UNI
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
Facu Facult ltad ad de In enie enierí ríaa Informe Nº 02
Motores de Combustión Interna MN-136
2013
“Estudio de los procesos de admisión y de formación de la mezcla en los motores Diesel
(Motor Peter)”
Alumnos:
QUISPE ROJAS WILFREDO
20021011F 20021011F
VALENCIA PAREDES MAKE
20061107D 20061107D
VILLEGAS PUMA WILLIAMS
20107023B
LAVERIANO HUAMAN FIDEL
20074029G 20074029G
Ing. Lira
INDICE 1
INTRODUCCION INTRODU CCION ................................... .................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... .................. 3
2
OBJETIVOS OBJETIV OS .................................. ................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ........................... ......... 4
3
FUNDAMENTO FUNDAME NTO TEORICO ................................... .................. ................................... ................................... ................................... ................................... ..................... .... 5
4
RELACIONES RELACI ONES Y ECUACIONES ................................. ................ ................................... ................................... ................................... .................................. ................ 11 4.1
Flujo Másico de Aire (Ga) ................................... .................. .................................. ................................... .................................... ............................ .......... 11
4.2
Flujo Másico De Combustible Combustibl e (Gc) ................................. ............... ................................... .................................. .................................. ................. 12
4.3
Eficiencia Volumétrica (
4.4
) .............................................................................................. 12 Coeficiente de exceso de Aire ( ) .............................................................................. 12
4.5
Potencia Potenci a Efectiva (Ne) .................................. ................. ................................... ................................... ................................... .................................. ................ 13
4.6
Coeficiente de Absorción (K-1) y Opacidad del Humo (H) ................................................. 13
5
EQUIPOS E INSTRUMENTOS ................................. ................ ................................... ................................... ................................... .................................. ................ 14
6
PROCEDIMIENTO PROCED IMIENTO ................................. ................ .................................. ................................... ................................... .................................. .................................. ................. 17
7
CALCULOS CALCULO S ................................... .................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ......................... ....... 18
8
RESULTADOS RESULT ADOS ................................. ................ .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ...................... .... 18
9
CONCLUCIONES CONCLUCI ONES ................................... .................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................. ................ 18
10
CUESTIONARIO CUESTIONA RIO ................................... .................. .................................. ................................... ................................... .................................. ............................... .............. 18
11
BIBLIOGRAFIA BIBLIOG RAFIA .................................. ................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................. ................ 21
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1 INTRODUCCION En el presente informe de laboratorio busca que el estudiante de ingeniería se familiarice con los diversos parámetros que afectan la eficiencia de un motor de combustión interna.
Durante el proceso de admisión y de formación de la mezcla en un motor de combustión interna se toma en importancia la eficiencia volumétrica (coeficiente de llenado) y al coeficiente de exceso de aire, ya que éstos son los más importante en los procesos antes mencionados. En forma analítica se comparan los resultados experimentales con los teóricos, mediante curvas características, construidas con los datos y resultados obtenidos.
Así mismo se ve como varia el comportamiento de estos parámetros que en nuestro caso desarrollaremos un análisis del motor Petter.
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2 OBJETIVOS
Reconocimiento del banco de pruebas Petter para un motor diésel, así como realizar el estudio del comportamiento de los motores en función de la velocidad y de carga.
El presente laboratorio tiene como objetivo verificar las curvas teóricas del coeficiente e exceso de aire y el coeficiente de llenado versus la velocidad de rotación del cigüeñal y la carga aplicada al motor.
Se comparan las curvas obtenidas, con las curvas teóricas, para luego considerar conclusiones que se permitan brindar un panorama real de estos factores, así como el entendimiento amplio de a importancia de estos.
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3 FUNDAMENTO TEORICO Como es conocido, en los motores Diesel la mezcla aire-combustible, se realiza dentro del cilindro del motor (formación interna de la mezcla) y la regulación de la mezcla al variar la carga es cualitativa, es decir, la cantidad de aire suministrado al cilindro es aproximadamente constante, y solo se incrementa o disminuye la alimentación de combustible.
