PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍA
Informe de Laboratorio N°2
1.
Objetivos (guía de laboratorio) ............................ ........................... ...................... 3
2.
Equipos e instrumentos a instalar (guía ( guía de laboratorio) ........................................ 3
3.
Procedimientos (guía de laboratorio) ............................ ............................ ............ 3
4.
Cálculos y Gráficos .............................................................................................. 4
5.
Análisis de Resultados ........................... ............................ ............................ ..... 22
6.
Conclusiones ...................................................................................................... 26
7.
Bibliografía ........................................................................................................ 27
8.
Anexos ............................................................................................................... 29
1.
Objetivos (guía de laboratorio) ............................ ........................... ...................... 3
2.
Equipos e instrumentos a instalar (guía ( guía de laboratorio) ........................................ 3
3.
Procedimientos (guía de laboratorio) ............................ ............................ ............ 3
4.
Cálculos y Gráficos .............................................................................................. 4
5.
Análisis de Resultados ........................... ............................ ............................ ..... 22
6.
Conclusiones ...................................................................................................... 26
7.
Bibliografía ........................................................................................................ 27
8.
Anexos ............................................................................................................... 29
1. Objetivos (guía de laboratorio) 2. Equipos e instrumentos a instalar (guía de laboratorio) Adicionalmente podemos apreciar el esquema técnico del ensayo, similar al usado en el laboratorio.
4. Cálculos y Gráficos Memoria de Cálculo de Parámetros corregidos según norma ISO 1585 Rangos de Presión y Temperatura de ensayo admitidos por la norma:
Cálculo de Torque efectivo El torque corregido viene dado por la siguiente
Cálculo del factor atmosférico fa: Se tomará el factor atmosférico dado para motores de encendido por compresión, sobrecargados y refrigerados por agua, el factor indica el efecto de las condiciones ambientales como presión, temperatura y humedad relativa.
Donde: K
Reemplazando en [3]
Cálculo del factor de motor fm
Temperatura ambiental en la admisión Presión aire seco en las condiciones de ensayo. T=22° y P=101.3kPa
Presión en el multiple de admisión Reemplazando en [6]
Cálculo del factor q: Tomamos los siguientes valores : Motores de 4 tiempos Consumo de combustible Cilindrada Total Régimen de giro Reemplazando en [6]
Cálculo de la presión media efectiva:
Cálculo del consumo especifico de combustible en condiciones ISO:
Cálculo del rendimiento efectivo en condiciones ISO:
Cálculo del rendimiento volumétrico El rendimiento volumétrico viene dado por la siguiente expresión:
Donde Flujo másico de aire real, obtenido de instrumentación Flujo másico obtenido de las condiciones de referencia Cálculo del flujo másico de aire real:
Para la instrumentación utilizada se tiene la siguiente expresión del flujo volumétrico:
Donde: Caudal de aire que pasa atravez del medidor
Cálculo de la densidad de referencia asumiendo gas ideal
Cálculo del flujo másico de referencia
Finalmente el rendimiento volumétrico nv:
Cálculo de la relación aire combustible:
Cálculos de Balance Térmico: Para evaluar las componentes energéticas del motor se utilizarón las siguientes expresiones:
El calor total Qo cedido por el combustible es el siguiente:
Gráficos de las mediciones realizadas a las siguientes condiciones: Gráficos a Plena Carga Variación de RPM Cada 200 RPM Condiciones ambientales Po= 101.03 kPa To= 22 °C HR= 70%
Gráfico 10 Balance térmico en porcentaje en función del Régimen de giro
Gráficos a carga parcial:
Gráfico 15 Temperatura de los gases de escape para diferentes grados de carga
5. Análisis de Resultados •
Consideraciones: Curvas a plena carga, máxima tasa de inyección del combustible compatible con el diseño (Payri & Desantes, 2015), ello se logra con el control de la presión de inyección. o
o
En el gráfico 1 se puede apreciar que el Torque efectivo aumenta hasta llegar a un torque máximo de 313.4 Nm para 1400 RPM y luego decrece hasta llegar a 278 Nm a 1800 RPM, este comportamiento se da debido a que el Torque efectivo está en función del rendimiento indicado, el rendimiento mecánico y el rendimiento volumétrico (Payri & Desantes, 2015).El rendimiento indicado aumenta a medida que se incrementa el régimen de giro, pero llegado un punto decrece, así como decrece el rendimiento volumétrico, pues e l mismo influye en el proceso de renovación de carga, pero más importante es el rendimiento mecánico, pues las perdidas por fricción aumentan con el cuadrado de la velocidad. Las perdidas por fricción traducidas en un incremento de la presión media de perdidas es lo que disminuye la presión media efectiva y con ello la potencia efectiva, adicionalmente al aumentar el régimen de giro disminuye la transferencia de calor por ciclo , así como disminuye el flujo másico de ai re , pero estos impactos son modestos (Heywood, 1988) Análogamente la Potencia efectiva logra un máximo para determinado RPM, en el presente ensayo se obtuvo 52.54 kW para 1800 RPM. Para el gráfico tenemos la variación de la presión media efectiva con el régimen
combustible (Colin, 2016). El consumo especifico también aumenta según las eficiencia mecánica a altas velocidades (Payri & D esantes, 2015).
