Indicadores Indicadores de Potencia Generalidades: Se designa por potencia a la cantidad de trabajo realizado por unidad de tiempo. Dado que el trabajo resulta del producto de una fuerza por una distancia, la potencia esta expresada por el producto de una fuerza por una distancia, dividido por el tiempo. Tanto las maquinas como los dispositivos o instalaciones, pueden desarrollar, transmitir o consumir potencia. Por ejemplo, desarrollan potencia los motores, las turbinas, etc. Transmiten potencia los dispositivos, reductores, maquinas y aparatos. Consumente potencia, las maquinas, bombas, compresores, etc. que logran realizar una operacin determinada que desarrolla trabajo. !n terminos generales, se puede distingir dos tipos de potencia" la potencia indicada y la potencia efectiva . #a potencia $ndicada %i, es la desarrollada dentro del cilindro del motor, de combustion interna o externa, y su magnitud se determina por medio del diagrama del ciclo. #a potencia efectiva %e, es la desarrollada en el eje motor y su determinacion se realiza por via experimental con frenos dinamometricos. Dado que la potencia en el eje %e resulta de la potencia generada dentro del cilindro %i, menos la potencia consumida por friccion de todos los organos que transmiten su efecto &asta el eje, el cociente de ambas nos da
Donde lo designamos rendimiento mecanico y cuyo valor es siempre menor que la unidad. #a diferencia entre la potencia indicada y la efectiva es igual a la potencia absorbida por el trabajo de rozamiento, %i ' %e ( %r por lo que el rendimiento resulta"
#as unidades mas usadas en potencia mecanica son el )P o el C* por lo que +)P ( -,/ 0gm1seg +C*( - 0gm1seg
Determinacion de la potencia indicada: Como ya se expreso, se define por potencia indicada %i, a la desarrollada dentro del cilindro de un motor de combustion interna o externa, y su magnitud se determina por medio del diagrama representativo del ciclo termodinamico respectivo. !ste diagrama de trabajo puede obtenerse mediante dos sistemas" realizando su trazado, es decir, teoricamente, en base a los datos de la maquina 2puntos de apertura y cierre de valvulas o lumbreras, espacio nocivo, etc3 o bien, en forma experimental mediante aparatos denominados indicadores que, conectados a la maquina, permiten obtener dic&os diagramas en las condiciones reales que se cumple el ciclo. 4 los efectos de formar criterio sobre este tramite, &aremos una serie de consideraciones generales sobre el trabajo de una maquina termica. Si en el cilindro de una maquina termica se desplaza un embolo por la accion de un fluido a presion, se desarrolla un trabajo. 4ceptando, en forma ideal que dic&o fluido tiene una presion de 50g1cm6, constante a todo lo largo de la carrera, y si el area del embolo sobre la cual se formula dic&a accion tiene +777 cm6, la fuerza total que ejercera dic&o embolo sera de 5777 0g. Dado que la carrera es de 7,- m, el trabajo desarrollado sera de +-77 0gmy, en merito que dic&a carrera se cumple en 5 segundos, la potencia desarrollada sera el cociente entre el trabajo y el tiempo, que, en este caso, resulta -770gm1seg. 4&ora bien, dado que en realidad en las maquinas termicas la presion no es constante sino que sufre un gradiente decreciente, consideraremos que dic&o proceso responde a la ley representada en la figura +.
