INDICE Pág. I. OBJETIVOS ...................................................................................................... 2 II. FUNDAMENTO TEÓRICO ............................................................................. 2 II.1. Proceso de admisión .................................................................................... 2 II.2. Factores que influyen en el proceso de admisión ....................................... 2 II.3. Coeficiente de llenado ................................................................................. 3 II.4. Coeficiente de exceso de aire ...................................................................... 4 III. EQUIPO E INSTRUMENTOS ........................................................................ 4 IV. MEDICIONES A REALIZAR ......................................................................... 5 V. DATOS OBTENIDOS EN LOS ENSAYOS .................................................... 5 VI. CÁLCULOS Y RESULTADOS ........................................................................ 6 a. Densidad del aire ............................................................................................. 6 b. Consumo horario de aire ................................................................................. 6 c. Cantidad de aire teórico que podría llenar el cilindro: .................................... 7 d. Consumo de combustible ............................................................................... 7 e. Coeficiente de llenado ..................................................................................... 7 f. Coeficiente de exceso de aire ........................................................................... 7 g. Tabla de resultados ......................................................................................... 8 h. Gráficas ........................................................................................................... 9 VII. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES ....................................................... 13 VIII. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................ 14
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ESTUDIO DE LOS PROCESOS DE ADMISIÓN Y DE FORMACIÓN DE LA MEZCLA EN LOS MOTORES ECH
I. OBJETIVOS Determinar el coeficiente de llenado (ηv) y el coeficiente de exceso de aire (α) de un motor de encendido por chispa, para diferentes cambios de velocidad a una posición de la mariposa constante e inverso. II. FUNDAMENTO TEÓRICO II.1. Proceso de admisión Para realizar el ciclo de trabajo de un motor de combustión 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. II.2. Factores que influyen en el proceso de admisión a. Perdidas de presión en el sistema de Admisión: ΔPa = P0 - Pa Pa : Presión al final del proceso de admisión Se busca que la ΔPa sea lo mínimo posible para un mejor llenado de carga fresca en el cilindro. La existencia de resistencias en el sistema de admisión conduce a que la cantidad de carga fresca que entra al cilindro del motor disminuya, debido al decrecimiento de la densidad de la carga. Otro factor que influye es el área de paso de la válvula de admisión (AVA), el cual si esta aumenta entonces hay un mejor llenado. Caso contrario ocurre con las RPM, el cual si aumenta el ΔPa también aumenta. b. Presencia de gases residuales Son los gases productos de la combustión que no pudieron ser desalojados en el proceso de escape. La cantidad de gases residuales Mr (en Kmol/ciclo), depende del procedimiento empleado para limpiar el cilindro. Aquí interviene el coeficiente de gases residuales: γr =
Mr M1
(M1 es la mezcla fresco que ingresa al motor por ciclo)
Es conveniente que Mr disminuya para que el γr disminuya.
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c. Calentamiento de la mezcla fresca: ΔT La carga fresca durante su movimiento por el sistema de admisión y dentro del cilindro entra en contacto con las paredes calientes, elevándose su temperatura en ΔT. 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 hasta cierto limite correspondiente al calor necesario para la vaporización del combustible El aumento de ΔT se debe a la temperatura de las paredes calientes del sistema de admisión así como su tiempo de contacto. También influye la presencia de los gases residuales calientes.
II.3. Coeficiente de llenado: (η v) El grado de perfección del proceso de admisión se acostumbra evaluar por el coeficiente de llenado o eficiencia volumétrica 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 cierra la válvula de admisión, y aquella cantidad de carga fresca que podría llenar el cilindro (volumen de trabajo) en las condiciones de admisión (condiciones ambientales en los motores de aspiración natural). Los cálculos muestran que para los motores con formación externa de mezcla, que funcionan con gasolina, la diferencia entre los coeficientes de llenado, calculados considerando la condición de que la carga fresca puede ser el aire o la mezcla aire combustible, es insignificante. Por eso en los motores de carburador (al igual que en los motores Diesel), se va a determinar ηv por la cantidad de aire admitida al cilindro (despreciando la cantidad de combustible) según la definición: ηv =
G ar Vh ⋅ ρ 0
Gar : Cantidad másica real de aire que se encuentra en el cilindro al inicio de la compresión. Vh : Volumen de trabajo. ρ0 : Densidad del aire atmosférico
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II.4. Coeficiente de exceso de aire Es la relación entre la cantidad real de aire para quemar un kilo de combustible y la cantidad de aire necesaria teóricamente para quemar la misma cantidad de combustible (cantidad estequiométrica). α=
G ar G c ⋅ l0
Donde: Gar : Cantidad másica real de aire que se encuentra en el cilindro al inicio de la compresión. Gc : Cantidad de combustible que se quema l0 : Relación estequiométrica de aire-combustible La cantidad de aire que participa en el proceso de combustión puede ser mayor o menor que la cantidad teóricamente necesaria para la combustión completa del combustible, por lo que se dan los siguientes casos: Mezcla rica: α < 1 (insuficiencia de oxígeno) Debido a la insuficiencia de oxígeno, 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 combustión incompleta (CO, H y otros) Mezcla pobre: α > 1 (exceso de oxígeno) Hay más aire de lo que teóricamente se necesita para la combustión completa del combustible. En los motores Diesel siempre se utilizan mezclas pobres. En motores con encendido por chispa se utilizan mezclas pobres y ricas. Para motor ECH
: α (0.6 – 1.15)
Para motor Diesel : α (6 – 1.4) > 1
III. EQUIPO E INSTRUMENTOS
Banco de pruebas con motor ECH (Daihatsu tipCB-20).
