motores de combustion interna
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1. OBJETIVOS
a) Determinar la influencia de los regímenes de funcionamiento eficiencia volumétrica y
exceso de aire, que son los parámetros que caracterizan el proceso de admisión y de
formación de la mezcla.
b) Realizar un estudio experimental del comportamiento del motor Ford (gasolinero) en
función de la carga y la velocidad.
c) Estudio de las curvas características de coeficiente de llenado y exceso de aire vs la
carga y las RPM. Para ello se realizará un ensayo con h=cte. y luego RPM=cte.
2. FUNDAMENTO TEÓRICO
PROCESO DE ADMISIÓN
La cantidad de carga fresca que ingresa en el proceso de admisión, es decir, el llenado del
cilindro, depende de los siguientes factores:
1. Resistencia hidráulica en el sistema de admisión, que hace disminuir la presión de la
carga suministrada en la magnitud Pa;
2. Existencia de cierta cantidad Mr de productos quemados (gases residuales) en el
cilindro, que ocupan parte de su volumen;
3. Calentamiento de la carga por las superficies de las paredes del sistema de admisión y
del espacio interior del cilindro en la magnitud T, como consecuencia de la cual
disminuye la densidad de la carga introducida.
La influencia que ejerce cada uno de los factores indicados puede aclararse analizándolos
por separado.
a) Presión en el cilindro en el periodo de llenado.
La existencia de resistencias en el sistema de admisión 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 disminución de la presión en el sistema de admisión y en el cilindro depende del régimen
de velocidad del motor, de las resistencias hidráulicas en todos los elementos del sistema,
del área de las secciones de paso por donde se desplaza la carga fresca y de su densidad.
Utilizando la ecuación de Bernoulli podemos escribir.
PK
ρK
+wK
2
2+gZ K =
Pa
ρa
+β2 wad2
2+ξad
wad2
2+gZ a
Donde:
ρK : densidad de la carga en la entrada del cilindro.
ρa : densidad de la carga en el cilindro.
wK : velocidad del aire en la entrada del sistema de admisión.
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wad : Velocidad media del aire en todo el proceso de admisión (medida en la válvula por ser la sección más estrecha del sistema de admisión) en m/s.
ZK : Altura de nivel desde el eje del sistema de admisión
Za : Altura de nivel desde el eje de la válvula de admisión.
ξad : Coeficiente de resistencia del sistema de admisión referida a su sección más estrecha.
wc : Velocidad media del aire en la sección examinada del cilindro.
β=wc
wad : (coef. de amortiguación de la velocidad de la carga en la sección examinada del cilindro).
Asumiendo:
wk=0 , Zk=Za , ρk=ρa ,
Reemplazando en la ecuación anterior se obtiene:
ΔPa=Pk−Pa=( β2+ξad )wad
2
2ρk
ΔPa : perdidas hidráulicas en el sistema.
Para las secciones más estrechas del sistema de admisión y del cilindro la ecuación de continuidad es:
wad f ad=CpmáxF p
f ad : área de la sección de paso de la válvula (o de la sección más estrecha)..
Cpmáx : velocidad máxima del pistón.
F p : área de la cara del pistón.
Cpmáx=Rω√1+λ2
ω=2πn : (n, frecuencia de rotación del cigüeñal).
λ=RL , relación entre el radio de la manivela R y la longitud de la biela L.
wad=Cpmás
F p
f ad
=2π Rn√1+λ2 ( πD2
4)( 1
f ad
)=A1nf ad
Reemplazando wad en la ecuación de perdidas hidráulicas se obtiene:
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ΔPa=( β2+ξad)(A1
2n2
2)( 1
f ad2
)ρk=A2n2
f ad2
En los motores de automóvil modernos de cuatro tiempos con las válvulas dispuestas en la
parte superior la posibilidad de aumentar la superficie fad está limitada por condiciones de
ubicación de las válvulas en la culata.
Siendo Vh = constante en caso de disminuir la carrera del pistón será necesario aumentar
respectivamente el diámetro D del cilindro, lo que permitirá instalar válvulas con mayor
sección de sus gargantas de paso.
La superficie de la sección de paso en las válvulas puede incrementarse utilizando cámaras
de combustión en las cuales las válvulas van dispuestas inclinadamente.
Según datos experimentales obtenidos al investigar motores de automóviles, para la
apertura completa de la válvula en el régimen nominal, la velocidad de movimiento de la
carga en la sección de paso es 50 – 130 m/s, los coeficientes de resistencia están entre los
valores de 2.5–4.
