Cap1-LMCI

Universidad Técnica Federico Santa María. Sede Viña del Mar. Departamento de Mecánica.

Capitulo 1. Balance Térmico de MCI.

LABORATORIO DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Profesor: Roberto Leiva Illanes MBA in Energy Economics. FachHochschule Offenburg. University of Applied Sciences. (Alemania). Magister en Economía Energética. UTFSM. Chile. Magíster en Ciencias de la Ingeniería (e). UTFSM. Chile. Ingeniero Civil Mecánico. UTFSM. Chile, Técnico Universitario en Mecánica Automotriz. UTFSM. Chile. Laboratorio MCI.

UTFSM-Sede Viña del Mar

1

Cap.

Nombre

Sub

Tema

Cap. ap. 1

Balanc alance térm térmic ico o en un motor de combustión interna (MCI).

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

Dist ribuc ión de la potenc ia en un mot or. Métod todo de cál cálcul culo de las di diferentes tes po poten tencia cias en en un motor tor Magnit udes c arac terís tic as Dimens iones ca carac terís ticas Mét odo de c álc ulo de rendimientos

Laboratorio MCI.


2

1.1. Distribución de la Potencia o Energía en un motor E suministrada = E útil útil + E no utilizada (perdidas) (perdidas)

De donde, E suministrada = E Química en el combustible E útil = E mecánica en el eje E no utilizada (perdidas) = E perdida por Refrigeración E perdida por el escape (sensible y latente) E perdida por radiación

Laboratorio MCI.


3

Por 1er Ley de la Termodinámica (conservación de la energía), energía), la energía química del combustible se distribuye en las cuatro categorías siguientes: 1. Potencia Efectiva (útil o al freno o al volante vol ante o al eje) 2. Potencia de Refrigeración 3. Potencia de Escape (sensible y latente) 4. Potencia de Radiación Principales transferencias de Energía en un motor

Aplicando la 1era Ley de la Termodinámica a un sistema abierto de flujo permanente, despreciando ec y ep, se tiene:  Q   m  Q  f  h f  m  a  ha  W  f  m  a   h esc m ref ra rad d  Q  H  Q   f  H inf  W  m re ref f rad esc.latente  m  h esc.sensible

Laboratorio MCI.


4

Distribución de la potencia en un motor Potencia del Combustible

Potencia Indicada

Po te nci a Út Úti l

Po te nci a de de Ro ce

Potencia de Refrigeración

Potencia de Radiación

Potencia de Escape

Potencia de Escape Sensible

Laboratorio MCI.


Potencia de Escape Latente

5

Distribución de la potencia en un motor, fuente JJR. MECH

MEC

Potencia Util

25%

33%


25%

33%

Potencia escape

25%

33%


25%

1%

MECH

Potencia Indicada Potencia Util Potencia de Roce Potencia de Refrigeración Potencia escape Sensible Latente Potencia de Radiación

35% 25%

10% 25% 25%

20% 5% Total

MEC

Potencia Indicada Potencia Util Potencia de Roce Potencia de Refrigeración Potencia escape Potencia de Radiación

33%

12%

Total

25% 100%

Donde Pot. Indicada = P. Util + P. de Roce Pot. Refrigeración = P. De Roce + Pot. Refrigeración'

45%

33% 33% 1% 100%

Donde Pot. Indicada = P. Util + P. de Roce Pot. Refrigeración = P. De Roce + Pot. Refrigeración'

La distribución de Potencias se puede representar en el Diagrama de Sankey Laboratorio MCI.


6

Distribución de la potencia en un motor, fuente Bussien 1965

Distribución de Potencias según Bussien

Motor Motor Otto % Diesel (%)

Potencia Efectiva o Potencia Útil

24

32

Potencia de Escape

36

29


33

32


7

7

100

100

Potencia del Combustible

Laboratorio MCI.


7

Distribución de la potencia en un motor, fuente Heywood J. “Internal Combustion engine Fundamentals”.

Potencia útil

Potencia refrigeración

Potencia escape sensible

Potencia escape latente

Potencia radiación

MECH

25 - 28

17 - 26

34 - 45

2-5

3 - 10

MEC

34 - 38

16 - 35

22 - 35

1-2

2-6

Laboratorio MCI.


8

Ejemplo de Aplicación en una Caldera Laboratorio MCI.


