UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Mecánica
MN 136 “F”
Profesor:
Dr. Guillermo Lira Cacho
Alumnos:
Casas Malca Martín Huamaní Tueros Humberto Loayza Silva Jhon
20081124A 20082555F 20082583J
Motores de Combustión Interna
ESTUDIO DE LOS PROCESOS DE ADMISION Y DE FORMACION DE LA MEZCLA EN LOS MOTORES DE ENCENDIDO POR CHISPA
FUNDAMENTO TEORICO PROCESO DE ADMISION Para realizar el ciclo de trabajo de un motor de combustion interna es preciso expulsar del cilindro los gases residuales e ingresar en éste la carga fresca del aire o mezcla aire-combustible. Los procesos de admisión y de escape están vinculados entre sí y en función del número de tiempos del motor, así como también del procedimiento de admisión. La cantidad suministrada de carga fresca depende de la calidad con que se limpia el cilindro del motor. Es por eso que el proceso de admisión se analiza tomando en cuenta el desarrollo del proceso de escape, estudiando todo el proceso de intercambio gaseoso. 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. Después de abrir la válvula de admisión, cuando la presión en el cilindro resulte menor que la presión del medio ambiente en la magnitud Pa, empieza la admisión de la carga fresca al cilindro; con al apertura apertura de las válvulas de admisión. La velocidad de movimiento de las válvulas al principio y al final de su desplazamiento es pequeña. En consecuencia, el movimiento en el instante de apertura de la válvula y en el momento de su acercamiento contra el asiento se efectúa lentamente. En este instante las secciones secciones de paso paso entre la cabeza cabeza y el el asiento de la válvula son pequeñas. Para obtener mayor apertura de la sección de paso de las válvulas en el periodo cuando la velocidad de movimiento del pistón es la maxima y se crean condiciones para elevar la velocidad de entrada o de salida del gas, así como también para utilizar en lo máximo los efectos que producen producen los procesos procesos inerciales en los sistemas sistemas de admisión y
2012 - I
Motores de Combustión Interna
escape sobre el barrido y llenado de los cilindros, se amplían las fases de la distribución de los gases.
Parámetros de 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) La resistencia hidráulica en el sistema de admisión, que hace disminuir la presión de la carga suministrada en la magnitud ∆p; 2) De la existencia de cierta cantidad Mr de productos quemados(gases residuales) en el cilindro, que ocupan parte del volumen; 3) Del 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 del cual disminuye la densidad de la carga introducida.
Presión en el cilindro en el periodo de llenado. Durante la admisión de la mezcla carburante en el cilindro del motor de carburador de cuatro tiempos se efectúa a la presión Pa =0,75 - 0,95 bar. 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. Cuando más grande es la resistencia de admisión, tanto menor será Pa. En los motores con regulación preponderante cuantitativa (carburador, a gas , con inyección de combustible ligero y encendido por chispa) al disminuir la carga hay que entornar la mariposa de gases, lo que conduce a un incremento de las resistencias.
Cantidad de gases residuales. En el proceso de escape no se logra desalojar por completo del cilindro los productos de combustión, ocupando éstos cierto volumen a presión Pr y temperatura Tr . 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 depende del procedimiento empleado para limpiar el cilindro, así como de la
2012 - I
Motores de Combustión Interna
posibilidad de barrido del cilindro por la carga fresca. La cantidad de gases residuales se caracteriza por una magnitud relativa denominada coeficiente de gases residuales γr γr = M r /M 1 Mr = Pr Vc / Rv Tr ; El coeficiente γr disminuye al aumenta la relación de compresión es así que en los motores a gasolina el coeficiente γr es mayor que en los motores Diesel.
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, levantándose 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 sólo hasta cierto límite correspondiente al calor necesario para la vaporización del combustible. El calentamiento excesivo influye negativamente sobre el llenado del cilindro.
nv). Coeficiente de Llenado o Eficiencia Volumétrica ( El grado de perfección del proceso de admisión se evalúa por el coeficiente de llenado o rendimiento volumétrico η v 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 en las condiciones de admisión. Las condiciones de admisión para los motores de cuatro tiempos sin sobrealimentación son Pk = P0 y la temperatura T k = T 0 del medio ambiente, para los motores sobrealimentados de dos y cuatro tiempos, la presión Pk y la temperatura T k después de compresor.