En los motores de cuatro tiempos sin sobrealimentación los datos experimentales muestran
que Pa = (0.8 – 0.9) Po, mientras que para los que emplean sobrealimentación Pa =
(0.9– .96) Pk.
b) Cantidad de gases residuales.
En el proceso de escape no se logra desalojar por completo del cilindro los productos de la
combustión, ocupando éstos cierto volumen a presión Pr y temperatura Tr respectivas.
En el proceso de admisión los gases residuales se expanden y mezclándose 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, así 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.
γ r=M r
M 1
En los motores de cuatro tiempos, que tiene traslapo de válvula (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 cámara de combustión Vc=Vh/(ε-1), y por lo tanto, su
cantidad:
M r=PrV c
RvTr
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La magnitud Pr queda definida por la presión del medio ambiente al cual se expulsa los
gases,es decir, por la presión Po en caso en caso de escape a la atmósfera o Pp cuando en el
escape se instala un silenciador o un colector, habiendo sobrealimentación por turbocompresor.
La temperatura Tr depende de la composición de la mezcla del grado de expansión y del
intercambio de calor en la expansión y en el escape. En los motores de gasolina, en los cuales
la composición de la mezcla varía entre límites relativamente pequeños, 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 compresión y respectivamente de expansión más altas y a las
temperaturas más bajas en este último proceso.
Es muy importante señalar que el aumento de la relación de compresión siempre va
acompañado de la disminución de Mr.
El número de moles de la carga fresca M1 se caracteriza por las condiciones de llenado y
regulación de la carga. Al disminuir la carga en los motores a gasolina mediante la reducción de
los gases la magnitud M1decrece. Al haber sobrealimentación M1 aumenta.
En los motores a gasolina el coeficiente r es mayor, que en los motores Diesel, debido a
menores relaciones de compresión. Al disminuir la carga en los motores a gasolina r aumenta.
Al introducir la sobrealimentación el coeficiente r disminuye como resultado de una mayor
cantidad de M1.
En los motores a gasolina γ r = 0.06 …..0.10; en los motores diesel
γ r = 0.03 …..0.06;
T r =900 ……1000K para motores a gasolina, T r =700 ……900K para motores diesel,
En los motores de cuatro tiempos el coeficiente r puede ser disminuido utilizando la
sobrealimentación y aumentando en cierta medida el traslapo de las válvulas.
Coeficiente de barrido ϕ s :
ϕ s=M 1
M 1+M r
c) Temperatura de calentamiento de la carga.
La carga fresca durante su movimiento por el sistema de admisión y dentro del cilindro entra en
contacto con las paredes calientes, elevándose su temperatura en T. EL grado de
calentamiento de la carga depende de la velocidad de su movimiento, de la duración de la
admisión, así 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 admisión en el motor de carburador es conveniente solo hasta cierto
límite correspondiente al calor necesario para la vaporización del combustible. El calentamiento
excesivo influye negativamente sobre el llenado del cilindro.
ΔT=ΔT l .c .−ΔT vap
ΔT l .c . : Incremento de la temperatura de la carga fresca debido al intercambio de calor.
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ΔT vap : Disminución de la temperatura de la carga fresca, debido a la vaporización del
combustible.
El cálculo de T se dificulta debido a la ausencia de datos suficientes para elegir el coeficiente
de transmisión de calor y la temperatura media de las superficies, así como a la complejidad en
determinar la parte de combustible que se ha evaporado durante el proceso de admisión (en
los motores de gasolina). Como resultado de esto, durante el cálculo térmico del motor la
temperatura T se adopta basándose en los resultados experimentales y en cálculos
indirectos. Si el sistema de intercambio de gases ha sido diseñado correctamente, la carga
fresca que ingresa al cilindro del motor Diesel sin sobrealimentación, será T 20 – 40°C. Para
el motor con formación externa de la mezcla T = 0 – 20°C.
Temperatura al terminar la admisión
La temperatura T a puede calcularse sobre la base del balance térmico, compuesto para la
carga fresca y para los gases residuales antes y después de su mezcla.
Asumiendo que el proceso de transferencia de calor se realiza a presión constante y que Cp”=
ϕ Cp.
c p M 1 (Tk+ΔT )+ϕc p M r Tr=c p(M 1+M r )T a
De donde:
T a=M 1 (T k+ΔT )+ϕM r Tr
M 1+M r
Puesto que:
M 1+M r=M 1 (1+γr )
Entonces
T a=T k+ΔT +ϕγ r Tr
1+γr
d) Coeficiente de llenado (ηV)
El grado de perfección del proceso de admisión se acostumbra evaluar por el coeficiente de
llenado o rendimiento volumétrico nv que es la razón entre la cantidad de carga fresca que se
encuentra en el cilindro al inicio de la compresión real, es decir, al instante en que se cierran los
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órganos del intercambio de gases, y aquella cantidad de carga fresca que podría llenar la
cilindrada (volumen de trabajo del cilindro) en las condiciones de admisión.