9

Sistema de cogeneración.

Laboratorio MCI.


10

Ejemplo de Diagrama de Sankey

Fuente: Pedro Maldonado.

Laboratorio MCI.


11

Fuente: Thermax India. Feb 2006 Laboratorio MCI.


12

1.2. Método de cálculo de las diferentes potencias en un motor. Potencia = trabajo / tiempo [kW]



Potencia: W 

W dt

1.2.1. Potencia del Combustible (Pc)

P C  B  H INF

donde

Pc en [kW] B en [kg/s] Hinf en [kJ/kg]

Consumo Horario (B): por volumen o por masa

B po r

volumen

B po r

Laboratorio MCI.

masa



V   c t

donde

B en [kg/s] V en [m3] t en [s] > 30 [s] c en [kg/m3]



m t

donde

B en [kg/s] M en [kg] t en [s] > 30 [s]


13

Poder calorífico superior: ( Hs ) Energía calórica capaz de liberarse por parte de un combustible en una reacción química de combustión.

Poder calorífico inferior: ( Hi ) Corresponde al poder calorífico superior menos la energía latente de evaporación del agua y de los ácidos producidos en la combustión. Hi < Hs

Poder calorífico de la mezcla. ( Hg ) Representa la energía química de la mezcla, en base a la dilución con el aire.

Laboratorio MCI.


14

1.2.2. Potencia de Refrigeración 



P REF  m H 2O  Cp H 2O  T H 2O _ Salida  T H 2O _ Entrad a



donde

Pref en [kW] d mH2O/dt en [kg/s] CpH2O en [kJ/kg°C] T en [ºC ]

1.2.3. Potencia efectiva, al freno o útil. Es una medida de la energía por unidad de tiempo, disponible en el eje del motor Por ahora para obtener el valor desde el freno Dinamométrico, se obtiene (considerando freno de Prony), en el ítem 1.2.8. se vera nuevamente la Pot. al freno

 M  0

M  T  r  f  F  R

W  F  S

M=T: f: F: r: R: W: S: P: Laboratorio MCI.


Momento [m N] Fuerza de roce [N] Fuerza en la bascula [N] Radio del volante [m] Brazo de palanca del freno [m] Trabajo [N m] Perímetro [m] Potencia [kW] 15

W  2    r  f

Trabajo en una vuelta

W  2    r  f  k

Trabajo en k vueltas

P f 

W t

 2    R  F 

n 60  10 3

kW 

Si n son las [rpm] y  [rad/s]

Potencia al freno P f  M   P f  r  f   P f 

P f 

P f 

F  R  n

Pot . Electrica _ Generada

Laboratorio MCI.

60  10 3

donde

716.2

 Gen  Transmision

2  

y 2    n 60

2    n

 



60

2  

 R  F  n

60

 R  F  n

kW 

Pf en [CV] F en [Kgf ] o [kP ] R en [m] n en [rpm]

Si se mide la P f con un generador


16

1.2.4. Potencia de Escape 1.2.4.1. Potencia de Escape Sensible 

P Escape _ sen sible  m ge  Cp ga ses  T ge _ Salida  T Aire _ Admision 

También se puede calcular de la siguiente forma: 

P Escape _ sensible 

m H 2O _ Cal  Cp H 2O _ Cal  T H 2O _ Salida _ Cal  T H 2O _ Entrad a _ Cal   T ge _ Salida _ Motor  T Aire _ Adm 

T

ge _ Salida _ Motor

donde

Laboratorio MCI.

 T ge _ Salida _ Cal 

Pescape sensible en [kW] d mH2O_cal / dt en [kg/s] CpH2O en [kJ/kg°C] T en [ºC ]


17

1.2.4.2. Potencia de Escape Latente

P Escape _ Latente

Donde

Laboratorio MCI.

     c b 1 3000         2 a   B   1    q 2  d    632   1  2  m  e  p   

Pescape Latente en [CV] a: Porcentaje en peso de C en el combustible b: peso atómico del C = 12 c: Porcentaje en peso de H en el combustible d: peso atómico del H = 1.008 m: Porcentaje de N 2 en gases de escape p: Porcentaje de O 2 en gases de escape q: Porcentaje de CO en gases de escape e: %N2 / %O2 en el aire, e=79/21=3.762 B: consumo horario en [kg/s] Datos m, p y q se obtienen de analizador