Si bien la variacion de la presion es continua, podemos aceptar que durante el primer desplazamiento 8e es constante e igual a P+, durante el segundo desplazamiento se es constante e igual a P6 y asi sucesivamente &asta P9. Dado que la suma de los trabajos parciales es aproximadamente igual al trabajo total, y que se &ace mas exacto a medida que se &ace mas peque:o 8e, podemos decir que"
donde 9 8e es la carrera y
es igual a la presion media que reina dentro del cilindro. #as consideraciones anteriores valen para un caso teorico y aceptando que la presion decrece escalonadamente. !n realidad, el gradiente responde a una curva continua, por ejemplo, 4; en la figura 6. !n este caso, la determinacion de la presion media, se realiza de igual modo, dividiendo la carrera del embolo en intervalos iguales, todos muy peque:os, de
manera que se formulen peque:os trapecios y, midiendo la ordenada de cada uno CD< !=< >)< ?$< sumandolas y diviendolos por el numero de trapecios. !n base a lo que antecede, la potencia indicada, dada en C*, resulta" Donde" pm es presion media @g1cm6 o es area del piston cm6 s es carrera en m
C numero de ciclos en 6 tiempos ( APB y en / tiempos APB16
Tipos de aparatos Indicadores Se pueden clasificar en indicadores mecanicos, opticos, de diafragma y electronicos. Cualquiera sea su funcionamiento, permiten el trazado de curvas representativas de los ciclos termicos que se generan dentro de un motor de combustion interna o externa, permitiendo el estudio de su comportamiento y la determinacion del trabajo que formula el mismo. Como ya se dijo, estos aparatos responden a distintos dise:os, pero, en general, deben contar con los siguientes elementos fundamentales" a un dispositivo para medir los volumenes de las masas gaseosas. b un dispositivo para medir las presiones de dic&as masas. c un dispositivo o sistema registrador con el cual se traza el diagrama.
Indicadores ecanicos att construyo en +EE6 el primer indicador de este tipo, cuyo funcionamiento responde al esquema de la figura 5.
Fn peque:o cilindro adentro del cual se desplaza suavemente un piston P cuyo movimiento es contenido por resorte A. !ste piston cuenta con un vastago que atraviesa la tapa superior y dispone en su extremo con un lapiz que permite el trazado de las curvas en funcion de las variaciones de volumenes y presiones.
!ste peque:o cilindro C esta unido al embolo ! mediante un ca:o rigido, que se traslada con el mismo y que representa el desplazamiento del embolo grande, equivalente a la variacion de volumenes.
!n la practica, el indicador asula forma de la figura - y su montaje sobre la maquina que se indica, se realiza sobre uno de los extremos del cilindro, al final de la carrera 2segGn el lado del embolo que se estudia3.
!l peque:o piston P, que se mueve dentro del cilindro del indicador, recibe un desplazamiento proporcional a la presion existente dentro del cilindro del motor. !ste desplazamiento es contenido por un resorte A y ampliado mediante un juego de palancas que, en ultima instancia, mediante la aguja trazadora t registra los movimientos sobre el papel dispuesto sobre el tambor T. !l resorte A que contiene el desplazamiento del piston esta calibrado y especificado segGn una escala que relaciona el desplazamiento de la aguja trazadora con la presion que reina dentro de la maquina. 4si, por ejemplo, si el resorte esta calibrado en +cm ' 6 @g1cm6, implica que, en el diagrama obtenido, cada cm en el eje de las presiones representara 6 0g1cm6. #a escala del resorte debe elegirse segGn la rpesion de la maquina. !l sistema funciona de tal forma que la aguja trazadora solo tiene movimiento vertical, mientras que el tambor tiene un movimiento rotativo oscilante. !ste movimiento esta formulado, en un sentido, por el arrastre que produce un &ilo que, vinculado con l0a cruceta, interponiendo un reductor de carrera, se arrolla en la gargante que tiene el tambor en su parte inferior 2figura /3.
Cuando el &ilo no formula solicitacion de giro, es decir, cuando el embolo de la maquina retorna &acia el indicador, un resorte que dispone el tambor lo vuelve a su posicion inicial. Como ya se dijo, el instrumento esta conectado al cilindro, pero, a fin de gobernar las distintas etapas del ensayo, se intercala una llave de tres vias 2figura -3 que, segGn como se opere, vincula el indicador con la atmosfera 2cuando no se opera con el indicador3< el indicador con el cilindro 2cuando se esta realizando el ensayo3 y el cilindro con la atmosfera 2cuando se purga el sistema3. #a operacin de obtencion del diagrama se reduce simplemente a vincular, mediante la valvula mencionada, el indicador con el cilindro de la maquina durante un ciclo termico 2una vuelta del volante en el motor de dos tiempos y dos vueltas en el de / tiempos3. #as dimensiones del diagrama van a depender" en el anc&o, de la amplitud del movimiento oscilante y en altura, de la resistencia del resorte utilizado. Hbtenido el diagrama p*, la determinacion d epotencia indicada se logra en base a que, termodinamicamente, el trabajo de una transformacion es igual a"
!omo calcular la potencia Indicada en este dispositivo
Planimetreando la superficie del diagrama, el area obtenida representa al trabajo de ciclo. Si designamos por " f( area del diagrama en cm6 l( longitud del diagrama en cm i( escala del resorte en cm ' 0g1cm6 o( area efectiva del embolo en cm6 s( carrera del embolo en m n( numero de vueltas por minuto
Si admitimos que durante toda la carrera del embolo actua dic&a presion, el valor de la potencia indicada estara dado por"
!sta expresion es validad para las masquinas que cumplen un ciclo termico por cada vuelta del volante, pero en el caso de que el ciclo se cumpla en dos vueltas de motor, el numero de vueltas a considerar sera la mitad con que la expresion resultara"
!n cuanto a limites de utilizacion de este tipo de indicador se aconseja la aplicacin &asta las /77 rpm. Para mayor numero de vueltas y &asta +777 rpm, a fin de evitar los errores que crean los efectos interciales de todo el sistema, se aconseja trabajar con el indicador de tambor rotativo continuo en lugar del rotativo oscilante, lograndose, de esta manera, los llamados diagramas abiertos.
