UNIVERSIDAD NACIONAL NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
EXPERIENCIA 2: ESTUDIO DE LOS PROCESOS DE ADMISION Y FORMACION DE LA MEZCLA EN LOS MOTORES DIESEL EXPERIMENTO DIRIGIDO POR: DR. LUIS LASTRA ESPINOZA MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA – MN 136 E
UNIDAD EJECUTORA: GRUPO 1 ALATA TRIVEÑO, Erick Moisés
20101077C
ARROYO CONDOR, Jean Marco Marco
20102678K
CASTRO ESCOBAR, José Enrique
20062557C
CHANCATUMA HUAMAN, Jesús Eusebio
20127027C
FLORES NARVAEZ, Jorge
20101114F
LIJARZA TORRES, Mackinder
20100184K
SOCA QUISPE, Jonathan
20100142F
FECHA DE REALIZACIÓN: 11 DE ABRIL DEL 2014. FECHA DE ENTREGA: 25 DE ABRIL DEL 2014.
RESUMEN TECNICO Las actividades del presente informe se realizaron el día 11 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 Diesel Petter, modelo PH1W, realizada por el Dr. Luis Lastra Espinoza. Se comprobó el estado del banco de ensayos y del motor (sin arrancarlo), inmediatamente inmediatamente después se arrancó el motor. La primera instrucción fue fijar la posición de la cremallera de la bomba de inyección para un
, y luego para esta posición variar la carga, mediante la variación
del voltaje de campo del generador eléctrico. Se establecieron 5 regímenes de velocidad y se tomaron los datos correspondientes. correspondientes. La segunda instrucción fue mantener constante un régimen de velocidad
e ir variando simultáneamente la posición de la cremallera y la carga del motor. Se establecieron 5 posiciones de la cremallera y se tomaron los datos correspondientes. Todos los datos de partida y magnitudes medidas y calculadas se anotaron en el protocolo de pruebas, y se graficaron las curvas
, vs N, además , vs carga.
Determinándose así la influencia de los regímenes de velocidad y la posición de la cremallera sobre los coeficientes de llenado (eficiencia volumétrica) y de exceso de aire. Se lograron graficar las curvas correspondientes, obteniéndose resultados satisfactorios de acuerdo a las tendencias vistas en clase.
2
INDICE
Pág. INTRODUCCION
4
OBJETIVOS
5
1. Objetivo principal
5
2. Objetivos específicos
5
1. CAPITULO I 1.1. Marco teórico
6
2. CAPITULO II 2.1. Instrumentos y/o equipos utilizados
10
2.2. Procedimiento experimental
14
3. CAPITULO III 3.1. Cálculos realizados y fórmulas utilizadas
17
3.1.1. Flujo másico de aire
17
3.1.2. Flujo másico de combustible
17
3.1.3. Eficiencia volumétrica
17
3.1.4. Coeficiente de exceso de aire
18
3.1.5. Potencia efectiva
18
3.2. Resultados obtenidos
19
3.2.1. Para el régimen de velocidad
19
3.2.2. Para el régimen de carga
20
CONCLUSIONES
23
OBSERVACIONES
24
BIBLIOGRAFIA
25
ANEXOS
26
3
INTRODUCCION Las aplicaciones de los motores de combustión interna en la industria son muy diversas, por lo que se busca permanentemente la forma de incrementar su eficiencia y la potencia que pueden suministrar. Para mejorar estas características, los diseñadores pueden variar los parámetros físicos del motor, es decir, se pueden fabricar motores con una mayor relación de compresión o con mayores ángulos de apertura y cierres de válvulas de admisión y escape. Sin embargo, una vez que el motor ya está fabricado y un cliente lo utiliza, se observa que existen otros factores también influyen en la potencia y eficiencia que éste desarrolla. Por ejemplo, al pisar el pedal del acelerador se permite el ingreso de mayor combustible y esto origina una mejor combustión y por tanto una mayor potencia y eficiencia. Sin embargo, si consideramos el pedal en una sola posición (cremallera de inyección fija) la velocidad del motor permanecerá constante. Es entonces cuando la carga aplicada a un motor toma influencia. Variar la carga (por ejemplo, aumentar o disminuir el número de personas subidas al vehículo) originará un incremento o disminución de la velocidad a pesar de seguir inyectando la misma cantidad de combustible. Esta variación de velocidad, ¿qué influencia tendrá en el proceso de admisión y formación de la mezcla y, por ende, en el buen funcionamiento del motor? Pues, comprender esta influencia es el objetivo del presente laboratorio y para cuantificarla se emplean los coeficientes de llenado y de exceso de aire.