Ne|n=cte=f(Gc) Ga=cte a una misma velocidad la cantidad de aire se mantiene cte
Gc
aumenta o disminuye segun la carga
Ga+Gc=cte Ga/Gc no cte
Estos 2 factores determinan que tanto el proceso de admisión, como el de formación de la mezcla difieran sustancialmente de los mismos procesos en los motores de carburador (o ECH). Las diferencias más notables entre el motor Diesel y el motor de carburador durante el proceso de admisión son: 1. Menor caída de presión en el múltiple de admisión debido a la ausencia de carburador. este carburador genera perdidas
Paech > PaD2
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2. Menor coeficiente de gases residuales, debido a las mayores relaciones de compresión de los motores Diesel. Este coeficiente, al disminuir la carga, en los motores a gasolina aumenta, mientras que en los motores Diesel es prácticamente constante.
3. No es necesario el calentamiento adicional del múltiple de admisión, como, a veces, se emplea en el motor de carburador para intensificar el proceso de vaporización del combustible. En el motor Diesel el combustible se inyecta y evapora al final de la compresión, por eso calentar la carga de aire durante la admisión no es conveniente, ya que aumenta T y, respectivamente, disminuye v. En el motor Diesel siempre hay que disminuir el calentamiento de la carga durante la admisión.
inyeccion y evaporacion al final dela compresion
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4. Al disminuir la carga del motor de carburador (con n = cte) y cerrar respectivamente la mariposa de gases, las pérdidas de presión en la admisión se incrementan; esto provoca el incremento de los gases residuales. Debido a la menor temperatura de las paredes, por la disminución de la carga, el calentamiento de la carga fresca decrece un poco. Sin embargo, la variación de T es en este caso insignificante. Como resultado conjunto de estos factores,
al reducir la carga el coeficiente v disminuye.
Los motores Diesel de 4 tiempos de aspiración natural no tienen en su sistema de admisión dispositivo alguno para cambiar la cantidad de aire que se suministra al cilindro. En consecuencia, cuando n=cte y varía la carga, la resistencia hidráulica en el sistema no varía. Con el aumento de la carga, relacionado con el suministro de una mayor cantidad de combustible, la temperatura de las paredes del múltiple se eleva, la transferencia de calor a la carga fresca (al aire) aumenta y respectivamente T crece y, a pesar de que las perdidas hidráulicas no varían, como resultado del
calentamiento, la cantidad admitida de aire disminuye ligeramente
con el
incremento de la carga. El coeficiente r casi no varía al modificar la carga. La influencia conjunta de todos los factores conduce a que en el motor Diesel el coeficiente de llenado disminuya ligeramente al aumentar la carga.
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Figura: Variación del coeficiente de llenado en función de la carga a) para el motor de carburador b) para el motor Diesel
Sobre el coeficiente de llenado ( v), cuando el motor funciona cambiando la frecuencia de rotación, según la característica externa de velocidad, influyen la resistencia hidráulica en el sistema de admisión, el calentamiento de la carga fresca 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 múltiples de admisión y escape. P
H
Ga
Gc=cte
n
Ne=cte
r
v
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El efecto combinado de todos estos factores determina que, tanto en el motor Diesel como en el motor de carburador, al aumentar la frecuencia de rotación, v al principio crezca y luego, después de alcanzar su máximo valor, decrezca.
Figura: Variación de la eficiencia volumétrica en función de la velocidad (según la característica externa de velocidad) a)
para el motor de carburador
b) para el motor Diesel
Las diferencias en el proceso de formación de la mezcla entre estos 2 tipos de motores también son notorias y están estrechamente relacionadas con el método de encendido. En los motores de carburador, una mezcla aire-combustible, muy homogénea en su composición ingresa a los cilindros durante la carrera de admisión, y al final de la carrera de compresión, gracias a la acción de una chispa eléctrica, proveniente de una bujía, se produce el encendido de la mezcla. Esto se produce siempre y cuando el coeficiente de exceso de aire este entre los límites de inflamabilidad de las mezclas aire-gasolina, aproximadamente esto ocurre si se encuentra en el rango 0.6 1.2; en caso contrario la mezcla simplemente no arde.