Factores que influyen sobre el coeficiente de llenado. Sobre el valor del coeficiente de llenado influyen la presión y la temperatura al final de la admisión, el calentamiento de la carga, el coeficiente de gases residuales, la
2012 - I
Motores de Combustión Interna
temperatura y presión de los gases residuales y la relación de compresión, los coeficientes de recarga y barrido.
Relación de Compresión. Si los demás parámetros se mantienen constantes, entonces para mayores valores de , el coeficiente v aumenta. En realidad, al crecer varían también otros parámetros; además influye sobre v la calidad del barrido de la cámara de combustión. Siendo el barrido completo de la cámara con el aumento de el coeficiente v disminuye. Sin embargo, al elevar , v puede tanto aumentar como disminuir; esto muestra que la relación de compresión no influye prácticamente sobre v.
Presión al final de la admisión. La presión sobre el v. La disminución de
Pa es la que ejerce la mayor influencia
Pa depende de las resistencias en el sistema de
admisión varían proporcionalmente al cuadrado de la velocidad media de la carga. Sobre al magnitud de la presión al de la admisión; influyen también el diseño del colector de admisión, el acabado de las superficies internas de las paredes del sistema de admisión, la posición de la mariposa de gases y el régimen de velocidad. Al aumentar la velocidad de la carga, el coeficiente v disminuye, lo cual debe tenerse en cuenta al diseñar el sistema de admisión cuando se requiere aumentar a la velocidad de la carga.
Presión y temperatura en la entrada. La presión de la carga en la entrada ejerce cierta influencia sobre la magnitud de v . Al aumentar Pk la magnitud de v se incrementa. Con el aumento de la temperatura T k , 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 que v crece. En los motores de carburador, siendo la temperatura T k 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.
Presión de gases residuales. La presión Pr también influye sobre v. El aumento de la presión Pr , manteniendo constante la temperatura T r , corresponde a la presencia de mayor cantidad de gases residuales en el cilindro. En este caso gran parte de la carrera 2012 - I
Motores de Combustión Interna
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 v disminuye. La presión Pr ejerce veces menos influencia sobre v que la presión al final de la admisión Pa. La presión Pr depende de las condiciones de organización del escape y de la resistencia del conducto de escape. Lo mismo que en el sistema de admisión, la resistencia del sistema de escape se proporcional al cuadrado de la velocidad de salida de gas en la sección mínima de paso, y por tanto es proporcional al cuadrado de la frecuencia de rotación del cigüeñal del motor. Tomando en cuenta la menor influencia de Pr sobre v , 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 v.
Barrido. El coeficiente v puede elevarse mediante el barrido de la cámara de combustión. El barrido en los motores de cuatro tiempos se realiza en el periodo de traslapo de válvulas.
Calentamiento de la carga. El calentamiento de la carga influye notoriamente sobre v. En los motores con carburador parte del calor introducido con el aire se gasta en calentar y evaporar la gasolina. El incremento injustificado de calor conduce a una disminución del coeficiente v y de la carga másica.
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 perdidas 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 r crece. Debido a la menor temperatura de la superficie, a causa de disminuir la carga, el calentamiento de 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 v también disminuye.
2012 - I
Motores de Combustión Interna
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 sobre la calidad del llenado influyen la resistencia en el sistema de admisión, el calentamiento de la carga 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 sistemas de admisión y escape. Cuando la frecuencia de rotación aumenta la resistencia del sistema crece proporcionalmente al cuadrado de la misma,; el coeficiente de gases residuales aumenta un poco. Como consecuencia de esto al incrementar la frecuencia de rotación, si no se toma en consideración la influencia de las fases de distribución de gases y las fugas de los gases a través de los anillos y si suponemos que 2=s=1 ,el coeficiente v debe disminuir. Mediante la apropiada elección de las fases de admisión y escape se logra obtener las relaciones, correspondientes a las condiciones de explotación, entre la cantidad de carga suministrada Gc y el rendimiento volumétrico v en función de n. Al aumentar la frecuencia de rotación, v al principio crece y luego, después de alcanzar su máximo valor, decrece. Al disminuir la frecuencia de rotación, en comparación con su valor para el cual v es el máximo, este coeficiente disminuye debido a que las fases elegidas no corresponden al régimen dado de velocidad, así como a causa del escape parte de la carga al final de la admisión (cuando el pistón se mueve desde el P.M.I. hacia el P.M.S) retornando al sistema de admisión. Al aumentar a la frecuencia de rotación, en comparación con el valor correspondiente al máximo v, el coeficiente v disminuye como resultado del incremento de la resistencia en la admisión y de la influencia de otros factores anteriormente mencionados. Para los motores a carburador, al disminuir a la carga van cerrando la mariposa, por lo tanto las resistencias en el sistema de admisión se incrementan y con el aumento de n el coeficiente v disminuye bruscamente. A medida que se va cerrando la mariposa de gases va creciendo la depresión en el espacio situado detrás de ella; la función v= f(n), se convierte en hiperbólica.
