Informe de Motores

INGENIERIA MECÁNICA

MOTOR DIESEL TURBOALIMENTAD TURBOALIMENTADO O

INFORME DEL PROYECTO DEL CURSO DE MOTORES

1.

TÍTULO

“Cálculo Termo energético y análisis de las propiedades dinámico-traccionales del motor ACERT C9 CATERPILLAR”

2.

RESUMEN

Este proyecto tiene como finalidad conocer el comportamiento de los parámetros energéticos que afectan el funcionamiento del motor, para de esta manera poder utilizar de manera más racional el combustible disminuyendo el consumo específico y aumentando, de alguna manera, la potencia y el torque del motor. Se pudo constatar que el menor consumo específico efectivo del motor ACERT C9 CATERPILLAR es de 195 [g/kwh] cuando el motor gira a 1650 rpm.

1



3. INDICE ANALÍTICO 4.

5. 6. 7.

Introducción - Antecedentes - El problema Descripción Justificación Enunciado del problema Hipótesis Objetivo General Objetivo Específico Marco teórico Materiales y Métodos Cálculos, Resultados y Discusión I. Parámetros de la sustancia de trabajo II. Productos de la combustión II. Cantidad total de los productos de la combustión IV. Parámetros del medio ambiente y de los gases residuales V. Parámetros del proceso de admisión VI. Parámetros del proceso de compresión VII. Parámetros del proceso de combustión VIII. Parámetros del proceso de expansión IX. Comprobación de la temperatura de los gases residuales X. Parámetros Indicados del Ciclo Operativo del motor XI. Parámetros efectivos XII. Principales parámetros constructivos del cilindro y del motor XIII. Parámetros energéticos y económicos del motor XIV. Construcción del diagrama indicado 1. Inicio de la combustión 2. Combustión Visible 3. Proceso de Escape 4. Proceso de Admisión GRAFICAS DEL DIAGRAMA INDICADO REAL XV. Balance termo energético XVI. Construcción de curvas características externas de velocidad 2



3. INDICE ANALÍTICO 4.

5. 6. 7.

Introducción - Antecedentes - El problema Descripción Justificación Enunciado del problema Hipótesis Objetivo General Objetivo Específico Marco teórico Materiales y Métodos Cálculos, Resultados y Discusión I. Parámetros de la sustancia de trabajo II. Productos de la combustión II. Cantidad total de los productos de la combustión IV. Parámetros del medio ambiente y de los gases residuales V. Parámetros del proceso de admisión VI. Parámetros del proceso de compresión VII. Parámetros del proceso de combustión VIII. Parámetros del proceso de expansión IX. Comprobación de la temperatura de los gases residuales X. Parámetros Indicados del Ciclo Operativo del motor XI. Parámetros efectivos XII. Principales parámetros constructivos del cilindro y del motor XIII. Parámetros energéticos y económicos del motor XIV. Construcción del diagrama indicado 1. Inicio de la combustión 2. Combustión Visible 3. Proceso de Escape 4. Proceso de Admisión GRAFICAS DEL DIAGRAMA INDICADO REAL XV. Balance termo energético XVI. Construcción de curvas características externas de velocidad 2


8. 9. 10.


CURVAS CARACTERÍSTICAS EXTERNAS DE VELOCIDAD XVII. Construcción de curvas características de carga del motor CURVAS CARACTERÍSTICAS DE CARGA Conclusiones Recomendaciones Referencias Bibliográficas ANEXOS

3

INGENIERIA MECÁNICA 4.

INTRODUCCIÓN



ANTECEDENTES

MOTOR DIESEL TURBOALIMENTADO

El motor en estudio ha presentado el problema de exceso de aire de opacidad de los gases. Internacionalmente se sabe que la máxima potencia de los motores está limitada por su opacidad, en este sentido, el problema de la opacidad como parámetro que expresa el nivel de contaminación ambiental se encuentra normado internacionalmente para distintos tipos de motores. En el presente trabajo se hace una evaluación de los principales parámetros que caracterizan el comportamiento del motor. 

EL PROBLEMA -

DESCRIPCCIÓN -

-

Combustión incompleta. Quemado de aceite. Desgaste de las partes del motor. Falta de aire. Combustión incompleta. Regulación de bomba de inyección y de inyectores.

JUSTIFICACIÓN Se deben resolver los problemas para una mejor combustión y reducción la contaminación ambiental.