18

1.2.5. Potencia de Radiación Método Directo: En Laboratorio aislado térmicamente se realizan las pruebas. 

P Radia ción _ Directo  maire  Cpaire  T Aire _ Salida _ sala  T Aire _ Entrad a _ sala 

Método Indirecto:

donde

PRadiación Directo en [kW] d maire / dt en [kg/s] Cpaire en [kJ/(kg°C)] T en [ºC ]

P Radiación _ Indirecto  P c  P e  P Re f  P Esc

1.2.6. Trabajo indicado, trabajo efectivo, presión media indicada, presión media efectiva, presión media de roce. 2

W 12

  F  ds 1

Trabajo Indicado (WI): Trabajo desarrollado por el volumen de gases sobre un pistón durante cada ciclo de operación del motor

Laboratorio MCI.


19

Trabajo efectivo (We): Trabajo indicado menos el valor del trabajo de roce, tanto del pistón como de los elementos de transmisión (biela,cigüeñal) W e  W I  W R

Presión Media Indicada (pmi) Presión constante equivalente, que debería existir en la cámara para obtener el mismo WI desarrollado en un ciclo de funcionamiento del motor 

W i   F  ds   p  dv  pmi  V d pmi 

Laboratorio MCI.

W i V d

V d 

  D 2 4

 s

donde, WI: trabajo indicado Vd : volumen desplazado D: Diámetro del cilindro s: Carrera


20

Laboratorio MCI.


21

Presión Media efectiva (pme) Es la presión que debería existir constantemente en el interior del cili ndro para obtener un valor dado de P e 

W e   F  ds   p  dv  pme  V d pme 

W e V d

 pme 

W e   D 4

2

 s

Presión Media de roce (pmr)

pmi  pme  pmr  P i   pmi      4500   P e   pme   2  pmr    D  Z  s  n  i  P     r  4 motor

donde :

motor

motor

Laboratorio MCI.


Pe , Pi y Proce en [CV] D en [cm] s en [m] n en [rpm] Z: N° de cilindros i: 1/2 motor 4T; 1 motor 2T 22

1.2.7. Potencia Indicada (Pi) Es la energía por unidad de tiempo entregada por los gases al pistón, durante uno o varios ciclos P iun _ cilindro 

P imotor 

dW i dt

dW i dt

 pmi  V d  n  i

  pmicil 1  pmicil 2  ....  pmicilz   V d  n  i  pmi  Z  V d  n  i

donde : pmi: Presión media indicada Vd: Volumen de desplazamiento Z: N° de cilindros n: [rpm] i: 1/2 para motores de 4 tiempos i: 1 para motores de 2 tiempos D: Diámetro del cilindro   D 2 s: Carrera  Z  s  n donde: Pi en [CV] P i  pmi  4 i D en [cm] 4500 s en [m] n en [rpm] Determinación de la Potencia Indicada. - Por Indicador de Diagrama (Mecánico o por transductor-Osciloscopio). - Por Método Morse. P imotor  pmi  Z  V d  n  i

motor

Laboratorio MCI.


23

- Determinación de la Potencia Indicada por Indicador de Diagrama. El área se puede medir con papel milimetrado, por peso, con un planímetro. En el motor de 4T es necesario restar el área correspondiente al trabajo de bombeo. En el caso del laboratorio

pmi 

K: constante del resorte

Area _ Diagrama L arg o _ Diagrama

 k

- Determinación de la Potencia Indicada por Método Morse. Entrega valores inferiores al diagrama indicado, los valores no son totalmente fiables P e  P eCil 1  P eCil 2  ...  P eCilz

Si se descuelga cilindro N°1, la ecuación queda P e1  P eCil 2  P eCil 3  ...  P eCilz  P RoceCil 1 Si se descuelga cilindro N°2, la ecuación queda P e 2  P eCil 1  P eCil 3  ...  P eCilz  P RoceCil 2 Laboratorio MCI.