Dispositivo para medir el consumo de combustible por el método volumétrico.
Dispositivo para medir el caudal de aire.
Tacómetro
Cronómetro.
Termómetros.
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IV. MEDICIONES A REALIZAR
Δh : Posición de la abertura de la mariposa (%).
ng : Velocidad de rotación en el generador (RPM).
nm : Velocidad de rotación en el motor (RPM).
ΔS : Altura de la columna de agua del manómetro inclinado (cm-H20).
ΔV : Volumen de combustible consumido.
Δt : Tiempo de consumo de combustible (seg.)
TE : Temperatura del agua a la entrada (ºC).
TS : Temperatura del agua a la salida (ºC).
Tac : Temperatura del aceite (°C)
Pac : Presión del aceite (PSI)
V. DATOS OBTENIDOS EN LOS ENSAYOS Se hicieron 2 tipos de ensayos, los cuales son: Variando la posición de la abertura de la mariposa de 10 a 30% a velocidad constante (n = 1850 RPM) Variando la velocidad desde 1800 hasta 2450 RPM con una abertura de la mariposa de 20%. Δh (%)
ng (RPM)
nm ΔS ΔV (RPM) (cm-H2O) (pinta)
t (seg.)
TE (ºC)
TS (ºC)
Tac (ºC)
Pac (psi)
10
1850
3700
3
1/16
43.9
86
81
110
64
15
1850
3700
6.3
1/16
29.34
85
83
114
63
20
1850
3700
10.2
1/16
21.23
88
82
118
62
25
1850
3700
14
1/16
17.59
89
83
122
62
30
1850
3700
16.5
1/16
16.15
84
117
64
-5-
Δh (%)
ng (RPM)
nm ΔS ΔV (RPM) (cm-H2O) (pinta)
t (seg.)
TE (ºC)
TS (ºC)
Tac (ºC)
Pac (psi)
20
1800
3600
11.8
1/16
20.53
90
85
120
60
20
2000
4000
12.2
1/16
19.85
88
85
122
61
20
2150
4300
12.5
1/16
19.55
90
84
124
64
20
2300
4600
12.8
1/16
19.46
90
83
128
65
20
2450
4900
13
1/16
18.93
90.5
83
131
65
1/16 de pinta es igual a 29.2 cm3.
La densidad del combustible es 0.74 gr/cm3.
La cilindrada total del motor es 800 cm3.
Además el área de la sección de estrangulamiento del aire en el medidor es la suma de las áreas de dos agujeros cuyos diámetros son: 1.875 y 1.9 cm. A=
π π ⋅ 0.01875 2 + ⋅ 0.019 2 4 4
A = 5.59645 ⋅10 −4 m 2
→
VI. CÁLCULOS Y RESULTADOS a. Densidad del aire: (ρ0) ρ0 = 1.293 ⋅
P0 760
273 ⋅ T + 273 0
Donde: P0 : Presión barométrica, en mm-Hg T0 : Temperatura atmosférica, en ºC Condiciones ambientales del laboratorio: -6-
[kg/m3]
P0 = 750.4mm-Hg Reemplazando:
ρ 0 = 1.293 ⋅
y
T0 = 21.9°C
750.4 273 ⋅ → 760 21.9 + 273
ρ 0 = 1.182
kg m3
b. Consumo real de aire: (Gar) G ar = 3600
⋅C d ⋅A
[kg/hora]
2 ⋅g ⋅ρagua ⋅ρ0 ( ∆ S ⋅sen 15 °)
Donde: Cd : Coeficiente de descarga del medidor (0.69). A : Área de la sección de estrangulamiento del aire en el medidor (en m2). g : Aceleración de la gravedad (9.81 m/s2) ρagua : Densidad del agua (1000 kg/m3) ρ0 : Densidad del aire (1.182 kg/m3) ∆S : Caída de presión en el manómetro inclinado (en m-H2O.) c. Cantidad de aire teórico que podría llenar el cilindro: (Gat) Para 4 tiempos:
G at =0.03 ⋅Vh ⋅i ⋅ρ o ⋅n
[kg/hora]
Donde: Vh · i : Cilindrada total (0.800 Litros) ρ0 : Densidad del aire atmosférico (1.182 kg/m3) n : Velocidad de rotación del cigüeñal (RPM)
d. Consumo de combustible: (Gc) ∆V G c = 3.6 ρc ∆t
[kg/hora]
Donde: ρc : Densidad del combustible (0.74 gr/cm3) ΔV : Volumen de combustible consumido en cada ensayo (29.2 cm3) Δt : Intervalo de tiempo en el que se consumió el ΔV (en seg.)