4
OBJETIVOS 1. Objetivo principal:
Determinar la influencia de los parámetros explotacionales y constructivos del motor Diesel sobre los coeficientes de llenado (eficiencia volumétrica) y de exceso de aire.
2. Objetivos específicos:
Construir los gráficos de eficiencia volumétrica y coeficiente de exceso de aire en función de la velocidad de rotación del cigüeñal.
Construir los gráficos de eficiencia volumétrica y coeficiente de exceso de aire en función de la carga (con
).
5
1.1 MARCO TEORICO Como es conocido, en los motores Diesel (ver figura 1) 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 solamente se incrementa o disminuye la alimentación de combustible.
FIGURA 1. Motor
Diesel de 4 cilindros de aspiración natural
Estos dos factores determinan que tanto el proceso de admisión, como el de la formación de la mezcla, difieran sustancialmente de los primeros procesos en los motores de carburador (encendidos por chispa). Las diferencias más notables entre el motor Diesel y el motor de carburador, durante el proceso de admisión son las siguientes:
6
1. Menor caída de presión en el múltiple de admisión, debido a la ausencia del carburador. 2. Menor coeficiente de gases residuales, debido a las mayores relaciones de compresión en los motores Diesel. Este coeficiente, al disminuir la carga, en los motores a gasolina aumenta, mientras que en los motores Diesel, es prácticamente constante. 3. No es necesario el calentamiento adicional del múltiple 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 la temperatura ( respectivamente disminuye el coeficiente de llenado (
)
y,
). En el motor Diesel
siempre hay que disminuir el calentamiento de la carga durante la admisión. 4. Al disminuir la carga del motor de carburador (con RPM constante) y cerrar respectivamente la mariposa de gases, las pérdidas de presión en la admisión se incrementa, 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
es en este caso, insignificante. Como resultado conjunto de estos factores, al reducir la carga el coeficiente disminuye. de
Los motores Diesel de cuatro tiempos de aspiración natural no tienen en su sistema de admisión, dispositivo alguno para cambiar la cantidad de aire que se suministra al cilindro. En consecuencia cuando
y varía la carga, la resistencia hidráulica en
el sistema de admisión no varía. Con el aumento de la carga, relacionado con el suministro de una mayor cantidad de combustible, la temperatura de las paredes del múltiple se eleva, la transferencia del calor a la carga fresca (al aire) aumenta y respectivamente
crece, y a pesar de que las pérdidas hidráulicas no varían, como
resultado del calentamiento, la cantidad admitida de aire disminuye ligeramente con el incremento de la carga. El coeficiente
casi no varía al modificar la carga. La influencia conjunta de todos los
factores conduce a que en el motor Diesel el coeficiente de llenado disminuya ligeramente al aumentar la carga (ver la figura 2).
7
FIGURA 2. Variación
del coeficiente
de llenado en función de la carga. a) Para el motor de carburador b) Para el motor Diesel
5. Sobre el coeficiente de llenado ( ), cuando el motor funciona cambiando la frecuencia de rotación, según la característica externa de velocidad, influyen en 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 múltiples 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,
crezca al principio y
luego, después de alcanzar su valor máximo, decrezca (ver f igura 3).
FIGURA
3.
Variación
de
la
eficiencia
volumétrica en función de la velocidad (según la característica externa de velocidad). a) Para el motor de carburador. b) Para el motor Diesel.
