1. Condiciones que afectan el funcionamiento de un Motor
La disminución de la presión y la temperatura atmosférica afecta la densidad del aire y su composición. Las variaciones de la densidad afectan a las prestaciones de los motores de combustión interna alternativos, ya que estos tienen sistemas de alimentación volumétricos, provocando una disminución de la presión en el cilindro a lo largo de todo el ciclo termodinámico y por tanto del rendimiento indicado.
Altura
La altitud sobre el nivel del mar tiene un notable efecto sobre la densidad del aire y su composición. Dado que los motores de combustión interna tienen sistemas de admisi ón y de inyección de combustible volumétricos, la altitud modifica el ciclo termodinámico de operación, así como las condiciones locales de combustión, y por tanto la formación de contaminantes. Además de las variaciones de temperatura propias de las distintas capas de la atmósfera, la presión del aire disminuye a medida que crece la altitud altit ud del punto de medida, debido a la reducción del peso de la l a columna que soporta por encima, reducción que se debe tanto a la menor altura de la columna como a la menor densidad del aire que la ocupa.
Densidad del aire
Se puede ver afectada por diferentes factores como la altitud y la temperatura, entre otros, y para nuestro motor es conveniente que sea baja. Si es así, la relación entre el aire y combustible que se suministra al motor es más rica, en tanto que la cantidad de aire en las cámaras de combustión, en relación con el volumen de combustible.
Temperatura
Es un factor que influirá directamente sobre la densidad del aire. Así, cuando la temperatura ambiente es mayor, la densidad del aire disminuye, y por el contrario las temperaturas más bajas provocan una densidad mayor mayor en el aire. El volumen de aire aumentará con el incremento de temperatura (considerando que la presión permanece pe rmanece constante c onstante)) de acuerdo a la ley le y de los gases ideales el mismo mis mo se hace menos denso. Por consiguiente el aire contiene menos moléculas de oxígeno en el mismo volumen a altas temperaturas que a bajas t emperaturas y la cantidad de oxígeno afecta significativamente a la combustión.
Humedad
Cuanto mayor sea la humedad, menor octanaje del combustible requerido para un correcto funcionamiento. Según este factor, por gramo de agua sobre el kilo de agua seco, el octanaje se reduce de 0,25 a 0,35. Precisamente por esto, la inyección de agua en la admisión de aire puede aumentar el índice de octano y evitar el picado de biela.
Presión atmosférica
Este es un factor que influye de manera determinante en la potencia entregada por el motor, y vamos a ver exactamente el porqué de esta afirmación. La atmósfera terrestre contiene una serie de elementos, los cuales varían en porcentaje. Esos porcentajes son: 78% de nitrógeno, 21% de oxígeno, y dióxido de carbono, argón, neón, helio, criptón, xenón, hidrógeno, metano, óxido nitroso, ozono y vapor de agua en porcentajes más reducidos. Bien, si la presión atmosférica es mayor, como por ejemplo a nivel del mar, la cantidad de oxígeno que entrará en mi motor será mayor (hay más concentración de oxígeno por cada volumen de aire aspirado). Sin embargo si disminuye, como cuando subimos una montaña, entrará menos oxígeno por cada volumen de aire aspirado. Esto afecta a los motores llamados atmosféricos (aspiran a presión atmosférica, sin dispositivos intermediarios para comprimir el aire) bastante más que a los sobrealimentados (incluyen en las entradas de aire un compresor o turbocompresor) debido a que los segundos palían la falta de oxígeno comprimiendo el aire de entrada, por lo que compensan la carencia de oxígeno introduciendo más aire. Hay estudios que certifican la perdida de potencia en torno a un 2% por cada 100 metros de elevación para motores atmosféricos. Es fácil imaginar que en la Formula 1 se tendrá muy en cuenta la altura barométrica a la que trabaja el motor, ya que ello puede otorgar ventajas sustanciales y para ello se puede modificar la entrada de aire al motor, la apertura de la válvula de admisión para q ue se adelante aún más, etc…
Rendimiento
El rendimiento de un motor disminuye con la altitud debido principalmente a que la presión en el cilindro es menor a lo largo de todo el ciclo del motor, si bien otros efectos relacionados con la incorporación del combustible también influyen. Todo ello provoca una pérdida de potencia indicada.
Potencia
La potencia de pérdidas mecánicas se reduce ligeramente con la altitud debido a que la potencia de pérdidas de bombeo y rozamiento se reduce por la disminución de la contrapresión de escape y de presión en el cilindro respectivamente. 2. Variación de la presión en el cilindro en función del giro del cigüeñal
Para comprender el ciclo de un motor alternativo, estudiar la variación de la presión en el interior del cilindro en función del ángulo girado por el cigüeñal, representado en unos ejes cartesianos en abscisas el giro del cigüeñal contado desde el comienzo de la admisión, y en ordenadas las presiones en el interior del cilindro durante el desarrollo de un ciclo completo permite, además de dejar claros los principios de funcionamiento de los motores alternativos, mejorar su rendimiento y calcular las cargas sobre los cojinetes del motor.