Los cálculos muestran que para los motores con formación externa de la mezcla, que funcionan
con combustible líquido, la diferencia entre los coeficientes de llenado, calculando
considerando la condición de la carga fresca puede ser el aire o la mezcla aire – combustible,
es insignificante. Por eso en lo sucesivo, para estos motores así como para los de tipo Diesel,
vamos a determinar la nv la cantidad de aire admitida al cilindro. Según la definición:
nv = Gar / (Vh*k) = Vk / Vh
donde Gar es la cantidad másica real de carga fresca que se encuentra en el cilindro al inicio de
la compresión, en Kg; Vk, el volumen ocupado por la carga fresca y reducido a las condiciones
de admisión (Pk y Tk), en m3.
En los motores de cuatro tiempos con barrido del cilindro en el periodo de traslapo de las
válvulas 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 compresión y combustión.
ηv=T k
T k+ΔT ( 1ε−1 )(ϕ1ε
Pa
Pk
−ϕϕ s
Pr
Pk)
Según datos experimentales:
ηv 1
ηv 2
=√T k 1
T k 2
Diversos factores que influyen sobre el coeficiente de llenado
Se puede decir que sobre el valor del coeficiente de llenado influyen la presión Pa y la
temperatura Ta al final de la admisión, el calentamiento de la carga, el coeficiente de gases
residuales, la temperatura Tr y la presión Pr, la relación de compresión, los coeficientes de
recarga y de barrido. A su vez, dichas magnitudes dependen de una serie de factores y,
además, están relacionadas entre sí.
1. Relación de compresión
Si los demás parámetros se mantiene constantes, entonces para mayores valores de , el
coeficiente de llenado aumentara. En la realidad, al crecer varían también otros parámetros
(disminuye el coeficiente y temperatura de los gases residuales, aumenta el calentamiento de
la carga y otros). Además influye sobre nv de barrido de la cámara de combustión. Se puede
mostrar analíticamente que siendo el barrido completo de la cámara con el aumento de el
coeficiente nv disminuye. Sin embargo, al elevar , nv puede tanto aumentar como disminuir, en
función del factor que ejerza mayor influencia.
1. Presión al final de la admisión
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La presión Pa es la que ejerce mayor influencia sobre nv. Se puede concluir que la Pa
depende de las resistencias en el sistema de admisión y varía proporcionalmente al cuadrado
de la velocidad media de la carga en la sección mínima de la tubería de admisión.
Al aumentar la velocidad de la carga en la sección mínima de admisión, el coeficiente de
llenado disminuye, lo cual debe tenerse en cuenta al diseñar el sistema de admisión cuando se
requiere aumentar la velocidad de la carga.
1. Presión y temperatura en la entrada
La presión de la carga en la entrada ejerce cierta influencia sobre la magnitud del coeficiente de
llenado. Al aumentar Pk, sin variar la presión de escape, la relación Pa/Pk crece. Lo que
conduce al incremento de nv.
El aumento de nv cuando crece Pk es una consecuencia de la disminución relativa de las
perdidas hidráulicas, así como también de cierta disminución del calentamiento T, debido al
enfriamiento más 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 también en el calentamiento y vaporización
del combustible, así como para recalentar sus vapores.
1. Presión de los gases residuales
La presión Pr también influye sobre nv. El aumento de la presión 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 pistón desde el P.M.S. se gasta para la
expansión de los gases residuales y la admisión comienza más 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
sección mínima de paso y, por lo tanto, es proporcional al cuadrado de la frecuencia de
rotación del cigüeñal del motor. Tomando en consideración la menor influencia de P r sobre nv,
en algunas estructuras de motores disminuyen las secciones de paso de las válvulas de
escape en cierta medida aumentando respectivamente las secciones de paso de las válvulas
de admisión, obteniendo de esta manera el incremento de nv.
1. 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.
1. Calentamiento de la carga
En los motores con formación externa de la mezcla parte del calor introducido con el aire se
gasta en calentar y evaporar la gasolina. Sin embargo, en la mayoría de los casos la cantidad
de calor del aire, empleado para los fines indicados, no puede garantizar la completa
vaporización.
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Por eso, para este tipo de formación de la mezcla, está se calienta adicionalmente en los
conductos de admisión.