Las diferencias en el proceso de formación de la mezcla entre estos dos tipos de motores también son muy notorias y están estrechamente relacionadas con el método de encendido. En los motores de carburador, una mezcla de aire-combustible, muy
8
homogénea en su composición ingresa a los cilindros durante la carrera de admisión y al final de la carrera de compresión, gracias a la acción de una chispa eléctrica, proveniente de una bujía, se produce el encendido de la mezcla. Esto se produce, siempre y cuando el coeficiente de exceso de aire está entre los límites de inflamabilidad de las mezclas aire-gasolina, aproximadamente esto ocurre si encuentra en el rango
se
; en caso contrario la mezcla simplemente no arde.
En cambio en los motores Diesel la inyección del petróleo, 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 auto-encendido, después de esto, el proceso de inyección transcurre 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 puede lograr combustiones de mezclas con coeficientes de exceso de aire tan variable (desde
o más en los regímenes de vacío, hasta , en los regímenes nominales); es decir, el coeficiente de exceso varía constantemente durante el proceso de inyección, y también de un lugar a otro en la cámara de combustión, y solo se producirá
el autoencendido en aquellos lugares donde el
cercano al estequiométrico (
local alcance un valor
), a pesar de que el global pueda tener varios
valores fuera de los límites de inflamabilidad.
9
2.1 INSTRUMENTOS Y/O EQUIPOS UTILIZADOS 01 Banco de Pruebas Motor Diesel Petter (acoplado a un generador).
01 Tablero de control
10
01 Manómetro de columna líquida en U (cm de H 20).
01 Manómetro inclinado de columna líquida (cm H 2O).
11
01 Dinamómetro.
01 posicionador de cremallera.
12
01 Medidor de flujo de combustible.
Implementos de seguridad.
13
2.2 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1. Comprobar el estado del banco de ensayos y del motor (sin arrancar éste): agua en el sistema de refrigeración, nivel de aceite en el cárter, cantidad de combustible en el tanque, tensión eléctrica para el panel de control, ventilación de las resistencias eléctricas, etc.
2. Arrancar el motor y calentarlo hasta que la temperatura del líquido refrigerante, en la entrada, sea de 60°C. 3. Fijar la posición de la cremallera de la bomba de inyección de tal modo que las revoluciones del motor alcancen su valor nominal. 4. Sin cambiar la posición de la cremallera (para un mejor control es fijar esta posición con la ayuda de un tornillo micrométrico), variar la carga, mediante la variación de voltaje de cambo del generador eléctrico, establecer 5 regímenes de velocidad y realizar las mediciones correspondientes para cada régimen. Antes de hacer mediciones cerciorarse de que el régimen de funcionamiento sea estable.
14
5. Establecer nuevamente el régimen nominal de velocidad, y manteniendo constante ir variando simultáneamente la posición de la cremallera y la carga del motor. Establecer 5 puntos y realizar las mediciones correspondientes.
Una vez realizados los procedimientos anteriores se obtuvieron los siguientes datos:
15
Para el régimen de velocidad:
N°
n
hc
F
S
V
(RPM)
(mm)
(N)
(cm)
(cm3)
t
P
(seg)
(cm H2O)
1
1100
15
87
6.4
5
15
5
2
1300
15
85
7.4
5.9
15
5.5
3
1400
15
89
9.4
8.2
15
8.5
4
2000
15
91
10.7
10.1
15
10
5
2300
15
89
11.5