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n
limites de inflamabilidad
1.0
0.7 superior (max comb)
1.2 minimo (menor comb)
En cambio en los motores Diesel la inyección de petróleo Diesel se realiza grados antes de que el pistón llegue al PMS, y hay un periodo de tiempo (periodo de retardo) durante el cual se va preparando la mezcla aire-combustible para su autoencendido, después de esto el proceso de inyección, los vapores del combustible mezclado con el aire residual, siguen combustionándose (combustión residual). Este es el motivo de que en el motor Diesel, a diferencia del motor de carburador, se pueda lograr combustiones de mezclas con coeficientes de exceso de aire tan variable (desde =5 o mas en los regímenes de vacío, hasta =1.4 – 1.6 en lo regímenes nominales); es decir, el coeficiente de exceso varía constantemente durante el proceso de inyección, y también de un lugar a otro en la cámara de combustión, y solo se producirá el autoencendido en aquellos lugares donde el local alcance un valor cercano al estequiométrico ( = 0.9), a pesar de que el global puede tener valores fuera de los límites de inflamabilidad.
infinit
0.9 condiciones suficientes
Gc=cte
n
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4 RELACIONES Y ECUACIONES 4.1 FLUJO M ÁSICO DE AIRE (G A) Cantidad de aire real que ingresa al cilindro al inicio de la compresión real.
p p 10 0 13 , 6 Ga 5,8365 s sen 0,464 T 0 273
(kg / h)
Donde:
∆s=Caída de presión en el manómetro inclinado (en cm) ∆p=Caída de presión en el manómetro en U (en cm)
p0=Presión atmosférica (en mm Hg) T0=Temperatura atmosférica (ºC) α=Angulo de inclinación del manómetro inclinado (=30º)
Cantidad de aire teórico que podría ingresar en la cilindrada a las condiciones de admisión: G at
30 n V h i * [kg/h]
n
: Revoluciones por minuto [RPM]
Vhi
: Cilindrada [m3]
ρ*
: Densidad del aire corregida [kg/m3] 11
4.2 FLUJO M ÁSICO DE COMBUSTIBLE (GC)
Donde:
= Volumen de combustible consumido en cm3 = Tiempo de consumo de combustible (=15s) = Densidad del combustible, en kg/L
4.3 EFICIENCIA VOLUMÉTRICA ( )
Donde: Vh: Cilindrada unitaria, en m 3 n: rpm : Densidad del aire a las condiciones p 0 y T0
)
4.4 COEFICIENTE DE EXCESO DE AIRE (
⁄ Donde: l 0: relación estequiométrica (=14,3 kg/kg)
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4.5 POTENCIA EFECTIVA (NE)
( ) Donde: Me: Momento efectivo, en kN.m
: Velocidad angular, en rad/s A su vez:
Donde:
Fd: Fuerza del dinamómetro, en kN b: brazo de palanca, en m (0,305m).