Hay que tener en cuenta que el calentamiento excesivo del sistema de admisión, en caso del
cual a la mezcla aire – combustible se le suministrara más calor del necesario para la
vaporización del combustible, conduce a un incremento injustificado de la magnitud de T y a
la correspondiente disminución del coeficiente nv y de la carga másica.
1. 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 pérdidas hidráulicas se incrementan, lo que conduce a la variación del carácter 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 variación de T es en este caso insignificante. Como resultado de la acción
conjunta de estos factores, al reducir la carga el coeficiente nv también disminuye.
1. Influencia de la variación de “n” sobre el llenado de los motores de cuatro tiempos
Cuando el motor funciona cambiando la frecuencia de rotación y a máxima carga (según la
característica externa de velocidad) sobre la calidad del llenado influyen la resistencia en el
sistema de admisión, el calentamiento de la carga y la presencia de gases residuales.
Cuando la frecuencia de rotación aumenta la resistencia del sistema crece proporcionalmente
al cuadrado de la misma, como resultado de esto Pa también crece, en tanto que la presión
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 rotación, nv al principio crece y luego, después de alcanzar su
valor máximo valor, decrece.
COEFICIENTE DE EXCESO DE AIRE
En el motor de automóvil la cantidad de aire realmente consumida puede ser, en función del
tipo de formación de la mezcla, de las condiciones de encendido y combustión, así como del
régimen de funcionamiento, mayor, igual o menor que la necesaria teóricamente para la
combustión completa.
La relación entre la cantidad real de aire que ingresa al cilindro del motor (l, en Kg o L, en Kmol)
y la cantidad de aire teóricamente necesaria para la combustión 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 oxígeno), 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 homogénea por chispa y con
regulación combinada, cuando la mariposa de gases está completamente abierta, la mayor
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economicidad y el transcurso suficientemente estable del proceso de combustión se logra
siendo = 1.1 – 1.3.
La máxima 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 vacío se necesita un
mayor enriquecimiento de la mezcla. En caso de < 1, debido a la insuficiencia de oxígeno, el
combustible no se quema totalmente, como consecuencia de lo cual durante la combustión el
desprendimiento de calor es incompleto y en los gases de escape aparecen los productos de la
oxidación 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
(formación interna de la mezcla) y la regulación de la mezcla al variar la carga es cualitativa, es
decir, la cantidad de aire suministrado al cilindro es aproximadamente constante, y sólo se
incrementa o disminuye la alimentación de combustible.
Estos 2 factores determinan que tanto el proceso de admisión como el de formación de la
mezcla difieran sustancialmente de los mismos procesos en los motores de carburador (ECH).
Las diferencias más notables entre ambos motores durante el proceso de admisión son:
a) Menor caída de presión en el colector de admisión, por la ausencia de carburador.
b) Menor γr debido a mayores ε de los motores Diesel. Este coeficiente, al disminuir la
carga, en los motores a gasolina aumenta, mientras que en los motores Diesel es
prácticamente constante.
c) No es necesario del calentamiento adicional del colector de admisión, como, a veces, se
emplea en el motor de carburador para intensificar el proceso de vaporización del
combustible. En el motor Diesel el combustible se inyecta y evapora al final de la
compresión, por eso calentar la carga de aire durante la admisión no es conveniente, ya
que aumenta ∆T y, respectivamente, disminuye ηV. En el motor Diesel siempre hay que
disminuir el calentamiento de la carga durante la admisión.
d) Al disminuir la carga del motor de carburador (con N = cte) y cerrar respectivamente la
mariposa de gases, las pérdidas de presión en la admisión se incrementan; esto provoca
también el incremento de los gases residuales. Debido a la menor temperatura de las
paredes, por la disminución de la carga, el calentamiento de la carga fresca decrece un
poco. Sin embargo, la variación de ∆T es en este caso insignificante. Como resultado
conjunto de estos factores, al reducir la carga el coeficiente ηV disminuye.
Los motores Diesel de 4 tiempos de aspiración natural no tienen en su sistema de
admisión dispositivo alguno para cambiar la cantidad de aire que suministra al cilindro.
En consecuencia, cuando aumenta N = cte y varía 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 pérdidas hidráulicas no varían, como resultado del
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calentamiento, la cantidad admitida de aire disminuye ligeramente con el incremento de
la carga. El coeficiente γr casi no varía al modificar la carga. La influencia conjunta de
todos los factores conduce a que en el motor Diesel el coeficiente ηV disminuya
ligeramente al aumentar la carga.
e) Sobre el ηV , cuando el motor funciona cambiando la frecuencia de rotación, según la
característica externa de velocidad, influyen la resistencia hidráulica en el sistema de
admisión, el calentamiento de la carga fresca y la presencia de gases residuales. Al
mismo tiempo, ejercen gran influencia las fases de distribución de los gases y los
fenómenos ondulatorios que aparecen en los colectores de admisión 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 rotación, ηV al
principio crezca y luego, después de alcanzar su máximo valor, decrezca.