-

ENUNCIADO DEL PROBLEMA “¿Es posible analizar y evaluar l as propiedades dinámico-traccionales del motor C9 ACERT mediante el cálculo termo energético”

-

HIPÓTESIS “Si es posible analizar y evaluar las propiedades Dinámico-traccionales del motor basándose en el conocimiento de la teoría de los motores durante su explotación que fundamente los diversos fenómenos que tienen lugar en el motor durante su trabajo”

-

OBJETIVO GENERAL Contribuir a la mitigación del efecto invernadero y al calentamiento y oscurecimiento global del problema

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INGENIERIA MECÁNICA -


OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. 2. 3. 4. 5.

Determinar los parámetros indicados, efectivos y las pérdidas mecánicas del motor. Evaluar las curvas características de velocidad y de carga del motor. Establecer las anomalías más importantes encontradas en el motor. Trazar o construir el diagrama indicado del motor en las coordenadas PV y P  y las curvas características de carga. Establecer los aspectos posibles de modernización del motor

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5. MARCO TEÓRICO Un turbocompresor es un sistema de sobrealimentación de sobrealimentación que usa una turbina una turbina centrífuga para accionar mediante un eje coaxial con ella, un compresor centrífugo para comprimir gases. Este tipo de sistemas se suele utilizar en motores en motores de combustión interna alternativos, especialmente en los motores diésel. En algunos países, la carga la carga impositiva sobre los automóviles los automóviles depende de la cilindrada del motor. Como un motor con turbocompresor tiene una mayor potencia máxima para una cilindrada dada, estos modelos pagan menos impuestos que los que no tienen turbocompresor.

Turbocompresor (corte longitudinal) En rojo, estator de fundición y rotor de la turbina. En azul estator de aluminio y rotor del compresor.



FUNCIONAMIENTO

En los motores sobrealimentados mediante este sistema, el turbocompresor consiste en una turbina una turbina accionada por los gases de escape del motor del motor de explosión, en explosión, en cuyo eje se fija un compresor un compresor centrífugo que toma el aire a presión atmosférica después de pasar por el filtro de aire y luego lo comprime para introducirlo en los cilindros a mayor presión que la atmosférica. Los gases de escape inciden radialmente en la turbin a, saliendo axialmente, después de ceder gran parte de su energía interna (mecánica + térmica) a l a misma. El aire entra al compresor axialmente, saliendo radialmente, con el efecto secundario negativo de un aumento de la temperatura más o menos considerable. Este efecto se contrarresta en gran medida con el intercooler. el intercooler.

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Este aumento de la presión consigue introducir en el cilindro una mayor cantidad de oxígeno (masa) que la masa normal que el cilindro aspiraría a presión atmosférica, obteniéndose más más par motor en cada carrera útil (carrera de expansión) y por lo tanto más potencia más potencia que un motor atmosférico de cilindrada equivalente, y con un incremento de consumo proporcional al aumento de masa de aire en el motor de gasolina. En los diésel la masa de aire no es proporcional al caudal de combustible, siempre entra aire en exceso al carecer de mariposa, por ello es en este tipo de motores en donde se ha encontrado su máxima aplicación (motor turbodiesel) (motor turbodiesel).. Los turbocompresores más pequeños y de presión de soplado más baja ejercen una presión máxima de 0,25 bar (3,625 psi), mientras que los más grandes alcanzan los 1,5 bar (21,75 psi). En motores de competición se llega a presiones de 3 y 8 bares dependiendo de si el motor es es gasolina gasolina odiésel. Como la energía utilizada para comprimir el aire de admisión proviene de los gases de escape, que se desecharía en un motor atmosférico, no resta potencia al motor cuando el turbocompresor está trabajando, tampoco provoca pérdidas fuera del rango de trabajo del turbo, a diferencia de otros, como los sistemas con compresor mecánico (sistemas en los que el compresor es accionado por una polea conectada al cigüeñal). 