4.6 COEFICIENTE DE ABSORCIÓN (K -1) Y OPACIDAD DEL HUMO (H) -1
k =-1/0,43*ln(1-0,01*H)
-1
(m )
Donde: -1
-1
k : coeficiente de absorción, m . H: Opacidad del humo, en %
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5 EQUIPOS E INSTRUMENTOS
Motor Petter. Modelo: Diámetro: (Nominal) Carrera Potencia y velocidad
Desplazamiento Relación de compresión Presión de lubricante Presión de compresión Presión de inyección de combustible 900 - 1099 RPM 2 kgf/cm ) 1100 - 2000 RPM 2 kgf/cm ) Inyección de combustible Hasta 1650 RPM 1651 – 2000 RPM Abertura válvula de admisión Cierre válvula de admisión Abertura válvula de escape Cierre válvula de escape Lubricantes capacidad Combustible Brazo torque Brazo de pérdidas mecánicas Inyector HL 130526C175P3 Luz de válvulas (admisión – escape) Distancia descompresor de cilindro Ajuste de culata
Diesel, Petter, PH1W 87,3 mm 110 mm 4,00BHP - 1000RPM 5,00BHP - 1200RPM 6,25BHP - 1500RPM 6,75BHP - 1650RPM 7,50BHP - 1800RPM 8,20BHP - 2000RPM 40,2 plg 3 (659 cm 3) 16,5:1 35 psi (2,46 kgf/cm 2) 535 psi (37,6 kgf/cm 2) 1995-2205 2850
-
psi 3150
psi
(140/155 (200/221
24º antes del PMS 28º antes del PMS 4 ½º antes del PMS 35 ½º después del PMI 35 ½º antes del PMI 4 ½º después del PMS 5 pintas (2,84 litros) Petróleo Diesel con alto grado de destilación Norma BS 2868 305 mm 305 mm Orificios múltiples 0,25 mm 0,10 mm 200lb.pie
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Manómetros (P aceite PSI y p cmH20)
Termómetros (Taceite, Ts y Te º C)
Distancias Lineales ( s en cm)
Dinamómetros (F en N)
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Medidor de Frecuencias Óptico (tacómetro) (n en RPM)
Medidor de caudal ( V cc)
Cronómetro (t en seg)
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6 PROCEDIMIENTO
Comprobar el estado del banco de ensayos y del motor; agua en el sistema de refrigeración, nivel de aceite, nivel de combustible, tensión eléctrica para el panel de control, etc.
Arrancar el motor y calentarlo hasta que la temperatura del líquido refrigerante, en la entrada sea de 60°C.
Fijar la posición de la cremallera de la bomba de inyección de tal modo que las revoluciones del motor alcancen su valor nominal.
Sin cambiar la posición de la cremallera (ósea no girar el tornillo micrómetro) variar la carga, mediante la variación del voltaje de campo del generador eléctrico, establecer 6 regímenes de velocidad y realizar las mediciones correspondientes para cada régimen.
Manteniendo constante un valor de la velocidad, ir variando simultáneamente la posición de la cremallera y la carga del motor.
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7 CALCULOS 8 RESULTADOS
9 CONCLUCIONES
10 CUESTIONARIO 1. ¿Por qué el coeficiente de exceso de aire desciende cuando aumenta la carga del motor? Para aumentar la carga el motor requiere generar mayor potencia y como la cantidad de aire que ingresa en los motores diesel no se puede regular para aumentar la potencia será necesario inyectar más combustible por ende se quemara más combustible y para ello más aire haciendo que el exceso de aire disminuya de esta forma disminuye el coeficiente de exceso de aire.
2. ¿Por qué la eficiencia volumétrica del motor disminuye ligeramente al aumentar la carga del motor? La eficiencia volumétrica disminuye ligeramente al aumentar la carga porque al aumentar esta las temperaturas de las partes del motor se incrementan teniendo como consecuencia que la temperatura del aire que ingresa al motor en la admisión aumente aún más por este incremento la densidad del aire baja por ello ingresa menor masa de aire al cilindro haciendo que la masa de aire disminuya conforme aumenta la carga.
3. ¿Cómo es posible que el motor Petter se acelere sin variar la posición de la cremallera de la bomba de inyección (hc)? 18
Ello es posible variando la carga si disminuimos la carga aumentamos la velocidad del motor.