Las diferencias en el proceso de formación de la mezcla entre estos 2 tipos de motores
son muy notorias y están estrechamente relacionadas con el método de encendido.
a) En los motores de carburador, una mezcla aire-combustible, muy homogénea en su
composición ingresa los cilindros durante la carrera de compresión, gracias a la acción
de la chispa eléctrica de la bujía, se produce el encendido de la mezcla. Esto se produce
siempre y cuando el coeficiente α esté entre los límites de inflamabilidad de las mezclas
aire-gasolina (aprox. 0.6 ≤ α ≤ 1.2), en caso contrario la mezcla no arde.
b) En los motores Diesel, la inyección del petróleo Diesel se realiza grados antes de que el
pistón 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, después de esto el
proceso de inyección trascurre simultáneamente con el de combustión. Una vez
finalizado el proceso de inyección, los vapores del combustible mezclado con el aire
residual, siguen combustionándose (combustión 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 α = 5 o más en los
regímenes de vacío, hasta α entre 1.4 y 1.6 en los regímenes nominales); es decir, el α
varía constantemente durante el proceso de inyección, y también de un lugar a otro en la
cámara de combustión, y sólo se producirá el autoencendido en aquellos lugares donde
el α local alcance un valor cercano al estequiométrico (α ¿ 0.9), a pesar de que el α
global puede tener valores fuera de los límites de inflamabilidad.
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3. METODOLOGÍA
A. En el Motor Ford:
Consumo de combustible GC (kg/h)
GC=3 .6ΔVΔt
ρcomb (kg/h)
ΔV = volumen en cc
Δt = tiempo en s
ρcomb = densidad en gr/cm3=0.71
Consumo de aire teorico Gteorico (kg/h)
Gteorico=30∗n∗V h∗ρ¿aire
(kg/h)
Donde ρ
¿aire= ρaire( Po
760 )(273To+273 )
Consumo de aire real Gar (kg/h)
Gar=3600∗Cd∗A f √2g∗ΔS∗sen (45 º )∗ρ¿aire∗ρagua (kg/h)
Ar =(( π /4 )∗Dr2 m2; Dr =2 cm.
g = gravedad m/s2
ΔS=var iación del manometro liquido en (m)
ρ¿aire
= densidad en Kg/m3
Coeficiente de exceso de aire α
α=Gar
Gcomb∗lO
lo= relación estequiométrica=
lo= 10 .23 ( 8
3C+8 H−O) Kg aire
Kg comb . =14.7
Coeficiente de llenado (eficiencia volumetrica) η v
ηv=Gar
Gteorico
Momento efectivo: Me (N .m)Me=F∗L (N.m)
F = fuerza en el dinamómetro (N)
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L = brazo del eje hasta el dinamómetro (m)
Potencia efectiva del motor Ne (kw)
Ne= Me∗n9550 (kw)
Me = Momento efectivo (N.m), n= RPM
B. En el Motor Petter:
Consumo de combustible GC (kg/h)
GC=3 .6ΔVΔt
ρcomb (kg/h)
ΔV = volumen en cc
Δt = tiempo en s
ρcomb = densidad en gr/cm3=0.85
Consumo de aire teorico Gteorico (kg/h)
Gteorico=30∗n∗V h∗ρ¿aire
(kg/h)
Donde ρ
¿aire= ρaire( Po
760 )(273To+273 )
Consumo de aire real Gar (kg/h)
Gar=5 .8365×ΔS×sen (α )×[0 .464×(P0−10 ΔP13. 6
T0+273 )](kg/h)
∆P = caída de presión en el manómetro en U (cm H2O)
∆s = caída de presión en el manómetro inclinado (cm H2O)
α = ángulo de inclinación del manómetro inclinado (30º)
Coeficiente de exceso de aire α
α=Gar
Gcomb∗lO
lo= relación estequiométrica=
lo= 10 .23 ( 8
3C+8 H−O) Kg aire
Kg comb .
lo= 10 .23 ( 8
3∗0. 87+8∗0. 126−0 .004 ) =14 . 452
Kg aireKg comb .