Figura 1 Diagrama de presiones en función del giro del cigüeñal
Al comienzo de la admisión, el interior del cilindro se encuentra a una presión ligeramente superior a la atmosférica por no haber terminado todavía la fase de escape. Cuando el pistón se desplaza hacia el PMI, aspira cierta cantidad de aire o mezcla gaseosa a través de la válvula de aspiración, abierta oportunamente. Durante toda esta fase, en primer lugar la presión se hace igual a la atmosférica, punto 2, y en el resto de la carrera en el interior del cilindro existe una presión menor, a causa de la resis tencia que encuentra el gas en los conductos. Ello origina la llamada depresión en aspiración, la cual resulta tanto más intensa cuanto mayor es la velocidad del gas, debido a la mayor resistencia que este fluido ha de vencer a su paso por dichos conductos. Como es evidente, esta fase representa trabajo negativo. Cuando en el punto 3 el pistón inicia su carrera hacia el PMS el cilindro se encuentra todavía en depresión, por este motivo, y a pesar del movimiento del pistón continúa la introducción del fluido hasta 4, punto en el que se igualan la presión interna y la atmosférica. En este punto se debe cerrar la válvula de aspiración. Si el conducto de admisión es largo, se puede utilizar el efecto de inercia de la columna gaseosa, para continuar la admisión después del punto 4 retardando, para ello, el cierre de la válvula. En el punto 4 se inicia realmente la compresión. La compresión de la carga se produce como consecuencia del movimiento del pistón hacia el PMS. A partir del punto 4 el fluido operante, a la presión atmosférica, es comprimido por el pistón, con lo que la presión aumentaría hasta el punto 6, si no se produjese, como es necesario, el AE o el AI, lo cual se da en el punto 5.
AE / AI: Adelanto del encendido o de la inyección, consigue compensar el tiempo necesario para que, al final de la combustión, el movimiento del pistón en su fase de trabajo sea mínimo.
La combustión comienza con el encendido o inyección del combustible en el punto 5 lo que origina una repentina elevación de temperatura y de presión que alcanza su valor máximo en el punto 7. La combustión debe finalizar cuando el pistón ha recorrido una parte reducida de la carrera hacia el PMI. Terminada la combustión, debido al aumento de presión el pistón experimenta un rápido descenso hacia el PMI, lo cual debería prolongarse, para aprovechar al máximo la fase útil, hasta la proximidad del PMI, pero, para facilitar la expulsión de los gases, se interrumpe ésta con la apertura anticipada respecto al punto muerto inferior de la válvula de escape en el punto 8. El escape, que se inicia en el momento de comienzo de la apertura de la válvula correspondiente, como los gases se encuentran a presión superior a la atmosférica, se descargan en estampida al exterior, de forma tan rápida que la transformación discurre casi a volumen constante, la presión desciende con rapidez, y es en el punto 9 cuando realmente se inicia la carrera de escape. Debido a la inercia de los gases en los conductos de escape, la presión puede alcanzar un valor con presión inferior a la atmosférica, según se representa en el punto 10. En 11 se inicia el segundo periodo del escape. En él, el pistón expulsa los gases que ocupan el cilindro, con lo que la presión se hace ligeramente superior a la atmosférica debido a la resistencia de los gases a circular atravesando la válvula y los conductos de escape. Como el pistón no puede expulsar todos los gases, porque una parte de ellos ocupa la cámara de combustión, al final de la carrera de escape, la presión tiene todavía un valor ligeramente superior a la atmosférica.
3. Ejercicio Un motor de 4 tiempos 6V de encendido por chispa y admisión natural, tiene una relación
= , y
se encuentra operando en Cuenca-Ecuador con las
siguientes características:
a)
= = = = ∗ Determine su eficiencia térmica ( ) = ̇ ∗ ∗ 100
= 44000 = 15 = 1 = 0,067 15 = ̇ ̇ (101325) = ∗ ∗ = (63.6 − 32) ∗ 59 = 17.6° = 0.73∗(101325) = 0.886 ∗ ∗ (17.6+273) 287.05 ° ̇ = ∗ ∗ = 4 ∗ ∗ = 1 = 1 ∗ (95) = 95 (95) ∗ = 4 ∗ (95) ∗ (6) = 4040284.502 = 0.004040 ∗3200∗ 2 ∗ (0.004040 ) 0.886 60 ̇ = 2 ̇ = 0.6 ̇ = ∗ ̇ ̇ = 0.067 ∗ 0.6 = 0.04[] (275 ∗ ) ∗ 320060∗2 = = 52.35% 0.04 ∗44000
b) Determine la eficiencia térmica si el motor estuviera operando en Salinas.
= ̇ ∗ ∗ 100 = 44000 = 15 = 1 = 0,067 15 = ̇ ̇ (101325) = ∗ ∗ = (75.2 − 32) ∗ 59 = 24° = 1∗(101325) = 1.188 ∗ (24+273) 287.05 ° ̇ = ∗ ∗ = 4 ∗ ∗ = 1 = 1 ∗ (95) = 95 ( ) ∗ 95 = 4 ∗ (95) ∗ (6) = 4040284.502 = 0.004040 ∗3200∗ 2 ∗ (0.004040 ) 1.188 60 ̇ = 2 ̇ = 0.804 ̇ = ∗ ̇ ̇ = 0.067∗ 0.804 = 0.053[]
(275 ∗ ) ∗ 320060∗2 = = 39.3% 0.053 ∗44000 Bibliografía Armas, O., & Agudelo, J. (2015). Estudio del Efecto de la altitud sobre el comportamiento de motores de combustión interna. Medellín. Solanes, J. (12 de Septiembre de 2013). VirutasF1. Obtenido de http://virutasf1.com/2013/09/viru-factores-externos-que-influyen-en-el-rendimientode-un-motor/