e. Coeficiente de llenado: (ηv)
-7-
ηv =
G ar G at
Donde: Gar : Consumo horario de aire (kg/hora) Gat : Cantidad de aire teórico que podría llenar el cilindro (kg/hora)
f. Coeficiente de exceso de aire: (α) α=
G ar G c ⋅ l0
Donde: Gar : Consumo horario de aire (kg/hora) Gc : Consumo de combustible (kg/hora) l0 : Relación estequiométrica de aire-combustible Diesel (≈14.7 kgaire / kgcomb) g. Tabla de resultados Manteniendo n constante y variando Δh:
ΔS
Gar
Gat
Δh
n
ΔV
Δt
(mm.)
(RPM)
(cm3)
(seg.)
10
3700
29.2
43.90
0.030
18.654 104.962
15
3700
29.2
29.34
0.063
20
3700
29.2
21.23
25
3700
29.2
30
3700
29.2
Gc
ηv
α
1.772
0.178
0.716
27.033 104.962
2.651
0.258
0.694
0.102
34.397 104.962
3.664
0.328
0.639
17.59
0.140
40.298 104.962
4.422
0.384
0.620
16.15
0.165
43.748 104.962
4.817
0.417
0.618
(cm-H2O) (kg/hora) (kg/hora) (kg/hora)
-8-
Manteniendo Δh constante y variando n:
ΔS
Gar
Gat
Δh
n
ΔV
Δt
(mm.)
(RPM)
(cm3)
(seg.)
20
3600
29.2
20.53
0.118
36.997 102.125
20
4000
29.2
19.85
0.122
20
4300
29.2
19.55
20
4600
29.2
20
4900
29.2
Gc
ηv
α
3.789
0.362
0.664
37.618 113.472
3.919
0.332
0.653
0.125
38.078 121.982
3.979
0.312
0.651
19.46
0.128
38.532 130.493
3.997
0.295
0.656
18.93
0.130
38.832 139.003
4.109
0.279
0.643
(cm-H2O) (kg/hora) (kg/hora) (kg/hora)
h. Gráficas
-9-
- Variando Δh y manteniendo n constante.
Δh vs. ηv 1.00
0.90
0.80
0.70
ηv
0.60
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00 0
5
10
15
20
Δh [%]
Gráfica. 1-a
- 10 -
25
30
35
- Variando Δh y manteniendo n constante.
Δh vs. α 1.00
0.90
0.80
0.70
α
0.60
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00 0
5
10
15
20
Δh [%]
Gráfica. 1-b
- 11 -
25
30
35
- Variando n y manteniendo Δh constante.
n vs. ηv 1.00
0.90
0.80
0.70
ηv
0.60
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00 0
1000
2000
3000
n
[RPM]
Gráfica. 2-a
- 12 -
4000
5000
6000
- Variando n y manteniendo Δh constante.
n vs. α 1.00
0.90
0.80
0.70
α
0.60
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00 0
1000
2000
3000
n
[RPM]
Gráfica. 2-b
- 13 -
4000
5000
6000
VIII. BIBLIOGRAFÍA
•
‘‘Experimentación y cálculo de motores de combustión interna’’ - Luis Lastra, Guillermo Lira, Andrés Valderrama, Elizabet Vera, Fidel Amesquita.
•
‘‘Motores de combustión interna’’ – Obert E.
•
“Motores de automóvil” - Jóvaj, M. S., Edit. Mir, Moscú
•
http://www.geocities.com/sadocar2/index.html
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