Indicadores "pticos !ste aparato, ofrece la bondad de permitir su aplicacin en motores de &asta mas de 6777 rpm sin que los efectos producidos por su mecanismo sean significativos. !l sistema se basa en un diagragma IaJ cuya deformacion por accion de la presion dentro del cilindro de la maquina acciona un sistema de palancas que promueven el giro del espejo concavo IcJ que, en su movimiento, modifica el reflejo del rayo de luz que emite la lampara IlJ. !l rayo reflejado incide como un indice en una placa sensible a la luz, que se mueve siguiendo el movimiento del embolo 2figura 93.
Indicadores de Diafragma !ste aparato, esta basado en la deformacion elastica de un fino diafragma que, por un lado, recibe las variaciones de presion que reina en el cilindro del motor y, por el otro lado soporta la presion que por medio de aire comprimido ejerce, a voluntad, el operador. !l instrumento responde al esquema de la figura , donde el diafragma IdJ recibe los efectos de la presion del motor por la parte inferior y por la otra parte superior la presion del aire comprimido. Cuando la presion que reina en el motor es mayor que la del aire, el diafragma se deforma y &ace contacto con la pieza IvJ que convenientemente aislada, cierra el circuito con una bateria, una lampara y un sistema indicador angular, que permite determinar el angulo de la manivela para el cuals e esta produciendo el contacto. Dic&o indicador esta integrado por un eje aislado que cuenta con un contacto IcJ que gira acoplado al eje del motor ensayado, concentrico, al cual se encuentra un anillo graduado de 7 a 597K, rotativo, que se gira manualmente para cualquier posicion angular correspondiente a la manivela. !l dispositivo se completa con las correspondientes puesta a tierra del sistema.
Todo el conjunto funciona de manera tal que, siendo mayor la presion que ejercen los gases del motor que la presion del aire compimido, el diafragma se deforma, cerrando el circuito y produciendo el encendido de la lampara, cuando el contacto del eje y el contacto del anillo graduado se encuentran en un determinado angulo que representa la posicion angular de la manivela. Sin modificar el angulo se:alado en el anillo graduado, el operador debe ir acrecentando paulatinamente la presion del aire comprimido &asta que contrarrestando el efecto que sufre el diafragma, este no se deforma, oportunidad esta que la luz no entra en contacto y que, mediante la lectura del manometro detectemos la presion que corresponde a dic&o angulo de la posicion de la manivela, del ciclo del motor. #uego, girando el anillo graduado a distintos angulos de manivela y operando de igual forma, se obtienen otros valores de presion que permiten trazar el diagrama correspondiente.
Indicadores electronicos !n general, funcionan en base a la propiedad piezo ' electrica de un cristal. Como se sabe, esta propiedad en algunos cristales, motiva la generacion de una corriente electrica cuando el cuerpo esta sometido a una variacion de presion. Dic&o efecto se produce practicamente sin inercia, lo que favorese su aplicacin en indicadores para motores de alta velocidad. !l sistema funciona de forma tal que cuando el cristal, al ser sometido a las variaciones de presion que ejerce en los gases del cilindro del motor, genera una se:al electrica que mediante un circuito apropiado se observa ofotografia en la pantalla de un osciloscopio.