o
o
Al ser la eficiencia efectiva función de la potencia efectiva y del consumo de combustible, se observa la misma tendencia que para la potencia efectiva, sin embargo, a la máxima potencia la eficiencia efectiva disminuye, este comportamiento se da pues la eficiencia efectiva depende de la eficiencia indicada y de la eficiencia mecánica (Payri & Desantes, 2015) . La eficiencia indicada no sufre cambios significativos, sin embargo la eficiencia mecánica decae bruscamente, ello hace decaer la eficiencia efectiva para la máxima potencia con un valor de 20.35% para 1800 RPM y 52.54 kw. Los valores máximos obtenidos son de 22.87% para 1600 RPM. El rendimiento volumétrico depende en gran medida del procesos de renovación de carga y de la eficiencia de los sistemas de admisión , para un motor turbo cargado y con enfriamiento observamos las siguientes tendencias, el mismo varió entre 77% y 82 % u intervalo de 5 puntos porcentuales, en la gráfica se puede observar como aumenta hasta cierto régimen de giro y luego disminuye bruscamente, esta disminución brusca se da pues el proceso de renovación de carga se ve afectado, los reglajes de las válvulas o la geometría de los conductos asociados a aliviar la situación tienen la contrapartida de acentuar el descenso
o
calor hacia el refrigerante durante la combustión y posterior expansión no es eficiente, es decir la transferencia de calor disminuye para los altos flujos másicos de gases , sin embargo llegado un punto la temperatura de salida de los gases disminuye , ello se da debido que a partir de cierta RPM el turbo grupo tiene una mayor eficiencia y con ello aprovechan más la energía de salida de los gases de escape, ello explica la disminución de la temperatura llegando a 60 k para 1800 RPM . El balance energético gráfico 9 presenta las siguientes características, los incrementos son graduales a medida que se aumenta la potencia efectiva y las rpm, salvo en los que corresponde a la potencia cedida a los gases de escape, la cual sí aumenta en mayor medida que las otras componentes, las perdidas auxiliares y al ambiente también no producen cambios significativos. Como se mencionó en el análisis de la temperatura de gases de escape a mayor régimen de giro la transferencia de calor durante la expansión no será efectiva por ello los gases de escape saldrán a mayor temperatura. El análisis de las curvas de balance térmico en porcentaje indica que los cambios más significativos se dan en las perdidas auxiliares y hacia el ambiente , análogamente se observa una mayor transferencia de calor hacia los gases de escape . En conclusión a mayores velocidades la distribución del balance energético cambia significativamente, presentando variaciones en la potencia efectiva , pero con mayor significado en el calor transferido hacia el líquido refrigerante y hacia los gases de escape.