24

Si se descuelga cilindro N°3, la ecuación queda

P e 3  P eCil 1  P eCil 2  P eCil 4 ...  P eCilz  P RoceCil 3 Al resolver el sistema de ecuaciones queda P e cil 1  P RoceCil 1  P i cil 1 P e cil 2  P RoceCil 2  P i cil 2

..... P e cilZ  P RoceCilZ  P i cilZ

Sumando lo anterior, se obtiene la P indicada del motor P e cil 1  P RoceCil 1  P e cil 2  P RoceCil 2  ...  P e cilZ  P RoceCilZ  P i cil 1  P i cil 2  ...  P i cilZ Z

 ( P z 1

ecilz

Z

 P Roce )   P i cilz

z 1

cilz

P e motor  P Rocemotor  P i motor

Laboratorio MCI.


25

1.2.8. Potencia efectiva, al freno o útil.

P emotor  pme  Z  V d  n  i

P f 

Recordar que:

  D 2 P emotor  pme 

Laboratorio MCI.

4

2   60  10 3

 Z  s  n

4500

donde: pme: Presión media efectiva Vd: Volumen de desplazamiento Z: N° de cilindros n: [rpm] i: 1/2 para motores de 4 tiempos i: 1 para motores de 2 tiempos D: Diámetro del cilindro s: Carrera

i

 R  F  n

kW 

donde: Pe en [CV] D en [cm] s en [m] n en [rpm] UTFSM-Sede Viña del Mar

26

1.2.9. Par motor o Torque reemplazando en:

 N  m

T  F  R

P f 

2   60

 F  R  n

W 

Se obtiene: P f  T 

2   60

W 

 T  n

60 P f 2   n

 N  m

P f 

T  n

716.2 P f T  716.2  n

donde

Pf en [CV] T en [Kgf m ] n en [rpm ]

1.2.10. Potencia de Roce (Proce) Se puede calcular de dos formas: 1° Girando el MCI con un motor eléctrico a las rpm de medición P Roce  P Electrica  Motor _ Electrico

2° Con la P indicada P Roce  P i  P e

La Potencia de roce es proporcional al cuadrado de la velocidad. Laboratorio MCI.


27

1.3. Magnitudes Característicos en los MCI -

Potencia Efectiva (Pe o Pf ), ver ítem 1.2.8.

-

Torque o Par Motor, ver ítem 1.2.9.

-

Consumo Especifico (be).

-

Consumo Horario (B), ver ítem 1.2.1.

-

Presión media indicada, efectiva y de roce (pmi, pme y pmr), ver ítem 1.2.6.

-

Relación de Compresión.

-

Relación aire combustible, relación de aire.

-

Rendimientos (Efectivo, Indicado, Térmico, de Calidad, Mecánico, Grado de transformación del combustible, Volumétrico). Ver ítem 1.5.

Laboratorio MCI.


28

Valores característicos de la pmi y pme Valores de pmi [kg/cm2]

Relación de Compresión rpm

6

7

8

9

10

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

5.5 a 7 6 a 7.5 6 a 7.5 5.5 a 6.5 5.5 a 6.5 5a6 3a5 3a4 2a3

11 a 13 11 a 14 11 a 14 8 a 11 8 a 10 7a9 6a7 4 a 5.5 3a4

13 a 16 13 a 16 13 a 16 10 a 13 10 a 12 9 a 11 7.5 a 8.5 5a7 4 a 5.5

16 a 20 16 a 20 16 a 20 12 a 16 12 a 15 10 a 15 9 a 11 -

18 a 22 18 a 22 18 a 22 16 a 20 15 a 18 12 a 15 10 a 12 -

Presión media efectiva

Motores

Presión media efectiva [bar]

Motocicletas

-12

Automóviles Otto (s/sobrealimentación)

7,9 - 13

Camiones Diesel (c/sobrealimentación)

9 - 18

Motores Diesel rápidos grandes

6 - 22

Diesel semi-rápidos

Laboratorio MCI.

15 - 25


29

Relación de compresión ( )  

donde:

V h  V d V h

Vh= Volumen sobre la cabeza del pistón en el P.M.S. Vd = Volumen desplazado por el pistón (volumen entre P.M.S. y P.M.I.)

Valores Característicos: - Motores ciclo Otto

: 6,5 - 11

- Motores ciclo Diesel : 15 - 22

Laboratorio MCI.