2012 - I
Motores de Combustión Interna
En cierta gama de frecuencias de rotación el coeficiente v puede elevarse mediante una efectiva utilización de los fenómenos ondulatorios en los conductos de escape y admisión. Al funcionar en los regímenes nominales el coeficiente v varia entre los limites de 0,75 - 0,85 en los motores de carburador.
PROCESO DE FORMACION DE LA MEZCA EN LOS MOTORES DE ENCENDIDO POR CHISPA. La formación de la mezcla aire-combustible en los motores de carburador, en particular en los encendido por chispa, transcurre en el sistema de admisión y antecede al encendido de la carga. Par obtener una formación homogénea de la mezcla aire combustible se necesario que la distribución de los vapores de combustible en el aire sea uniforme, se decir, la relación entre el numero de las moléculas de combustible y el numero de moléculas de oxigeno del aire que las rodean resulte igual en todo el volumen de la cámara de combustión. Esta condición puede observarse si el combustible y el aire conforman una mezcla carburante homogénea y además es necesario que el combustible se evapore por completo. El parámetro que influye en gran medida en el proceso de formación de la mezcla en los motores de encendido por chispa es el coeficiente de exceso de aire.
Coeficiente de Excesos de aire. En el motor e combustión interna 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 el motor 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
Gar Gcxlo
2012 - I
Motores de Combustión Interna
Siendo l0 la mezcla estequiométrica, el coeficiente de exceso de aire si(insuficiencia de oxigenola mezcla se denomina rica,; cuando (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 esta completamente abierta, la mayor economicidad y el transcurso suficientemente estable del proceso de combustión se logra siendo a= 1,1...1,3. La maxima 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 mezcla. En el caso de <1, debido a la insuficiencia de oxigeno, 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).
2012 - I
Motores de Combustión Interna
EQUIPOS E INSTRUMENTOS. 1. Motor E.CH. acoplado a un generador de la marca Briggs & Stratton
Datos Del Motor 3
VH=570cm
3600 rpm
18HP
Motor de 4 tiempos, 2 cilindros, disposición en V de 90º.
S=7cm, D=7.19cm
ε=8.2
Datos del Generador
Modelo
01775
Series
BSP10000LE
Volts
120/240
Amps
83.3/41.7
Watts
10000
Phase
1
Herts
60
RPM
3600
2. Freno eléctrico 3. Voltímetro 4. Amperímetro 5. Cronómetro 6. Manómetro para medir la presión del aire. 7. Tacómetro. 8. Termómetros.
2012 - I
Motores de Combustión Interna
DATOS OBTENIDOS 1º Prueba: Aumentando progresivamente la carga. PUNTO
RPM
V(Volts)
A(Ampers)
t(Seg.)
1
3792
247
2.2
22.44
2
3790
248
4.6
3
3780
248
4
3763
5
Δx(cm
H2O)
T0 (ºC)
P0(mmHg)
2.8
23
749.3
15.05
3.2
22.7
749.2
7
13.86
3.6
22.5
749.3
248
9.5
13.76
4.1
22.6
749.3
3747
248
11.6
12.72
4.5
22.6
749.2
6
3736
247
13.9
12.52
5
22.8
749.3
7
3722
245
16.2
11.09
5.5
22.5
749.4
8
3697
243
18.5
10.98
6.1
22.5
749.4
9
3686
241
20.8
10.57
6.6
22.5
749.3
10
3675
240
23.1
10.47
7.2
22.3
749.2
11
3668
238
25.2
10.09
7.9
22.1
749.4
12
3643
235
27.4
9.54
8.6
21.9
749.3
2º Prueba: Disminuyendo progresivamente la carga. Δx(cm
PUNTO
RPM
V(Volts)
A(Ampers)
t(Seg.)