10.6
15
10
Para el régimen de carga:
N°
n
hc
F
S
(RPM)
(mm)
(N)
(cm)
V
(cm3)
t
P
(seg)
(cm H2O)
1
2000
19
20
11.25
3.2
15
10.6
2
2000
18
43
11.15
4.9
15
10.5
3
2000
17
63
10.9
6.1
15
10
4
2000
16
76
10.9
7.6
15
9.7
5
2000
15
91
10.85
9.7
15
9.8
NOTA: Los valores de
S y P
deberían permanecer constantes, por lo que
trabajamos con la media aritmética de estos valores, resultando:
N°
n
hc
F
S
(RPM)
(mm)
(N)
(cm)
V
(cm3)
t
P
(seg)
(cm H2O)
1
2000
19
20
11.01
3.2
15
10.12
2
2000
18
43
11.01
4.9
15
10.12
3
2000
17
63
11.01
6.1
15
10.12
4
2000
16
76
11.01
7.6
15
10.12
5
2000
15
91
11.01
9.7
15
10.12
Consideraciones del ambiente:
To
Po
h
(°C)
(mmHg)
(%)
23
749
74
16
3.1 CALCULOS REALIZADOS Y FORMULAS UTILIZADAS 1. FLUJO MASICO DE AIRE (Ga) p 10 p 0 13 , 6 Ga 5,8365 s sen 0,464 T 0 273
(kg / h)
Donde: ∆s=Caída de presión en el manómetro inclinado (en cm) ∆p=Caída de presión en el manómetro en U (en cm)
p0=Presión atmosférica (en mm Hg) T0=Temperatura atmosférica (ºC) α=Angulo de inclinación del manómetro inclinado (=30º)
2. FLUJO MÁSICO DE COMBUSTIBLE (Gc)
Donde:
= Volumen de combustible consumido en cm = Tiempo de consumo de combustible (=15s) = Densidad del combustible, en kg/L
3
3. EFICIENCIA VOLUMETRICA ( )
Vh: Cilindrada unitaria, en m 3 n: rpm
: Densidad del aire a las condiciones p
0y
T0
17
4. COEFICIENTE DE EXCESO DE AIRE
⁄ Donde: l 0: relación estequiométrica (=14,3 kg/kg)
5.
POTENCIA EFECTIVA (Ne)
Donde: Me: Momento efectivo, en kN.m
: Velocidad angular, en rad/s A su vez:
Donde: Fd: Fuerza del dinamómetro, en kN b: brazo de palanca, en m (0,305m).
Densidad de aire corregida
[] Donde:
: Temperatura atmosférica. : Presión atmosférica.
18
3.2 RESULTADOS OBTENIDOS
):
1) Para el régimen de velocidad (
Utilizando las fórmulas descritas anteriormente y realizando los cálculos respectivos se obtuvieron los siguientes resultados:
N°
N
Ga
Gc
(RPM)
(kg/h)
(kg/h)
(%)
Ne
(KW)
1
1100
21.821
1.020
85.396
1.496
3.057
2
1300
25.218
1.204
83.507
1.465
3.529
3
1700
31.939
1.673
98.208
1.335
3.980
4
2000
36.302
2.060
78.137
1.232
5.813
5
2300
39.016
2.162
73.025
1.262
6.538
Se construyeron las curvas siguientes:
GRAFICO 1:
nv vs RPM 100.000 90.000 ) % ( o d a n e l l e d e t n e i c i f e O C
80.000 70.000 60.000 50.000
nv vs RPM
40.000
Polinómica (nv vs RPM)
30.000 20.000 10.000 0.000 0
500
1000
1500
2000
2500
RPM
19
GRAFICO 2: vs RPM
Coeficiente de exceso de aire vs RPM 1.600 1.400
e r i a e 1.200 d o s 1.000 e c x e e 0.800 d e t 0.600 n e i c i f 0.400 e o C
Coeficiente de llenado vs RPM Lineal (Coeficiente de llenado vs RPM)
0.200 0.000 0
500
1000
1500
2000
2500
RPM
2) Para el régimen de carga (
):
Utilizando las fórmulas descritas anteriormente y realizando los cálculos respectivos se obtuvieron los siguientes resultados:
N°
Ga
Gc
(mm)
(kg/h)
(kg/h)
(%)
Ne
(KW)
1
19
38.145
0.6528
82.104
4.086
1.278
2
18
37.810
0.9996
81.383
2.645
2.747
3
17
36.980
1.2444
79.597
2.078
4.024
4
16
36.991
1.5504
79.621
1.668
4.855
5
15
36.818
1.9788
79.248
1.301
5.813
20
GRAFICO 3:
nv vs Ne 100.000 90.000 ) % ( o d a n e l l e d e t n e i c i f e O C
80.000 70.000 60.000 50.000
nv vs Ne
40.000
Lineal (nv vs Ne)
30.000 20.000 10.000 0.000 0.000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 Carga (KW)
Utilizando los valores promedios de
S y P en la toma de datos, se obtuvieron los
siguientes resultados:
N°
Ga
Gc
(mm)