4. Generalmente, la tendencia de la eficiencia volumétrica con la velocidad de rotación es creciente- decreciente (cóncava hacia abajo), alcanzando el valor máximo a una velocidad intermedia entre la velocidad mínima y la nominal. Explicar la razón de esta tendencia. ¿Por qué la eficiencia volumétrica del motor Petter decrece con la velocidad en forma monótona? La disminución de al aumentar las revoluciones aumenta debido a que las perdidas hidráulicas en la admisión aumentan proporcionales a la velocidad y la presión Pa disminuye proporcional al cuadrado, algo similar ocurre en el escape donde al aumentar las revoluciones la presión Pr aumenta y la cantidad de gases también aumentan. Además como aumentan las RPM el tiempo de contacto con las paredes con el aire es menor por ello el efecto del calentamiento del aire será menor que el efecto de las perdidas hidráulicas sobre la eficiencia volumétrica. Los efectos de las perdidas hidráulicas en el escape y la admisión son mayores que los del calentamiento del aire para ciertos regímenes de velocidad y caso contrario sucede a medida que disminuye la velocidad el efecto del calentamiento aumenta más que el efecto de las perdidas hidráulicas por ende la combinación de estos dos efectos determina la variación del coeficiente de llenado del cilindro existiendo un régimen adecuado entre el mínimo y el nominal en el cual se obtiene la eficiencia volumétrica máxima por ello su forma cóncava hacia abajo. En el caso de nuestro motor petter se podría decir que los efectos de las pérdidas hidráulicas son mayores que los de calentamiento del aire por ello a medida que aumentamos el régimen la eficiencia volumétrica decrece de forma monótona.
5. ¿Qué factor determina la tendencia del coeficiente de exceso de aire en función de la velocidad del motor? El factor que determina el coeficiente de exceso de aire al variar la velocidad es el tiempo que las válvulas permanecen abiertas lo que permite el ingreso del aire que si el tiempo de apertura de las válvulas es corto menos aire ingresara al cilindro por ende menos oxígeno y como la mezcla se enriquecerá el coeficiente de exceso de aire disminuye.
6. ¿Qué relación hay entre el consumo de combustible Gc (kg/h) y la posición de la cremallera (hc) de la bomba de inyección (con n=cte.)?
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Existe una relación inversamente proporcional entre el consumo de combustible y la posición de la cremallera para un determinado régimen pues al aumentar la posición de la cremallera el resorte de esta se está estirando con lo que la tobera inyectara menor cantidad de combustible ello explica que el consumo de combustible disminuya.
7. ¿Qué es la opacidad del humo y el coeficiente de absorción? ¿Qué relación hay entre estos dos parámetros? La “La OPACIDAD se define como el cociente entre la intensidad, Io, de una onda que penetra en un medio (humo) y la intensidad ‘I’ de la onda que emerge del mismo. Es tanto mayor cuanto más grandes sean los poderes de reflexión y absorción del medio (humo).” Si expresamos la OPACIDAD en tantos por cien y referida sobre el nivel de entrada, su cálculo se Realizará como:
OP% = ( 1 – I / Io ) 100 ABSORCIÓN: Disminución de la intensidad de una onda o haz de partículas al atravesar un medio. En un medio homogéneo, la relación entre la intensidad I de la onda, cuando ha recorrido una distancia x por aquel, y la intensidad Io de la onda incidente viene dada por la ley:
I = Io e^(-β L ) β: el COEFICIENTE DE ABSORCIÓN y de unidades L: la longitud efectiva de la cámara.
En función de la OPACIDAD, la fórmula del COEFICIENTE DE ABSORCIÓN es la siguiente:
E = - 1/ L * Ln ( 1 – OP% /100 )
8. ¿Por qué el coeficiente de absorción del humo (en ) aumenta a medida que aumenta a altas velocidades del cigüeñal? ¿Por qué la opacidad también puede aumentar a bajas velocidades?
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La opacidad aumenta a bajas velocidades debido a que la pulverización es defectuosa mientras que a velocidades altas sube porque hay menos tiempo para la combustión
9. ¿Por qué el coeficiente de absorción (en m-1) aumenta cuando aumenta la carga del motor? Cuando aumenta la carga del motor se inyectara más combustible a la mescla produciendo más hollín en la combustión y por consiguiente aumentara el índice de absorción.
10. ¿Hay alguna relación entre la opacidad del humo y el coeficiente de exceso de aire (con n=cte.)? El coeficiente de gases residuales es alto por consiguiente la cantidad de carga fresca es baja haciendo que α sea bajo.
11 BIBLIOGRAFIA
JÓVAJ, M. S. “ Motores de automóvil” , Edit. Mir, Moscú
LUKANIN V.N., “Motores de combustión interna”, Edit. MIR, Moscú
http://www.todomotores.com
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