H2O)
T0(ºC)
P0(mmHg)
12
3644
235
27.4
9.11
8.7
22.7
749.3
11
3670
238
25.35
9.68
8
22.3
749.2
10
3685
241
23.15
9.95
7.4
22.4
749.2
9
3708
243
20.9
10.59
6.8
22
749.2
8
3730
245
18.6
11.52
6.3
21.9
749.2
7
3745
247
16.3
11.52
5.7
21.7
749.2
6
3760
248
14
12.57
5.2
21.9
749.3
5
3773
249
11.7
12.96
4.7
22.2
749.3
4
3780
250
9.5
13.18
4.1
22.9
749.3
3
3790
250
7.1
14.84
3.6
22.7
749.2
2
3800
249
4.7
15.41
3.1
22.7
749.3
1
3800
248
2.3
16.7
2.6
22.6
749.3
2012 - I
Motores de Combustión Interna
CALCULOS Y RESULTADOS Flujo másico de combustible Gc
Gc=ρcom*Vcom /t [kg/h] ρcom=0.70 kg/l Vcom=10ml Gc=25.2/t [kg/h]
ge=Gc*10^3/N elect
[g/kW.h]
n
Ga kg / h (C d , i Ai ) 2 g S seno aire H 2O n 1
Donde: C d =0,98 (toberas) 2 Ai: Area de la tobera, en m S : Lectura del manómetro inclinado, en m 2 g=9,81m/s : Angulo de inclinación del manómetro. (ϴ=30º) 3 aire : Densidad del aire atmosférico (1.18kg/m )
H O =1.000 kg/m
3
2
2
A=π/4*d d=diámetro de la tobera=2cm A=π/10000 m2 ΔS=Δx*1.26
ηv=Ga[kg/h]/VH*30*n*ρ0 Peléctrica=Nelect=V*I ra/c=Ga/Gc α=r a/c /l0
l0=14.7 kgaire /kgcombustible
2012 - I
Motores de Combustión Interna
Resultados de la 1º Prueba Pelectrica(kW)
Gc(kg/h)
ge(g/kW.h)
Ga(kg/h)
r a/c
α
nv
0.5434
1.12299
2066.60
23.5931
21.0090
1.42919
0.30834
1.1408
1.6744
1467.75
25.2087
15.0552
1.0241
0.32963
1.736
1.81818
1047.33
26.6674
14.667
0.99776
0.34963
2.356
1.83139
777.332
28.3311
15.4696
1.05236
0.3731
2.8768
1.98113
688.658
29.5547
14.9181
1.01483
0.39090
3.4333
2.01277
586.252
31.0620
15.4323
1.04982
0.41204
3.969
2.2723
572.516
32.4560
14.2832
0.97164
0.43215
4.4955
2.29508
510.528
33.9509
14.7929
1.00632
0.45511
5.0128
2.38410
475.603
35.2099
14.7686
1.00466
0.47340
5.544
2.40687
434.140
36.6658
15.2337
1.03631
0.49445
5.9976
2.4975
416.420
38.3336
15.3486
1.0441
0.51793
6.439
2.64150
410.235
39.7233
15.0381
1.02300
0.54039
Potencia eléctrica Vs. ge Vs. Gc
2012 - I
Motores de Combustión Interna
Potencia eléctrica Vs. Ga Vs. Gc
Potencia eléctrica Vs. α Vs. ηv
2012 - I
Motores de Combustión Interna
Resultados de la 2º Prueba Peléctrica (kW)
Gc(kg/h)
ge(g/kW.h)
Ga(kg/h)
r a/c
α
nv
6.439
2.766
429.599
39.9646
14.447
0.9828
0.543524
6.0333
2.60330
431.489
38.596
14.8259
1.00857
0.521200
5.57915
2.53266
453.951
37.2727
14.7168
1.00114
0.501274
5.0787
2.3796
468.545
35.9527
15.1087
1.02780
0.480522
4.557
2.1875
480.030
34.8110
15.9136
1.0825
0.462519
4.0261
2.1875
543.329
33.2450
15.1977
1.03385
0.43994
3.472
2.00477
577.411
31.8806
15.9023
1.08179
0.42020
2.9133
1.94444
667.43
30.4139
15.6414
1.06404
0.399492
2.375
1.91198
805.04
28.4591
14.8845
1.0125
0.3731
1.775
1.69811
956.683
26.737
15.7456
1.0711
0.34963
1.1703
1.63530
1397.33
24.8772
15.2126
1.03487
0.324444
0.5704
1.50898
2645.48
22.7828
15.0981
1.02708
0.297129
Potencia eléctrica Vs. ge Vs. Gc
2012 - I
Motores de Combustión Interna
Potencia eléctrica Vs. Ga Vs. Gc
Potencia eléctrica Vs. α Vs. ηv
2012 - I
Motores de Combustión Interna