Coeficiente de llenado (eficiencia volumetrica) η v
ηv=Gar
Gteorico
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Momento efectivo: Me (N .m)Me=F∗L (N.m)
F = fuerza en el dinamómetro (N)
L = brazo del eje hasta el dinamómetro (m)
Potencia efectiva del motor Ne (kw)
Ne= Me∗n9550 (kw)
Me = Momento efectivo (N.m), n= RPM
4. PROCEDIMIENTO
a) PARA EL MOTOR FORD
a) Encender el motor Ford.
b) Manteniendo la apertura de la válvula mariposa constante, variar las RPM en
forma decreciente, tomando para cada caso datos de la fuerza en el
dinamómetro, tiempo de consumo del combustible, valor del manómetro
inclinado, temperatura del líquido refrigerante (agua), temperatura y presión
del aceite.
c) Manteniendo las RPM constante (2400 rpm), variar la apertura de la válvula
mariposa en forma creciente, tomando para cada caso datos de la fuerza en el
dinamómetro, tiempo de consumo del combustible, valor de la caída de
presión en el manómetro inclinado, temperatura del líquido refrigerante
(agua), temperatura y presión del aceite.
d) Apagar el motor.
b) PARA EL MOTOR PETTER
a) Arrancar el motor Petter y calentarlo hasta que la temperatura del líquido
refrigerante, en la entrada, sea 70 °C.
b) El coeficiente de exceso de aire varía 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 dinamómetro, tiempo de consumo del combustible, valor de la
caída de presión en el manómetro inclinado y en el manómetro en “U”,
temperatura del líquido refrigerante (agua) a la entrada y salida, temperatura
y presión del aceite.
c) Manteniendo las RPM constante (1600 rpm), variar la posición de la
cremallera en forma decreciente, tomando para cada caso datos de la fuerza
en el dinamómetro, tiempo de consumo del combustible, valor de la caída de
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presión en el manómetro inclinado y en el manómetro en “U”, temperatura
del líquido refrigerante (agua) a la entrada y salida, temperatura y presión del
aceite.
d) Apagar el motor.
5. DATOS OBTENIDOS
a. PARA EL MOTOR FORD
Primera experiencia (∆h %=cte)
Punto N(RPM) Fuerza∆
S(cm) ∆t(s) ∆V(cm3) P0(PSI) T0(ºC)
T0(ºC)sal
T0(ºC)ent
V(voltaje)
A(amperaje)
1 3000 15 16 23.16
35.52 63 92 92 90 106 95
2 2800 15.5 15 22.16
35.52 60 99 86 82 107 96
3 2600 16 14 24.67
35.52 58 104 84 80 106 94
4 2400 16.5 12.5 27.16
35.52 55 107 93 90 105 93
5 2200 17 11.5 26.56
35.52 54 109 92 88 102 92
6 2000 16 10.5 28.56
35.52 50 111 84 78 96 86
7 1800 15.2 9 31.35
35.52 55 112 82 82 91 81
Segunda experiencia(N=cte)
punto
∆h %
N(RPM)
F(Kg)
∆S(cm) ∆t(s)
∆V(cm3)
P0(PSI)
T0(ºC)
T0(ºC) sal
T0(ºC) ent
V (voltaje
)
A(amperaj
e)
1 10 2400 3.2 3 57.05
35.52 58 97 90 82 89 26
2 20 2400 12.8 10.4 28.75
35.52 57 103 93 90 97 86
3 30 2400 15.2 14 24.75
35.52 56 104 84 82 106 94
4 40 2400 14.2 16.5 24.34
35.52 55 108 87 82 103 91
5 50 2400 15 17.6 23.74
35.52 55 110 92 90 106 94
6 60 2400 17.4 19.2 20.46
35.52 54 113 86 82 114 101
7 70 2400 18 20 19.55
35.52 53 115 92 90 116 103
15
b. PARA EL MOTOR PETTER
Primera experiencia (∆h %=cte)
punto
N(RPM) F(N)∆
S(cmH2O) ∆t(s) ∆V(cm3) ∆P(cm H2O)
Te(ºC) Ts(ºC)sal
P(aceite PSI)
Tac ºF
∆hc (mm)
1 2000 98 11 15 9.15 10 69 72 53 170 152 1800 103.5 10.8 15 8.85 9 71 74 44 170 153 1600 107 9.7 15 7.7 8 69 72 35 175 154 1400 104 8.4 15 6.51 6.5 69 72 27 174 155 1200 102 7.5 15 5.2 5.5 70 73 20 180 156 1000 98 6.2 15 4.1 4.5 70 72 16 179 15
Segunda experiencia(N=cte)
punto
N(RPM) F(N)∆
S(cmH2O) ∆t(s) ∆V(cm3) ∆P(cm H2O)
∆hc (mm)
Te(ºC)
Ts(ºC)sal P(aceite PSI)
Tac ºF