FUNCIONAMIENTO EN DISTINTOS TIPOS DE MOTORES

DIESEL En los motores diésel el turbocompresor está más difundido debido a que un motor diésel trabaja con exceso de aire al no haber mariposa, por una parte; esto significa que a igual cilindrada unitaria e igual régimen motor (rpm) entra mucho más aire en un cilindro diésel. Por otra parte, y esto es lo más importante, las presiones alcanzadas al final de la carrera de compresión y sobre todo durante la carrera de trabajo son mucho mayores (40 a 55 bares) que en el motor de ciclo Otto (motor de gasolina) (15-25 bares). Esta alta presión, necesaria para alcanzar la alta temperatura requerida para la auto-inflamación o auto-ignición del gasóleo, es el origen de que la fuerza de los gases de escape, a i gual régimen, cilindrada unitaria y carga requerida al motor sea mucho mayor en el diésel q ue en la gasolina. Regulación del turbocompresor En muchos casos, y según el tamaño del turbo, con objeto de limitar el exceso de presión cuando la turbina trabaja a máximas revoluciones (por ejemplo subiendo una cuesta prolongada con el acelerador a tope) existe un dispositivo mecánico de regulación, una válvula de descarga (Waste-gate) que desvía mediante una derivación o Bypass parte o todo de los gases, limitando de esta manera el régimen de la turbina y por tanto del compresor.

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Lado compresor, con entrada de aire por el lado de baja presión y conexión de alta presión a la membrana de la "Waste -Gate".

Salida del lado de baja presión de a turbina (izquierda) y válvula Waste -gate en estado de reposo (cerrado). Es preciso dejar claro que la presión que proporciona el turbo no depende exclusivamente del régimen motor (rpm) sino también sobre la carga del motor, la cual corresponde al par motor que tiene que darnos el motor para un régimen determinado. Esto significa que a un determinado motor, en un primer caso subiendo una pendiente del 0,3% a 3000 rpm y en un segundo caso bajándola a las mismas 3000 rpm, no le pedimos la misma carga y por tanto no entregará a la transmisión el mismo par motor en los dos casos, es decir la fuerza de la combustión es menor bajando, por tanto lo mismo ocurre con la de los gases de escape y finalmente con las rpm de la turbina. Los vehículos diésel hoy día no se conciben sin un turbocompresor. Gracias al aumento imparable del par motor a través de estas últimas décadas, un motor diésel de inyección directa de 1.5 L. de cilindrada rinde a las mismas revoluciones (4000) más potencia (102CV, Motor Hyundai-Kia 1.5 Crdi 16v) que un diésel atmosférico de hace 30 años del doble de cilindrada con precámara (80CV, motor Mercedes-Benz OM617 de 5 cilindros, 3.0 L de Mercedes-Benz de los años 70).

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GASOLINA En los motores de gasolina, bencina o nafta, el combustible se inyecta en el paso entre el turbocompresor y la cámara de combustión (colector o múltiple de admisión) o directamente en la cámara si es i nyección directa. En motores gasolina, se debe reducir la relación de compresión para evitar el autoencendido. Esto, que se hace normalmente rebajando la parte central de la cabeza del pistón, produce una disminución del rendimiento teórico del ciclo, el cual sin embargo se compensa con la presión de aire extra que entra dentro la cámara de compresión con la cual el motor desarrolla mucho más par y por tanto potencia que un motor atmosférico a idénticas condiciones. Por ejemplo un motor atmosférico convencional de 1.000 CM3 desarrolla alrededor de 50 CV, un motor 1.000 CM3 tu rboalimentado convencional desarrolla alrededor de 100 CV. Los motores de gasolina se controlan mediante una válvula de mariposa accionada por el acelerador eléctricamente o mecánicamente por un cable, la cual regula la cantidad de mezcla aire/combustible que entra en el motor. Mediante un sistema mecánico (carburador) o electrónico (inyección) se dosifica la cantidad de gasolina para que por mucho que cambie la cantidad de mezcla combustible/aire que alimentan los cilindros, se mantenga la relación estequiométrica de 14,7 partes de aire en peso por una de gasolina. Es muy recomendable la utilización de una válvula adicional llamada "blow-off" entre el turbocompresor y la válvula de "mariposa" de la admisión. Al cerrar la mariposa de forma repentina se crea un aumento de presión llamada golpe de ariete este se desplaza por los tubos buscando una salida, si no la hay esta presión intenta retroceder por el turbo provocando una reducción de su velocidad de giro y una reducción del caudal de aire aportado; estos factores llevan al turbocompresor a un área de trabajo inestable conocida como "surge", que, de no ser evitada provoca sobresfuerzos al turbocompresor. Para evitarla, la blowoff libera parte de la presión proveniente del turbocompresor. Las blow-off pueden recircular el exceso de presión a la entrada de la admisión (en este caso se llaman válvulas recirculadoras,"diverter" o "desviadora") y válvulas blow-off propiamente dichas, que descargan la presión al exterior produciendo un sonido característico. La válvula blow off funciona accionada, mediante la depresión del colector de admisión, esta crea un vacío sobre el pistón de la válvula, cuando esta supera cierto valor (supera la fuerza del muelle antagonista) esta se abre y deja salir el aire.