ANEXOS SISTEMA DE ENCENDIDO. En el el motor de pistón transforma la energía contenida en el combustible en energía mecánica, gracias a la explosión violenta de la mezcla de aire-combustible en los cilindros. Esta explosión, se produce gracias a una chispa que salta en las bujías en el momento adecuado (ciclo de explosión). La función del sistema de encendido consiste en generar la energía que hace saltar esa chispa. Los sistemas de encendido se clasifican en sistemas de magneto y sistemas de batería y bobina. El encendido por magneto suele ser utilizado en motores aeronáuticos mientras que el encendido por batería y bobina es clásico en motores de automóvil, aunque en estos últimos está siendo desplazado por el encendido electrónico. Aunque el funcionamiento de ambos sistemas es similar en sus principios básicos, la magneto es autosuficiente y requiere solo de las bujías y los cables conductores mientras que el sistema de batería y bobina requiere además otros componentes. En la mayoría de los motores de los aviones se utiliza el sistema de encendido por magnetos, debido a que:
Este sistema es autónomo, es decir no depende de ninguna fuente externa de energía, tal como el sistema eléctrico (batería, generador...). Esta autonomía posibilita que aunque el sistema eléctrico del avión sufra alguna avería en vuelo, el motor funcione con normalidad pues las magnetos continúan proveyendo la energía necesaria para la ignición.
Las magnetos generan una chispa más caliente a mayores velocidades del motor que la generada por el sistema de batería y bobina de los automóviles.
El sistema de encendido de los motores aeronáuticos se compone de magnetos, bujías, y los cables de conexión entre estos elementos. De forma simplificada el funcionamiento del sistema es como sigue: las magnetos generan una corriente eléctrica, la cual es encaminada a las bujías adecuadas a través de los cables de conexión. Como es comprensible, el conjunto funciona de forma sincronizada con los movimientos del cigüeñal para hacer saltar la chispa en el cilindro correspondiente (el que está en la fase de combustión) y en el momento adecuado.
Magnetos. Una magneto es un generador de corriente diseñado para generar un voltaje suficiente para hacer saltar una chispa en las bujías, y así provocar la ignición de los gases comprimidos en un motor de combustión interna. Una magneto está compuesta de un rotor imantado, una armadura con un arrollamiento primario compuesto de unas pocas vueltas de hilo de cobre grueso y un arrollamiento secundario con un amplio número de vueltas de hilo fino, un ruptor de circuito y un capacitador. Cuando el rotor magnético, accionado por el movimiento del motor, gira, induce en el primario una corriente que carga el capacitador; el ruptor interrumpe el circuito del primario cuando la corriente inducida alcanza su máximo valor, y el campo magnético alrededor del primario colapsa. El capacitador descarga la corriente almacenada en el 2012 - I
Motores de Combustión Interna
primario induciendo un campo magnético inverso. Este colapso y la reversión del campo magnético produce una corriente de alto voltaje en el secundario que es distribuido a las bujías para la ignición de la mezcla.
2012 - I
Motores de Combustión Interna
2012 - I
Motores de Combustión Interna
BIBLIOGRAFÍA.
Motores de Automóvil, JOVAJ, Editorial MIR, Moscú 1982.
Manual del Automóvil, ARIAS PAZ Editorial Dossat, Madrid 2001.
http://es.scribd.com/doc/60213279/arbol-de-levas
http://es.scribd.com/doc/71820380/arbol-de-levas
2012 - I
