Issuu on Google+

LAB. DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

MN-136

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA “AÑO DE LA RECONCILIACION NACIONAL Y DE RECONOCIMIENTO DE NUESTRA DIVERSIDAD”

AVANCE DEL LABORATORIO N°2 EXPERIENCIA: ESTUDIO DEL PROCESO DE ADMISION Y FORMACION DE LA MEZCLA EN UN MCI PROFESOR: Ing. Ponce Galiano Jorge

ALUMNO: Estrada Soto Ayrton Junior CODIGO: 20090124K SECION: B

FECHA DE ENTREGA: 30 / 10 / 12

2012-II Pág. 1


LAB. DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

MN-136

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica

ÍNDICE RESUMEN…………………………………………………………. pág.3 OBJETIVOS………………………………………………………… pág.4 FUNDAMENTO TEORICO…………………………………………………… pág.4 FORMULAS UTILIZADAS……………………………………………………. pág.12 DATOS………………………………………………………………………….. pág.13 CALCULOS Y RESULTADOS……………………………………………….. pág.14

Pág. 2


LAB. DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

MN-136

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica

RESUMEN Durante el proceso de admisión y de formación de la mezcla en un motor de combustión interna se toma en importancia la eficiencia volumétrica (coeficiente de llenado) y al coeficiente de exceso de aire, ya que éstos son los más importante en los procesos antes mencionados. Por lo cual se realizaran los ensayos respectivos en los bancos de pruebas de un motor Diesel Petter (EC) y un motor a Gasolina Daihatsu (ECH), para esto se usaron los equipos e instrumentación necesaria y se siguió el procedimiento respectivo e indicaciones del profesor. En forma analítica se comparan los resultados experimentales con los teóricos, mediante curvas características, construidas con los datos y resultados obtenidos.

Pág. 3


LAB. DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

MN-136

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica

OBJETIVOS 

Determinar la influencia de los regímenes de funcionamiento y los parámetros constructivos del motor sobre los coeficientes de llenado (eficiencia volumétrica) y de exceso de aire, que son los parámetros que caracterizan cualitativamente y cuantitativamente a los procesos de admisión y formación de la mezcla respectivamente.

Evaluar la calidad de la mezcla a través del exceso de aire en los regímenes del motor.(Calidad de la formación de una mezcla)

FUNDAMENTO TEORICO Para realizar el ciclo de trabajo en un motor de combustión interna, es preciso expulsar del cilindro los productos de la combustión del ciclo anterior e introducir en él la carga fresca del aire o de la mezcla aire combustible. Estos dos procesos (admisión y escape) están vinculados entre sí y en función del número de tiempos del motor, así como del procedimiento de admisión, en mayor o menor medida, transcurren simultáneamente. La cantidad de carga fresca suministrada depende de la calidad con que se limpia el cilindro del motor. Por eso el proceso de admisión se debe analizar tomando en consideración los parámetros que caracterizan el desarrollo del proceso de escape, examinando todo el complejo de fenómenos que se refieren al proceso de intercambio de gases en conjunto. PARAMETROS DEL 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:  Resistencia hidráulica en el sistema de admisión, que hace disminuir la presión 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 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.

Pág. 4


LAB. DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

MN-136

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica

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. 2 2 Pa wad PK wK2 2 wad   gZ K     ad  gZ a K 2 a 2 2

Dónde:

 K : Densidad de la carga en la entrada del cilindro.

 a : Densidad de la carga en el cilindro.

wK : Velocidad del aire en la entrada del sistema de admisión. 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.

Z K : Altura de nivel desde el eje del sistema de admisión Z a : Altura de nivel desde el eje de la válvula de admisión.

 ad : Coeficiente de resistencia del sistema de admisión referida a su sección más estrecha. wc

: Velocidad media del aire en la sección examinada del cilindro. w  c wad (coef. de amortiguación de la velocidad de la carga en la sección examinada del cilindro). Asumiendo:

wk  0, Z k  Z a ,  k   a , Reemplazando en la ecuación anterior se obtiene: 2 wad Pa  Pk  Pa  (    ad ) k 2 2

Pa : 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  Cpmáx Fp f ad

: Área de la sección de paso de la válvula (o de la sección más estrecha).. Cp máx : Velocidad máxima del pistón. Pág. 5


LAB. DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

MN-136

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica

Fp

: Área de la cara del pistón. Cp máx  R 1  2   2n : (n, frecuencia de rotación del cigüeñal). R  L , relación entre el radio de la manivela R y la longitud de la biela L. 2 Fp 1 n 2 D wad  Cp más  2Rn 1   ( )( )  A1 f ad 4 f ad f ad Reemplazando wad en la ecuación de perdidas hidráulicas se obtiene: A2n 2 1 n2 Pa  (  2   ad )( 1 )( 2 ) k  A2 2 2 fad fad En los motores de automóvil modernos de cuatro tiempos con las válvulas dispuestas en la parte superior la posibilidad de aumentar la superficie f ad 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 – 0.96)*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 P r 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. M r  r M1 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: Pág. 6