1 1600 54 9.9 15 3.9 8.5 18 69 70 35 1782 1600 76 9.9 15 5.15 8.3 17 66 70 34 1803 1600 92 9.5 15 6.25 8.2 16 67 71 33 1804 1600 103 9.3 15 7.32 8 15 68 71 32 1825 1600 106.5 9.3 15 8.75 7.7 14 69 72 30 1896 1600 114 9.2 15 10.2 7.8 13 70 73 30 190
6. CÁLCULOS Y RESULTADOS
a. PARA EL MOTOR FORD
Primera experiencia (∆h %=cte)
Punto Gc kg/h Me(N.m) Ne(Kw) Gar kg/h Gat kg/h nv a
1 3.9200829 47.52945 14.9307173
57.7008512
116.865018
49.37%
1.00131249
2 4.09698195
49.113765
14.3998473
55.868609 109.074017
51.22%
0.92765496
3 3.68014268
50.69808 13.8026186
53.9742041
101.283016
53.29%
0.99770984
4 3.3427511 52.282395
13.1390312
51.000829 93.4920144
54.55%
1.03790083
16
5 3.41826506
53.86671 12.409085 48.9182767
85.7010132
57.08%
0.97352717
6 3.17889076
50.69808 10.617399 46.7430319
77.910012 60.00%
1.00028542
7 2.89598469
48.163176
9.0778761 43.2756384
70.1190108
61.72%
1.01655267
Segunda experiencia(N=cte)
punto
Gc kg/h Me(N.m) Ne(Kw) Gar kg/h Gat kg/h nv a
1 1.59139562
10.139616
2.54817575
24.9852015
93.4920144
0.26724423
1.06803962
2 3.15788243
40.558464
10.192703 46.5199135
93.4920144
0.49758168
1.00213356
3 3.66824727
48.163176
12.1038348
53.9742041
93.4920144
0.57731352
1.00094522
4 3.7300378 44.994546
11.3075299
58.5954914
93.4920144
0.62674328
1.06864543
5 3.82431003
47.52945 11.9445738
60.5171633
93.4920144
0.64729767
1.07648538
6 4.43739589
55.134162
13.8557056
63.2081156
93.4920144
0.67608037
0.96900793
7 4.64394476
57.03534 14.3334886
64.5115129
93.4920144
0.69002164
0.94500226
b. PARA EL MOTOR PETTER
Primera experiencia (∆h %=cte)
punto
Gc kg/h Me(N.m) Ne(Kw) Gar kg/h Gat kg/h nv a
1 1.80072 29.89 6.25968586 37.6190882 51.394092 0.73197301 1.445553352 1.74168 31.5675 5.94989529 36.9711883 46.2546828 0.79929612 1.468814983 1.51536 32.635 5.46764398 33.2380126 41.1152736 0.80841035 1.517718674 1.281168 31.72 4.65005236 28.8255311 35.9758644 0.80124638 1.556837495 1.02336 31.11 3.90910995 25.7621393 30.8364552 0.83544425 1.741909296 0.80688 29.89 3.12984293 21.3174165 25.697046 0.82956681 1.82809039
17
Segunda experiencia(N=cte)
punto Gc kg/h Me(N.m)
Ne(Kw) Gar kg/h Gat kg/h nv a
1 0.7956 16.47 2.75937173
33.9067942
41.1152736
0.82467636
2.94892687
2 1.0506 23.18 3.88356021
33.9134095
41.1152736
0.82483726
2.23360362
3 1.275 28.06 4.70115183
32.5463448
41.1152736
0.7915877 1.76629843
4 1.49328
31.415 5.26324607
31.867373 41.1152736
0.77507384
1.47664827
5 1.785 32.4825 5.44209424
31.8766945
41.1152736
0.77530056
1.2356831
6 2.0808 34.77 5.82534031
31.5308606
41.1152736
0.76688923
1.04852196
7. GRÁFICOS
1) PARA EL MOTOR FORD
a) Primera experiencia (∆h %=cte)
18
1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 32000.00%
10.00%
20.00%
30.00%
40.00%
50.00%
60.00%
70.00%EFICIENCIA VOLUMETRICA VS RPM (h=cte)
1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 32000
0.5
1
1.5
2
2.5
3
COEFICIENTE DE EXCESO DE AIRE VS RPM (h=cte)
b) Segunda experiencia(N=cte)
19
0 2 4 6 8 10 120
2
4
6
8
10
12
Eficiencia Volumetrica VS Carga (N=cte)
0 2 4 6 8 10 12 14 160.85
0.9
0.95
1
1.05
1.1
Coeficiente de Exeso de Aire VS Carga (N=cte)
c. PARA EL MOTOR PETTER
a. Primera experiencia (∆h %=cte)
20
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 22000.68
0.7
0.72
0.74
0.76
0.78
0.8
0.82
0.84
0.86
Eficiencia Volumetrica VS RPM (h=cte)
Eficiencia Volumetrica VS RPM (h=cte)Polynomial (Eficiencia Volu-metrica VS RPM (h=cte))
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 22000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Coeficiente de Exeso de Aire VS RPM (h=cte)