(kg/h)
(kg/h)
(%)
Ne
(KW)
1
19
37.349
0.653
80.391
4.001
1.278
2
18
37.349
1.000
80.391
2.613
2.747
3
17
37.349
1.244
80.391
2.099
4.024
4
16
37.349
1.550
80.391
1.685
4.855
5
15
37.349
1.979
80.391
1.320
5.813
Se construyeron las curvas siguientes:
21
GRAFICO 4:
Coeficiente de llenado vs Carga 100.000 90.000 ) % ( o d a n e l l e d e t n e i c i f e o C
80.000 70.000 60.000 Coeficiente de llenado vs Carga
50.000 40.000
Lineal (Coeficiente de llenado vs Carga)
30.000 20.000 10.000 0.000 0.000
2.000
4.000
6.000
8.000
Carga (KW)
GRAFICO 5:
Coeficiente exceso de aire vs Carga 4.500 4.000 e r i a 3.500 e d o3.000 s e c x 2.500 e e d2.000 e t n e i 1.500 c i f e 1.000 o C
Coeficiente exceso de aire vs Carga Lineal (Coeficiente exceso de aire vs Carga)
0.500 0.000 0.000
2.000
4.000
6.000
8.000
Carga (KW)
22
CONCLUSIONES Y COMENTARIOS 1. El flujo másico de aire y el flujo másico de combustible se fueron incrementando a medida de que aumentaba el régimen de velocidad del motor, en una posición fija de la cremallera. 2. El flujo másico de aire se mantuvo prácticamente constante mientras que el flujo másico del combustible se fue incrementando a medida que se aumentaba el régimen de la carga, a una RPM constante, debido a que la posición de la cremallera 3. El coeficiente de llenado (eficiencia volumétrica) alcanzó su valor máximo (98.2%) a una velocidad de 1700 RPM, luego dicho coeficiente decreció. Es decir, existe un régimen determinado de velocidad para el cual si aceleramos la eficiencia mejoramos la eficiencia volumétrica, pero si seguimos acelerando en vez de aumentar dicha eficiencia disminuirá, esto debido principalmente al incremento de las pérdidas hidráulicas. 4. El coeficiente de llenado varía proporcionalmente al cuadrado de la velocidad de rotación. Es decir,
() .
Formando una curva
cóncava hacia abajo. 5. El coeficiente de exceso de aire es función de las RPM del motor,
. Si
incrementamos las RPM, el coeficiente de exceso de aire disminuye. El factor que le da la tendencia decreciente al coeficiente de exceso de aire, es que mientras más aceleramos ingresa más flujo de aire en mayor proporción que el flujo de combustible. 6. Si necesitamos más potencia en el motor, tenemos que inyectar más combustible, como consecuencia de esto el coeficiente de exceso de aire disminuye. Si estamos a RPM constante, las pérdidas hidráulicas y el coeficiente de gases residuales permanecen prácticamente constantes. 7. Mientras se incremente la carga del motor, si no variamos las RPM, la eficiencia volumétrica se mantiene prácticamente constante, haciendo una reducción mínima, en nuestro caso un 3%, estando dentro de los límites vistos en la teoría de 4 – 5 %. 8. El coeficiente de exceso de aire varía linealmente con la carga del motor. Es decir,
. Formando una recta con pendiente negativa.
23
OBSERVACIONES 1. Se verificó que las pérdidas hidráulicas fueron mayores en el régimen de carga a una velocidad constante. 2. En el régimen de carga se obtuvieron distintos ΔS y ΔP, esto fue debido a la antigüedad del motor, ya que estos valores debieron ser aproximadamente iguales. 3. Todos los cálculos tuvieron margen de error debido a que no se obtuvo las RPM exactas, sin embargo, estuvieron dentro del margen de error de
5 %, lo
cual fue aceptable.
24
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.
25