o
o
o
o
45.95 kw y 1400 RPM, este régimen de giro se encuentra en la zona de bajo consumo de combustible, ello explica el presente comportamiento. En el gráfico 12 se puede observar que la relación d e presiones aumenta según la potencia requerida y la velocidad de giro, siendo el valor máximo 1.518 para 1800 RPM y 52.54 kw y el valor mínimo de 1.042 para 17.24 kw y 1000 RPM, esta relación de presiones nos indica que el grupo turbocargador actuara para determinadas velocidades y regímenes de giro, por lo tanto para mayores grados de carga y mayor regimn de giro se t endrá mayor energía en los gases de e scape que puede ser aprovechada para mediante la turbina y el compresor , aumentar la presión de admisión. Para la relación másica gráfico 14 se observa el mismo comportamiento, a mayor RPM mayor será el flujo de aire que ingresa hacia el cilindro, pues mayor será el caudal en el compresor, tenemos para 1800 RPM valores máximos de 24.87 kg aire/kg de combustible y 13.76 para 1000 RPM un dosado rico , el cual no es conveniente pues no se logra una adecuada combustión. En el gráfico 15 se observa el aumento de la temperatura en función de la potencia efectiva, a mayor requerimiento de potencia , la temperatura de los gases de escape aumentará, se aprecian valores de entre 600 y 700 para altos régimenes de giro 1400 y 1800 RPM ello debido a que no se da una transmisión de calor al fluido refrigerante. Del balance térmico (gráfico 16 y gráfico 17) se observa que la s componentes de energía para distintos grados de carga están en función de la velociadad de giro
6. Conclusiones •
•
•
•
•
Las curvas características de plena carga y carga parcial permiten identificar los puntos de operación del motor en condiciones reales. Según sea el propósito o la función del motor de combustión interna alternativo se pueden estimar los diferentes parámetros del motor, así como corregir y saber los puntos de menor consumo de combustible, mayor capacidad tractora o mayor potencia efectiva. Los parámetros que mayor influencia tienen sobre el comportamiento del motor son el rendimiento volumétrico, el cual es responsable de la caída abrupta del torque efectivo y de la potencia efectiva; y por otro lado el régimen de giro, el cual condiciona fuertemente las perdidas por fricción reflejadas en el rendimiento mecánico. Los grados de libertad del presente ensayo fueron el torque de fr enado, para el ensayo a plena carga (máximo caudal de combustible) y el flujo de combustible para los ensayos a carga parcial. Del análisis de resultados se concluye que existe un punto de mayor eficiencia efectiva y menor consumo específico de combustible, logrando 22.87% de eficiencia efectiva a 1600 RPM, a un torque efectivo de 283.69 Nm y a una Potencia efectiva corregida de 361.9 g/kWh. Este punto de operación se
7. Bibliografía Colin, R. F. (2016). Internal Combustion Engine Applied Thermoscience. United Kingdom: Wiley. Heywood, J. B. (1988). Internal Combustion Engine Fundamentals. United States of America: Mc Graw-Hill. International Organization for Standarization. (1992). ISO 1585:1992 Road Vehicles - Engine Test Code- Net Power. Switzerland: International Organization for Standarization. Moran, M., & Shapiro, H. (2014). Fundamentals of Engineering Thermodynamics. United States of America: Wiley. Payri, F., & Desantes, J. (2015). Motores de combustión interna alternativos. Barcelona: Reverte. Stone, R. (1992). Introduction to Internal Combustion Engines. UK: Mac Millan. Van Vasshuysen, R., & Schafer, F. (2004). Internal Combustion Engine. Warrendale: Sae International.
8. Anexos Tablas de Datos Tomados:
RPM
Torque
1000 Ensayo a plena Carga
Ensayo a Carga Parcial
Qref(m3/h)
Tg(°C)
Torque(N- t(s)(10E-5 m) h)<1min
4.5
306.2
300
624
5.5
314.9
309
6
385.5
314
1600
7.5
352.4
1800
8.5
367.9
1200 1400
60%
DP(kPa)
Pboost(kPa)
Tboost(°C)
0.21
11.3
38.6
498
0.28
19.2
35.7
382
0.37
36.1
45
284
376
0.4
37.5
49.1
279
325
0.5
52.5
57.4
710
0.21
8.6
37.8
1000
50
4.5
299
258
1000
40
4.4
280.3
205
867
0.21
5.9
36.9
1000
30
4.4
252.7
165
1010
0.2
4.3
35.4
1400
50
6.5
376.1
263
451
0.34
28.8
47
1400
40
6.3
345.1
210
545
0.32
21.2
49.3
1400
30
6.5
306.2
157
693
0.3
15.2
48.6
1800
50
8.3
362.4
218.5
389
0.45
44.2
63.5
1800
40
8.3
337.7
168.5
462
0.42
34.1
63.2
1800
30
8.3
307.6
132
537
0.41
27.4
57.9
29 Cualquier retención, uso total o p arcial no autorizado de este reporte está estrictamente prohibido y s ancionado por ley.