30

Consumo especifico de combustible (be)

be 

Unidades normales para b e son : [g / (cv · h)] [lb / (HP · h)] [g / (kw · h)]

B P e

be 

B 10

3

P e

donde: be en [g / (cv · h)] B en [kg / h] Pe en [CV]

Valores característicos a 100% de carga: - Motores ciclo Otto be= 230 a 350 [ g / (cv h)  - Motores ciclo Diesel lento (hasta 150 [rpm]), be= 150 [ g / (cv h)  - Motores ciclo Diesel Rápidos (1800 a 3000 [rpm]), be= 180 [ g / (cv h) 

Laboratorio MCI.


31

Relación de aire/combustible (RAC) V aire _ em   aire _ em



RAC 

[kg ]aire [kg ]combustibl e



m aire _ real B



t aire _ em B

Valores característicos de RAC utilizando combustibles comunes son: Motor ciclo Otto

10,6 < RAC < 17

Motor ciclo Diesel

22 < RAC < 120

Proporción o relación de aire ( ):

 

RAC real RAC estequiometrica

Mezcla Pobre: Si se tiene exceso de aire  > 1. Mezcla Rica: Si se tiene defecto de aire  < 1. Mezcla estequiométrica: Si no hay exceso ni defecto de aire  = 1. Valores característicos de  utilizando combustibles comunes son: Motor ciclo Otto

0,7<  <1,1.

Motor ciclo Diesel

1,4 <  < 8.

Laboratorio MCI.


32

Relación potencia efectiva/volumen desplazado (cilindrada).

Tipos de Motores

Potencia efectiva/Volumen desp. (kW/l)

Motores Diesel lentos (2T, n=100 rpm)

1,5 - 3

Motores Diesel Semi-rápidos (n=500 rpm)

4,5 - 7,5

Motores Diesel rápidos (n=1000 rpm)

9,5 - 15

Motores Diesel vehicular

13 - 19

Motores Otto

30 - 48

Relación Peso/Potencia.

Tipos de Motores

Peso/Potencia (kg/kW)

Motores Diesel grandes lentos

40 - 55

Motores Diesel semi-rápidos

10 - 19

Motores Diesel rápidos

5,5 - 11

Motores Diesel Camiones

4 - 5,5

Motores Otto autos

2

Motores de competición

0,4 - 0,8

Laboratorio MCI.


33

Factor de Corrección debido a Condiciones Atmosféricas La Potencia efectiva es influenciada por las condiciones atmosféricas de presión barométrica, Tº ambiental y humedad relativa del aire. Condiciones normales definidas por la SAE (Society of Automotive Engineers) Taire seco = 15.6 [°C] Patm= 760 [mm de Hg] = 29.92 [pulg Hg] El Factor de Corrección (FC) utilizado se emplea como factor multiplicativo en la Pe, pme y T en ensayos realizados a 100% de carga. No se debe emplear en el b e 1

CF 

760 P a



Donde:

Laboratorio MCI.

T a

288.6

 44.74 

T a 2 P a

CF: Factor de Corrección para Pe, pme y T Pa: P° barométrica [cm Hg]. (para aire seco) Ta : T° Absoluta [K] UTFSM-Sede Viña del Mar

34

1

CF 

29.92 P a

Donde:



T a 520

 1.31

T a 2 P a

CF: Factor de Corrección para Pe, pme y T Pa: P° barométrica [pulg Hg]. (Para aire seco) Ta : T° Absoluta [K]

La Pa (presión barométrica para aire seco) se calcula con la siguiente relación: P a  P a  P v '

Donde:

Pa: P° barométrica [cm Hg] o [pulg Hg]. (Para aire seco) Pa’: P° barométrica medida [cm Hg] o [pulg Hg] Pv : P° del vapor de agua en el aire [cm Hg] o [pulg Hg]

Por lo general se considera P a = Pa’, salvo si la humedad del aire o su temperatura es elevada.

Laboratorio MCI.


35

1.4. Dimensiones Características Dimensionamiento básico Cilindrada La cilindrada se calcula: - Caso 1: motores de automóviles y motocicletas. V h  V d  Z  k 

  D 2 4

s D 1

 4 V h  3 D       k  Z 

 s  Z

donde:

Vh: Cilindrada D: Diámetro del cilindro S: Carrera Z: N° de cilindros k : Relación carrera / diámetro. Determinada por el fabricante.

Valores comunes k = 0,6 - 1,1 Nº de cilindros:

motocicletas : 1, 2, 3, 4. autos : 3, 4, 6, 8. (V)

Laboratorio MCI.