LAB. DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

MN-136

Mr 

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica

Pr Vc R v Tr

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 T r, decrece insignificativamente al disminuir la carga. La temperatura T r 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  r = 0.06 …..0.10; en los motores diesel  r = 0.03 …..0.06; Tr =900……1000K para motores a gasolina, Tr =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. M1 s  M1  M r Coeficiente de barrido  s :

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. Pág. 7


LAB. DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

MN-136

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica

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. T  Tl .c.  Tvap Tl .c. : Incremento de la temperatura de la carga fresca debido al intercambio de calor. Tvap : 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 Ta 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`=  Cp. c p M1(Tk  T )  c p M r Tr  c p (M1  M r )Ta

De donde: Ta 

Puesto que:

M1(Tk  T )  M r Tr M1  M r

M1  Mr  M1(1  r )

Entonces Ta 

Tk  T   r Tr 1  r

Pág. 8


LAB. DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

MN-136

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica

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 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 reducida 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.

v 

P Tk P   1    1 a   s r  Tk  T    1 Pk Pk 

Según datos experimentales:

v 1 Tk 1  v 2 Tk 2 PARÁMETROS QUE INFLUYEN EN nV Analizando las últimas ecuaciones para nV notamos que esta depende de los siguientes factores: 1) Relación de compresión. Si consideramos a los demás parámetros constantes, entones a mayor  disminuye nV , Sin embargo al elevar  , nV puede disminuir como aumentar ya que al variar  varían también otros parámetros (disminuye el coeficiente y la temperatura de los gases residuales, aumenta el calentamiento de la carga y otros) de los que depende nV . Investigaciones experimentales muestran que la relación de compresión no influye prácticamente sobre nV . Pág. 9


LAB. DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

MN-136

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica

2) Presión al final de la admisión (Pa). Esta presión es la que ejerce mayor influencia sobre nV y esta a su vez depende de las resistencias en el sistema de admisión. La caída de presión Pa en el sistema de admisión varia proporcionalmente al cuadrado de la velocidad media de la carga en la sección mínima de la tubería de admisión. Sobre esta magnitud Pa influyen también el diseño del colector de admisión (disposición de las válvulas, existencia de codos, resistencias locales etc.), el acabado de las paredes del sistema de admisión, la posición de la mariposa (para los motores con formación externa de mezcla) y el régimen de velocidad. nv Variacion del coeficiente nv en funcion de la velocidad maxima Wad de la carga

Wad m/s

De la gráfica la zona rayada más cerca del límite superior se encuentran los valores nV típicos. Para los motores Diesel, mientras que los cercanos al límite inferior corresponden a los motores de carburador 3) Presión y temperatura en la entrada (Pk, Tk). Al incrementar Pk sin variar la presión de escape, la relación Pa/Pk aumenta produciendo esto un incremento en nV . Este aumento es debido a que al crecer Pk, existe una 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. El aumento de la temperatura Tk disminuye la diferencia de temperaturas entre la carga y las superficies produciendo esto un aumento en nV El incremento de nV con respecto al incremento de Pk no es mucho, varia de 1.5-3% 4) Presencia de gases residuales (Pr, Tr). Estos gases a la presión Pr traen como consecuencia que ingrese menos mezcla fresca al cilindro (  r aumenta), por lo tanto nV disminuye. En la práctica la influencia de Tr es insignificante.

Pág. 10


LAB. DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

MN-136

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica

5) Calentamiento de la carga (mezcla). A mayor calentamiento de la carga expresado por la magnitud T , el coeficiente de llenado nV disminuye. Hay que tener en cuenta que el calentamiento excesivo del sistema de admisión sobre la carga fresca conduce a un intercambio injustificado de la magnitud de T y a la correspondiente disminución de nV y de la carga másica. nv 1



2  





T, K

En la figura se observa la variación del coeficiente de llenado en función del calentamiento de la carga para un motor de carburador de 4 tiempos (curva 2) y para un Diesel (curva 2) en caso de To =288 K y Po =0.1MPa. e) Coeficiente de exceso de aire Uno de los parámetros más importantes que caracteriza el proceso de formación de la mezcla en los motores de combustión interna, es el coeficiente de exceso de aire (  ), el cual se define como la relación entre la cantidad real de aire para quemar 1Kg de combustible y la cantidad de aire necesaria teóricamente para quemar la misma cantidad de combustible (cantidad estequiométrica). G /G   ar c lo Donde lo es la relación estequiométrica, para diesel lo = 14.3. El coeficiente de exceso de aire depende del procedimiento de preparación de la mezcla, del régimen de funcionamiento del motor y del tipo de combustible que se usa. El límite de variación del coeficiente  para motores de carburador, en función del régimen de funcionamiento de los mismos, es de 0.60-1.15. Si  <1 (insuficiencia de oxígeno), la mezcla se denomina rica; cuando  >1 (exceso de oxígeno), la mezcla se denomina pobre. En los motores de gasolina con encendido por chispa y con regulación combinada (cualitativa y cuantitativa), cuando la mariposa de gases está completamente abierta, la mayor economía de combustible y el transcurso de la combustión se logra siendo  = 1.1-1.2.