Trefrigerante(°C) Piny(bar)
Ensayo a plena Carga
Ensayo a Carga Parcial
fa pcomb
0.996 840 kg/m3
Gasto(l/h)
63.6
1058
59.2 63.1
Factor de carga
Pbar(kPa) t(s)
16.88
60
101.03
22.464
1004
18.11
60
101.03
17.928
724
20.48
60
101.03
13.752
63.9
792
20.48
61
101.03
13.536
66.5
873
25.43
61
101.03
11.7
62.3
1022
15.19
50
101.03
25.56
61
952
13.16
40
101.03
31.212
58.8
849
11.36
30
101.03
36.36
63.9
742
18.23
52
101.03
16.236
64.4
779
16.43
41
101.03
19.62
63.6
836
15.19
30
101.03
24.948
68.9
991
21.94
51
101.03
14.004
69.3
1009
20.36
40
101.03
16.632
68.4
1004
19.01
31
101.03
19.332
Factor atmosférico ISO Densidad de combustible
Vt
6.7 L
P1
101.03 kPa
Presión atmosférica
Desplazamiento total
Vt
0.0067 m3
Desplazamiento total
PCI
43500 Kj/kg
DT
8 °
Cp
4.195 Kj/kgK
Calor específico del agua
p
1000 m3/kg
Densidad del Agua
Diferencia de Temperaturas Refrigerante
30 Cualquier retención, uso total o p arcial no autorizado de este reporte está estrictamente prohibido y s ancionado por ley.
Tablas de cálculos realizados:
Cálculos de los factores de corrección atmosféricos y de motor según norma ISO 1585
n(RPS) RPM 16.667 1000 20 1200
K' (Factor de correción) ISO
14.2
70.5
1.11
63.5
1.14
0.995
15.2
63.1
1.19
53.0
0.77
0.997
1400
17.2
61.1
1.36
45.1
0.48
0.998
1600
17.2
53.5
1.37
39.0
0.27
0.999
1800 1000
21.4
59.0
1.52
38.9
0.26
0.999
16.667
12.8
63.5
1.08
58.5
0.97
0.996
16.667
1000
11.1
55.0
1.06
52.0
0.73
0.997
16.667
1000
9.5
47.5
1.04
45.5
0.50
0.998
23.333
1400
15.3
54.4
1.28
42.4
0.39
0.998
23.333
1400
13.8
49.0
1.21
40.6
0.32
0.999
23.333
1400
12.8
45.3
1.15
39.4
0.28
0.999
30
1800
18.4
50.9
1.44
35.5
0.14
0.999
30
1800
17.1
47.3
1.34
35.4
0.13
0.999
30
1800
16.0
44.1
1.27
34.7
0.11
1.000
Ensayo a Plena Carga 23.333 60% 26.667 30
Ensayo a carga parcial
qc fm(factor mc(kg/h) q(mg/inyección) r=(Pbo/P) (mg/liny) motor)
31 Cualquier retención, uso total o p arcial no autorizado de este reporte está estrictamente prohibido y s ancionado por ley.
Cálculo de Parámetros del motor corregidos:
n(RPS) RPM Te_ISO(Nm) Pe_ISO(Kw) Pme_ISO(kPa) CEC_ISO(g/kWh) ne_ISO ma_ref(kg/m3) ma(kg/s) nv% ma/mc F 16.667 1000 298.6 31.3 93.3 453.4 18.25 0.0701 0.054 77.3 13.8 0.0726 20 1200 308.0 38.7 96.3 393.0 21.06 0.0909 0.072 79.6 17.1 0.0584 Ensayo a Plena Carga 23.333 1400 313.4 45.9 98.0 374.4 22.10 0.1174 0.096 81.5 20.0 0.0499 60% 26.667 1600 283.7 47.5 88.7 361.9 22.87 0.1339 0.104 77.3 21.7 0.0462 30 1800 278.7 52.5 87.1 406.6 20.35 0.1627 0.130 79.6 21.8 0.0458
Ensayo a carga parcial
16.667
1000
257.0
26.9
80.3
474.1
17.46
0.0686
0.054
79.0
15.3 0.0654
16.667
1000
204.4
21.4
63.9
516.4
16.02
0.0671
0.054
80.8
17.7 0.0566
16.667
1000
164.7
17.2
51.5
553.4
14.96
0.0664
0.052
77.7
19.5 0.0513
23.333
1400
262.6
38.5
82.1
397.8
20.81
0.1105
0.088
79.6
20.7 0.0484
23.333
1400
209.7
30.7
65.6
448.8
18.44
0.1033
0.083
80.1
21.6 0.0463
23.333
1400
156.8
23.0
49.0
555.0
14.91
0.0984
0.078
78.8
21.9 0.0457
30
1800
218.4
41.2
68.3
447.7
18.48
0.1511
0.117
77.1
22.8 0.0439
30
1800
168.4
31.7
52.6
538.8
15.36
0.1407
0.109
77.2
22.9 0.0437
30
1800
131.9
24.9
41.2
642.1
12.89
0.1359
0.106
78.1
23.9 0.0418
32 Cualquier retención, uso total o p arcial no autorizado de este reporte está estrictamente prohibido y s ancionado por ley.