37

- Caso 2 : motores pesados : potencia revoluciones.    D 2  V h  V d  Z    s   Z 4  

Si V h 

y P emotor  pme  V d  Z  n  i

P e pme  n  i 1

pero

 4 V h  3 D     k Z    

Para : - Camiones Diesel : - Camiones semi- rápidos :

- Motores lentos 2T : Laboratorio MCI.

1

  3 4  P e se _ obtiene D     pme k Z n i       

s/sobrealimentación pme = 6 - 9 bar. c/sobrealimentación pme = 9 - 11 bar. s/sobrealimentación pme = 5 - 7 bar. c/sobrealimentación pme = 8 - 10 bar. c/sobre/intercooler pme = 12 - 20 bar. c/sobre/intercooler pme = 9 - 15 bar UTFSM-Sede Viña del Mar

38

Velocidad media del pistón (Cm) Una vuelta del cigüeñal = dos carreras del pistón. Factores que limitan la C m: – Fuerzas inerciales. – Perdidas por roce. – Rendimiento volumétrico. – Desgaste.

C m [mm / min]  2  s[mm]  n[rpm] C m [m / s] 

Tipos de Motores

s[mm]  n[rpm]

30.000

Cm [m/s]

Motocicletas

19

Autos - Otto

9,5 - 19

Camiones - Diesel

9,5 - 14

Diesel rápidos

7 -12

Diesel semi rápidos Lentos 2T Laboratorio MCI.

5,3 - 9,5 6-7


39

100

v% Diesel

90

Spark-ignition

80

0

2

4

6 8 10 Mean piston speed, m/s

12

14

Influencias de la velocidad media del pistón en el rendimiento de llenado

Laboratorio MCI.


40

Valores recomendados Para relación k = s/D - Camiones Diesel: k = 0,9 - 1,2 - Semi - rápidos: k = 1,2 - 1,4 - Lentos 2T: k = 1,8 - 2,2. Nº de cilindros (Z) - Camiones

Z=6-8

- Motores estacionarios y de barcos : en línea : Z = 1 -12 en V : Z = 8 - 20

Estatismo  

Laboratorio MCI.

nmax_ vacío  nmax_ c arg a nmax_ c arg a

100

%


41

Laboratorio MCI.


42

, ,

Laboratorio MCI.


43

Laboratorio MCI.


44

Clasificación de motores de ciclo Diesel según la velocidad de rotación. - Diesel lentos: Rango de velocidad de 10 a 30 [rpm] en el sector de las 60 [rpm] a las 200 [rpm]. - Diesel semi-rápidos: Rango de velocidad de 100 a 150 [rpm] en el sector de las 400 a las 600 [rpm] - Diesel rápidos: Rango de velocidad de 500 a 1500 [rpm], dentro del sector de las 1000 a las 2800 [rpm] - Diesel super rápidos o automotrices: alcanzan velocidades máximas del orden de 5000 [rpm]

Clasificación de MCI según potencia. - Motores chicos: bajo 10 [CV/cil] - Motores medianos: de 10 [CV/cil] a 100 [CV/cil] - Motores grandes: sobre 100 [CV/cil] Laboratorio MCI.


45

1.5. Método de calculo de Rendimientos Potencias y Rendimientos (DIN 1940) Pc = mf.Hinf = 100%

h

Pv

h

Pi

Pe

h

i

g

h

e

mec

h

= Pe / Pc

= Pi / Pc

h

i

Donde:

h

h

Pr

e

h

v

La cadena del Rendimiento DIN 1940

= Pv / Pc

v

h

= Pe / Pi

mec

= Pi / Pv

g

Pc : Potencia del Comb. Pv : Potencia del motor ideal (ciclo cerrado) Pi : Potencia Indicada Pe: Potencia Efectiva Pr : Potencia de Roce

: Rendimiento Útil o Efectivo i : Rendimiento Indicado v = th : Rendimiento Perfecto, teórico o térmico g : Rendimiento de Calidad (grado de calidad) mec : Rendimiento Mecánico e

Laboratorio MCI.


46

Rendimiento Útil o Efectivo o Global. (

e

)

Cuantifica la eficiencia de transformación energética de un motor.  e   Global 

P e P comb



P e B  H inf

  Mec  i

El rendimiento efectivo esta dentro del orden de: 25% en los motores ciclo Otto 33 a 35% para los motores ciclo Diesel

Rendimiento Indicado. ( i ) Cuantifica la eficiencia de transferencia de energía por parte de los gases a los pistones. (también se conoce como rendimiento térmico indicado)  Indicad o 

Laboratorio MCI.