Pág. 11


LAB. DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

MN-136

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica

La máxima potencia de estos motores se obtiene enriqueciendo ligeramente la mezcla (  = 0.85-0.90). Para alcanzar un trabajo estable del motor a bajas cargas y en vacío se necesita un mayor enriquecimiento de la mezcla, para  <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 combustión incompleta (CO, H, CH4).

FORMULAS UTILIZADAS FLUJO MÁSICO DE AIRE (aire real): Con el medidor de flujo de aire, se utilizó la siguiente fórmula:

Dónde: : Caída de presión en el manómetro inclinado (mm) : Caída de presión en el manómetro en U : Presión ambiental (mmHg) : Temperatura ambiental (°C) α: ángulo de inclinación del manómetro inclinado (30°)

FLUJO MÁSICO DE AIRE (aire teórico):

Dónde: = 0.000659 m3 : Velocidad (rpm) i=1

Pág. 12


LAB. DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

MN-136

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica

FLUJO MÁSICO DE COMBUSTIBLE:

CÁLCULO DE LA EFICIENCIA VOLUMÉTRICA:

CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE EXCESO DE AIRE:

Donde l0:

DATOS MOTOR DE ENCENDIDO POR COMPRESION (PETTER): 

Especificaciones Generales: Po = 749.6 mmHg To = 23 ºC  Especificaciones del combustible: Petróleo Diesel con alto grado de destilación Densidad del combustible (Diesel 2) = 0.850 Kg/l Composición: C/H/Oc = 0.855/0.145/0 Presión de inyección de combustible 90-1099 RPM 1995-2205 PSI 140/155 KgF/cm2 1100-2000 RPM 2850-3150 PSI 200/221 KgF/cm2 Inyección de Combustible: Hasta 1650 RPM 24º antes del PMS 1651-2000 RPM 28º antes del PMS  Especificaciones Técnicas del motor: D = 87.3 mm (diámetro del cilindro) S = 110 mm (carrera del cilindro) i = 1 cilindro Brazo Torque: 305 mm Brazo de pérdidas mecánicas: 305 m m Pág. 13


LAB. DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

MN-136

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica

Inyector HL -130526C175P3 orificios múltiples Luz de válvulas (admisión -escape) 0.25 mm Distancia descompresor del cilindro : 0.10 mm Ajuste culata 200 lb -pie

Manteniendo constante la posición de la cremallera y variando las RPM del motor se obtiene la siguiente tabla Nº 1 2 3 4 5 6

N(RPM) hc(mm) 2000 15 1800 15 1600 15 1400 15 1200 15 1000 15

F (N) 95 100 102 104 104,5 96

∆s (cmH2O) ∆P (cm H2O) ∆V(cc) 10,1 10,3 9,9 8,7 9,3 8,8 8,9 8,1 7,6 8,5 6,7 6,6 8,1 5,6 5,5 7,5 4,7 4,1

∆t (s) 15 15 15 15 15 15

Te (ºC) Ts (ºC) Tac (ºC) Pac (ºc) 70 73 74 55 70 72,8 77 45 70 72,6 78 36 70 72,6 79 29 70 72,6 78 23 70 72,4 78 17

I (A) V (voltios) 53,6 110 52,5 108 49,9 102 47,6 97 44,2 90 38,3 79

Manteniendo constante las RPM del motor y variando la posición de la cremallera: Nº 1 2 3 4 5 6 7

N(RPM) hc(mm) F (N) ∆s (cmH2O) ∆P (cm H2O) ∆V(cc) ∆t (s) Te (ºC) Ts (ºC) Tac (ºC) Pac (ºc) I (A) V (voltios) 1600 18 56 9,5 8,5 4,1 15 70 72 79 36 36,6 75 1600 17 73 9,3 8,3 5,4 15 70 71,8 81 35 41,7 85 1600 16 87 9 8,2 6,4 15 70 72 82 34 46,3 95 1600 15 99 8,8 8 7,8 15 70 72 82 33 49,4 101 1600 14 106,5 8,7 7,8 9,1 15 70 71,8 83 32 51,1 105 1600 13 112 8,6 7,7 10,4 15 70 72 84 32 52,5 108 1600 12 112,5 8,5 7,7 11,1 15 70 72 85 31 52,7 108

CALCULOS Y RESULTADOS Manteniendo constante la posición de la cremallera y variando las RPM del motor

Pág. 14


LAB. DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

MN-136

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica

Manteniendo constante las RPM del motor y variando la posición de la cremallera:

Pág. 15


LAB. DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

MN-136

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica

Pág. 16


laboratorio de motores