8 13 13
1600 20.4 12.8 12.6 12
1800 19.7 12.2 12.6 12
2200 19 11.3 11.5 11.4
2400 18.5 10 10.3 10.2
Calculamos el momento efectivo y las potencias efectivas:
Me
(N.m)
Ne
(KW)
Ne-1
(KW)
Ne-2
(KW)
Ne-3
(KW)
65.274 9.569 0.60609 0.61556 0.61556
64.640 10.830 0.69267 0.68185 0.64938
62.422 11.765 0.74273 0.76708 0.73055
60.204 13.869 0.84081 0.85570 0.84826
58.620 14.732 0.81173 0.83608 0.82796
Calculamos las potencias indicadas, perdidas mecánicas y la eficiencia mecánica:
Ni1
(KW)
Ni2
(KW)
Ni3
(KW)
Ni
(KW)
Nm
(KW)
ef mec
(%)
8.96284 8.95337 8.95337 26.86958 17.30065 35.613
10.13707 10.14790 10.18036 30.46533 19.63559 35.548
11.02267 10.99832 11.03485 33.05585 21.29044 35.593
13.02816 13.01328 13.02072 39.06217 25.19319 35.505
13.91991 13.89556 13.90368 41.71915 26.98751 35.311
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Se construyeron las siguientes curvas:
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
35.00
40.00
45.00
1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600
Ni,
Ne,
Nm
RPM
Ni, Ne, Nm vs RPM
Ni vs RPM
Ne vs RPM
Nm vs RPM
Polinómica (Ni vs RPM)
Polinómica (Ne vs RPM)
Polinómica (Nm vs RPM)
y = -4E-07x2 + 0.0014x + 34.475
33.000
33.500
34.000
34.500
35.000
35.500
36.000
1000 1500 2000 2500 3000
Efic
ien
cia
mec
anic
a
RPM
Eficiencia mecanica vs RPM
Eficiencia mecanica vs RPM
Polinómica (Eficienciamecanica vs RPM)
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CONCLUSIONES Y COMENTARIOS
1. La potencia por pérdidas mecánicas va en aumento con la velocidad, debido al
incremento de la fricción, a la disminución de la viscosidad del aceite lubricante
y al aumento de las pérdidas por intercambio de gases (las cuales también
aumentan con las RPM del motor debido a que la presión al final de la admisión
es cada vez menor).
2. Si se reducen las pérdidas mecánicas se aprovechará mejor la potencia del
motor y en particular reducir las pérdidas por fricción reduce el desgaste de las
principales piezas frotantes y por ello se incrementa la vida útil del motor.
3. Se observa que la fuerza en el dinamómetro disminuye conforme aumentamos
las RPM del cigüeñal; esto se debe a que conforme las RPM son elevadas es
menor el impacto de la inercia.
4. Para disminuir las perdidas mecánicas por rozamiento se deben utilizar aceites
lubricantes multigrados; los cuales son recomendables para cualquier
temperatura, ya que su viscosidad no cambia con el aumento o disminución de
ésta, también mejorando el accionamiento de los elementos auxiliares como
accionar el ventilador solo cuando se necesite enfriar el motor.
5. La eficiencia mecánica disminuye conforme aumentamos las RPM, formando
una curva cóncava hacia debajo de acuerdo a la tendencia teórica, la mayor
eficiencia mecánica obtenida en nuestro ensayo fue de 35.6%.
6. Debido al tiempo de uso y los desgastes internos, las potencias efectivas e
indicadas al desconectar los cilindros varían ligeramente, ya que si el motor
estuviera nuevo estos valores serian iguales.
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OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES
1. Mientras íbamos incrementando las RPM del motor, empezó a sobrecalentarse
más de lo debido, y esto empezó a generar errores en las lecturas del tablero
eléctrico, motivo por el cual los datos para 2400 RPM, fueron tabulados por el
Dr. Luis Lastra Espinoza.
2. El motor DAIHATSU debe llevarse a mantenimiento inmediato.
3. Se recomienda verificar siempre el valor de temperatura del refrigerante.
4. Se recomienda que la variación de los parámetros de control sea gradual, a fin
de que las otras variables tengan un comportamiento similar y se pueda observar
mejor su desarrollo en la experiencia evitando los cambios bruscos.
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BIBLIOGRAFIA
1. Motores de automóvil – Jovaj M.S.
2. Motores de combustión interna – Obert E.F.
3. Motores de combustión interna – Lukanin V. N.
4. Experimentación y cálculo de motores de combustión interna – Luis Lastra,
Guillermo Lira, Andres Valderrama, Elizabet Vera, Fidel Amesquita.
5. Motores Diesel – Boulanger P.
6. Manual del automóvil – Arias Paz.