P i P comb



P i B  H inf


47

Rendimiento Perfecto o Teórico o Térmico (

v

o

thd )

Cuantifica la eficiencia del ciclo termodinámico teórico.  v   Thd 

P v P c

Donde: Pv : Potencia del motor ideal (ciclo cerrado). Pc: Potencia del Combustible

En motor ciclo Otto se tiene:

 Thd 

Qutilizado Q su min istrado

 Thd  1 

k   

Laboratorio MCI.

C p C v v1 v2


1  k 

1

 1.4  Re lación _ de _ Compresión

48

En motor ciclo Diesel se tiene:  Thd MEC

k   

L 

C p C v v1 v2 v3 v2

 Lk  1    1  k 1       1 L     1

 1.4  Re lación _ de _ Compresión 

T 3 T 2

 Lk  1     1    1 L    

A igual Relación de Compresión en motor ciclo Diesel y motor ciclo Otto, se obtiene que: thd Otto > thd Diesel En el motor ciclo diesel el rendimiento aumenta progresivamente a medida que la carga disminuye (es igual al ciclo Otto en el limite de carga cero). Laboratorio MCI.


49

Rendimiento de Calidad o Grado de Calidad ( g) Indica con qué exactitud se puede aproximar el ciclo real con el teórico termodinámico. Contiene todas las pérdidas internas  g   gHD  gLW 

P i P v

donde: gHD : Grado de calidad del ciclo a alta presión

: Grado de calidad del cambio de carga Pi: Potencia Indicada Pv : Potencia del motor ideal (ciclo cerrado). gLW

Valores característicos: - Motor Otto actual g = 0,4 - 0,7 - Motor Diesel actual g = 0,6 - 0,8

Laboratorio MCI.


50

gHD : Grado de Calidad del ciclo a alta presión.

-

gLW

Ciclo real de trabajo a alta presión. Perdidas de calor por las paredes. Gas real. Velocidades finitas de aporte y cesión de calor. Cp variables.

: Grado de Calidad del cambio de carga.

- Cambio de carga real. - Perdidas de caudal. - Calentamiento de la mezcla o del aire, otros.  g   gHD  gLW 

Laboratorio MCI.


P i P v

51

Gráfico de g v/s  para motor ciclo Otto y motor ciclo Diesel

g

g 0.9 0.9

0.8 0.8

0.7 0.7 0.8

1.0

1.2 

1.4

1

Motor ciclo Otto  g   gHD  gLW 

3



4

Motor ciclo Diesel P i P v

g 

Laboratorio MCI.

2

: Grado de Calidad

: Relación de Aire Lambda


52

Rendimiento Mecánico. ( mec ) Cuantifica la eficiencia de transferencia de energía de los pistones al eje del motor. El mec indica las pérdidas mecánicas.  Mec 

P e P i



pme pmi



P i  P Roce P i

 1

P Roce P i

Si se reduce el roce aumenta el Rendimiento mecánico.

La cadena del rendimiento se representa como:

 e   v  g  Mec   v  gHD  gLW  Mec   i  Mec 

Laboratorio MCI.


P e P c

53

Grado de Transformación del Combustible. ( b ) Esta variable permite cuantificar la calidad de la combustión. donde: Pc: Potencia del Combustible Pc’ : Potencia del combustible no quemado

P c  P c

'

 b 

P c

Rendimiento de Llenado o Rendimiento Volumétrico.

vol

o

a

Relación de masa real y teórica (estática) a ingresar en el motor. Permite explicar el comportamiento característico de las curvas P e , be. 

 vol   a 

m Aire _ real 

m Aire _ teo 

m Aire _ real 

V Aireent motor

t Aire

  Aire

ent  Motor

ent motor



m Aire _ teo  V d Motor   Aireent  Motor  60  n  i 

Laboratorio MCI.

  D 2

4

 s  Z   Aire

ent  Motor

 60  n  i


donde: Flujo másico [kg/h] V en [m3] D, s en [m] n en [rpm] i = 0,5 motor 4T  en [kg/m3] 54

Cap1-LMCI

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