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INGENIERIA MECÁNICA 


INTERCOOLER

El aire, al ser comprimido, se calienta y pierde densidad; es decir, en un mismo volumen tenemos menos masa de aire, por lo que es capaz de quemar menos combustible y, en consecuencia, se genera menos potencia. Además, al aumentar la temperatura de admisión aumenta el peligro de detonación, picado, o autoencendido y se reduce la vida ú til de muchos componentes por exceso de temperatura, y sobreesfuerzos del grupo térmico. Para disminuir esta problemática se interpone entre el turbocompresor y la admisión un "intercambiador de calor" o "intercooler". Este sistema reduce la temperatura del aire, con lo que se aumenta la densidad de éste, y que in troducimos en la cámara de combustión. En el lado negativo, los intercambiadores de calor provocan una caída de presión, por lo que se disminuye la densidad del aire, aunque en muchos casos es necesario instalar uno para evitar la detonación o autoignición. Existen tres tipos de intercoolers: 1. Aire/aire: en estos el aire comprimido intercambia su calor con aire externo. 2. Aire/agua: el aire comprimido intercambia su calor con un líquido que puede ser refrigerado por un radiador o, en algunas aplicaciones, con hielo en un depósito ubicado en el interior del coche. 3. Criogénicos: se enfría la mezcla mediante la evaporación de un gas sobre un intercambiador aire/aire.



EVOLUCIÓN DEL TURBOCOMPRESOR

Actualmente se está cambiando la filosofía de aplicación de los turbocompresores, antes primaba la potencia a altas revoluciones y ahora cada vez más, que el coche responda bien en todo el régimen de giro de uso. La válvula llamada waste-gate evita presiones excesivas q ue dañen el motor. La wa ste-gate o válvula de descarga es la que regula que cantidad de ga ses de escape se fugan de la caracola del turbo directamente hacia el escape mediante la apertura de la válvula, de esa forma a más gases fugados menos presión de turbo, con la válvula cerrada se alcanza la máxima presión del turbo al pasar todos los gases de escape por la caracola. La dump valve o válvula de alivio (mal llamada válvula de descarga por el ruido tan peculiar que hace al descargar al aire...) abre una fuga en el conducto de admisión cuando se deja de acelerar para que la presión g enerada por la enorme inercia del turbo no sature estos conductos, evitando a l mismo tiempo la brusca deceleración de la turbina, alargando su vida útil.

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6. MATERIALES Y MÉTODO -

Especificaciones Técnicas el motor:

CATERPILLAR C9 ACERT

C9 335 hp @ 2100 rpm 1050 lb-ft @ 1400 rpm Peak Torque

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CATERPILLAR® ENGINE SPECIFICATIONS In-line 6-Cylinder, 4-Stroke-Cycle Diesel Bore — in (mm) Stroke — in (mm) Displacement — cu in (L). Aspiration Compression Ratio Rotation (from flywheel end) Cooling System1— gal (L) Lube Oil System (refill) — gal (L) Weight, Net Dry (approx) — lb (kg) with standard equipment

4.41 (112) 5.87 (149) 537 (8.8) Turbocharged 17.0:1 Counterclockwise 4.8 (18) 8.5 (32) 1500 (680)

STANDARD EQUIPMENT Air inlet manifold heater Cooling: belt-driven water pump, oil cooler Crankcase breather Diesel Oxidation Catalyst (required for EPA 2004certification) Electronic Control Module (ECM) Electronic Data Link, SAE/ATA, SAE J1939 Fuel: spin-on secondary filter, transfer pump Governor: full-range, electronically controlled HEUI™ Fuel System