Coeficiente de Exeso de Aire VS RPM (h=cte)Polynomial (Coeficiente de Exeso de Aire VS RPM (h=cte))
b. Segunda experiencia(N=cte)
21
2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 60.5
0.55
0.6
0.65
0.7
0.75
0.8
0.85
Eficiencia Volumetrica VS Carga (Rpm=cte)
Eficiencia Volumetrica VS Carga (Rpm=cte)Polynomial (Eficiencia Volu-metrica VS Carga (Rpm=cte))
2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 60
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Coeficiente de Exeso de Aire VS Carga (Rpm=cte)
Coeficiente de Exeso de Aire VS Carga (Rpm=cte)Logarithmic (Coeficiente de Ex-eso de Aire VS Carga (Rpm=cte))
8. ANÁLISIS
22
Motor Ford:
En la curva ηV vs RPM para h=cte. comprobamos la tendencia de la curva que es decreciente conforme aumentamos la RPM, desde un RPM mínimo estable hasta el RPM nominal. Podríamos decir que al aumentar la velocidad de rotación del cigüeñal aumentamos la carga en el sistema de admisión, y por consiguiente, la perdida de presión, y por consiguiente, disminuye ηV. También se concluye que la eficiencia no se acerca al 1 sino que es menos ya que existen pérdidas adicionales por reglaje de válvulas. En este caso sería por cierre tardío.
En la curva ηV vs Ne para RPM=cte. comprobamos igualmente la tendencia de la curva la cual como sabemos por teoría empieza para un Ne = 0, en un ηV = 0.15-0.25 y crece hasta su máximo que tiende a un ηV = 0.75-0.85. En nuestro gráfico podemos comprobarlo si extrapolamos la curva ya que tomamos valores intermedios. Esto tendencia se debe a que con la estrangulación de la mezcla, que se usa en los motores con carburador para disminuir la carga, es acompañada por la disminución de la presión en el sistema de admisión y en el cilindro, además la carga fresca se calienta.
En la curva α vs N para h=cte, se obtuvo valores entre 1.5 y 0.5. Siendo entonces la mezcla es rica. Además según la tendencia de la curva vemos que α va disminuyendo y aumentando al aumentar N pero no en gran medida.
En la curva α vs Ne para RPM=cte, también obtenemos una mezcla rica, la cual tiende a 1 o incluso a ser una mezcla pobre con α>1 si disminuimos Ne. Al aumentar Ne se llega hasta un αmin y luego tiende a subir nuevamente.
Motor Petter:
Con la posición de la cremallera constante (15 mm), la eficiencia volumétrica ηV
decrece a medida que aumentan las RPM, ya que al aumentar la velocidad se incrementan las pérdidas hidráulicas Pa y la cantidad de gases residuales.
A velocidad constante (1600 rpm), la eficiencia volumétrica ηV decrece a medida que aumenta la carga (se acorta más la posición 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 posición de la cremallera constante (15 mm), el coeficiente de exceso de aire α decrece a medida que aumentan las RPM, ya que el consumo de combustible se incrementa en mayor proporción que la cantidad de mezcla fresca.
A velocidad constante (1600 rpm), el coeficiente de exceso de aire α decrece a medida que aumenta la carga (se acorta más la posición de la cremallera), debido al incremento de la cantidad de combustible en mayor proporción que la cantidad de mezcla fresca.
El coeficiente de exceso de aire α varíade 1.4 a 2 aprox., exceso de aire (mezcla pobre), para distintas condiciones de trabajo.
9. BIBLIOGRAFÍA
23
1.- JÓVAJ, M. S. “ Motores de automóvil” , Edit. Mir, Moscú
2.- LUKANIN V.N., “Motores de combustión interna”, Edit. MIR, Moscú
3.- HÜTTE Manual del Ingeniero Tomo II, Edit Gili, Barcelona