Lifting eyes Lubrication: gear-driven pump, front or rear sump pan, full flow spin-on filter, oil filler, oil level gauge (dipstick) SAE No. 1 flywheel housing Turbocharger Vibration damper ACCESSORY EQUIPMENT Air compressor: 15.7 cfm with drive through capability Air conditioner compressor mounting Air inlet elbow Automatic transmission adapter Auxiliary brake compatible (exhaust)

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Fan drive mounting bracket Flywheel Front engine support Front PTO adapter Fuel priming pump Hydraulic pump drive, SAE A Jacket water heater Rear PTO (RPTO) Starting motor: 12V or 24V Turbocharger compressor outlet elbow

DIMENSIONS

PERFORMANCE CURVES

PERFORMANCE DATA

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Operating Range (rpm) Governed Speed — rpm Advertised hp (kW) Max hp (kW) Peak Torque — lb-ft (N•m) Peak Torque — rpm Torque rise (%) Altitude Capability — ft (m)

1400-2100 2100 335 (250) 350 (261) 1050 (1428) 1400 25 10,000 (3048)

Operating Range (rpm) Governed Speed — rpm Advertised hp (kW) Max hp (kW) Peak Torque — lb-ft (N•m) Peak Torque — rpm Torque rise (%) Altitude Capability — ft (m)

1400-2100 2100 350 (261) 350 (261) 1100 (1496) 1400 26 10,000 (3048)

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INGENIERIA MECÁNICA 7.


CÁLCULO, RESULTADOS Y DISCUSIÓN: CÁLCULO TÉRMICO DEL MOTOR DIESEL TURBOALIMENTADO TOYOTA HILUX 4WD DC CON ENFRIAMIENTO INTERMEDIO DE AIRE

Realizamos el cálculo térmico del motor diesel C9 ACERT, de cuatro tiempos turboalimentado y con enfriamiento intermedio del aire. Datos de partida: -

potencia nominal: 250 Kw numero de revoluciones nominales: n =2100 rpm numero de cilindros: i= 6 cámara de combustión de un motor de inyección directa relación de compresión:  =17

Datos asumidos: -

 K = 2.42 Tk = 355 K Tr = 740 K

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INGENIERIA MECÁNICA I.


PARAMETROS DE SUSTANCIA DE TRABAJO: a.

Composición gravimetrica: (como mínimo 45% de cetano) Estándar peruano Petro peru Elegimos a composición del combustible diesel usando la tabla Nº 1

COMBUSTIBLE DIESEL

C 0,87

COMPOSICIÓN ELEMENTAL H 0,126

O 0,004

Masa Molecular (Kg. /Kmol)

Poder Calórico Bajo (MJ. /Kg.)

180-200

42.5

1050 kcal = 42.5 MJ Tabla 1: Características de los combustibles líquidos para los motores de combustión interna. b.

Poder calórico bajo del combustible:

Formula de Mendeleyev: Hu = 33,91 C + 125,60 H -10,89 (O-S) -2,51 (9 H +W); W: vapor de agua Hu = 42,5 [MJ/Kg.] Asumido

c.

Los parámetros de la sustancia operante:

Cantidad de Kmoles de aire para quemar 1Kg de combustible Lo = 1/0,208 (C/12 +H/9 –O/32) = 0,5 [Kmol/Kg.] lo = 1/0,23 (8C/3 +8H -O) = 14,452 [Kg. aire/Kg. comb]

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INGENIERIA MECÁNICA d.


Coeficiente de exceso de aire (  ):

Velocidad constante

α

5

Diesel

4 3 2

Gasolina

1,3-1,8

1

0,80-0,95

25

50

75

100

(%)

La disminución de  hasta ciertos límites posibles disminuye las dimensiones del cilindro y por consiguiente aumenta la potencia por unidad de cilindrada del motor diesel, pero simultáneamente la rapidez térmica del motor especialmente de las piezas del grupo cilindro pistón crece. Aumenta el humeado de los gases de escape. Los mejores prototipos modernos de motores diesel de aspiración natural, trabajan de manera estable en el régimen nominal sin sobrecalentamiento significativo con un  de 1,4 – 1,5 aspiración natural y la de los motores diesel turboalimentados a 1,6 - 1,8 Se asume 

= 1.6

Calculamos M1 =  Lo = 1,6(0,5) = 0.8 [Kmol de carga fresca / Kg. combustible]

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INGENIERIA MECÁNICA II.


PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN Mco2 =0,870/12 = 0, 0725 [Kmol CO2/ 1Kg Comb] MH2O= H/2= 0,063 [Kmol H2O/ Kg. Comb] MO2 = 0,208(  -1) Lo = 0,208 (1.6-1)0,5 MO2 = 0, 0624 [Kmol O2/ Kg Comb] MN2 = 0,792 (  Li) = 0,792 (1, 6)(0,5) = 0,6336 [Kmol N2/ Kg Comb]

III.

CANTIDAD TOTAL DE LOS PRODUCTOS DE LA COMBSUTIÓN M2 = M CO2 + M H2O + M O2 + M N2 M2 = 0, 0725 + 0,063 + 0, 0624 +0, 6336 M2 = 0, 8315 [Kmol Prod. Comb. / Kg Comb]

IV.

LOS PARÁMETROS DEL MEDIO AMBIENTE Y DE LOS GASES RESIDUALES

-

Po = 0,1 MPpa = 1 bar

-

To = 293 K Si no tiene intermolecular, el turbocompresor es de baja presión

1,3  1,9 (baja presion)   K = Pk /Po 1,9  2,5 (mediana )  2,5 (alta )  -

Asumo  K =2.42

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-


Pk =  K (Po) = 2.42 (0,1) Pk = 0,242 MPa

-

 Pk  Tk = To   Po 

nk 1 nk

- Tenf

De acuerdo a los datos experimentales el índice politrópico de compresión del aire en el compresor (nk) y en función del grado de enfriamiento con el intermolecular. I. II. III.

Para los compresores a pistón: Para los compresores volumétricos: Para los compresores centrífugos y axiales:

nk = 1,4 – 1,6 nk = 1,55 – 1,75. nk = 1,4 – 2,0.

Seleccionamos: nk = 1,75

 0.242  Tk = 293   0.1 

1, 751 1, 75

-

Tenf

355 K = 427.91 -  Tenf 

Tenf = 72.9 º C

Observación: Internacionalmente se sabe que la temperatura del aire que ingresa al cilind ro del motor no de be ser en extremo. Para los motores diesel turboalimentados no mayor de 100º C entonces, podemos asumir que el sistema de refrigeración (inter cooler) absorbe una temperatura 72.9º C. La temperatura y la presión de los gases residuales podemo s configurarlos considerando que el valor suficientemente alto de la relación d e compresión del motor diesel permite que durante la turbo ali mentación del régimen térmico del motor aumente y aumenten también los valores de Tr y Pr por eso podemos asumir que para los motores diesel turboalimentados.

-

Tr = 740 K

-

Pr = 0,8 Pk = 0,8 (0,242) = Pr = 0,1936 [MPa]

19


V.


PARÁMETROS DEL PROCESO DE ADMISIÓN: La temperatura de calentamiento de la carga fresca para el motor en estudio no tienen un dispositivo especial para el calentamiento de la carga fresca; sin embargo, el calentamiento de la craga del motor, turboalimentado a cuenta de la disminución de la caída térmica entre las piezas del motor y el aire sobrecalentado constituyen una magnitud de calentamiento que se reduce por esto para el motor diesel turboalimentado normalmente se elige la temperatura entre 0 y 10º C y considerando las condiciones ambientales propias de Trujillo podemos seleccionar T = 0 – 10º C. La densidad de la carga en la admisión podemos nosotros calcularlos del siguiente modo:

-

Pk  0,260MPa  ; Ra  287 J Kg/ K  K  Ra T K  Tk  355 K P K 10

 K  -

6

0.242 x10 287 x355

6

= 2.3752 [Kg/m3]

Las pérdidas de presión en la admisión es:

 Elijo :  2   v  4 2    Pa  (  2   v) V  K  Elijo :  V  60 m / s 2    2.3752 Kg / m3  K

 Pa  0,01710 MPa -

Presión al final de la admisión: Pa = Pk -  Pa Pa = 0.242 – 0,01710

20



Pa = 0,2249 Mpa -

El coeficiente de los gases residuales:

 T k  T  P r   T r   P a  P r

 r  

0,1936  355  10    740  17(0,2249)  0,1936

 r  

 r  0,0263 -

Ta =

Ta =

T k  T   r T r 1   r 355  10  0,0257(740) 1  0,0257

Ta = 374.61K -

Eficiencia volumétrica:

 v 

 v 

T k ( P a  P r ) (T k  T )(  1) P k 355(17 x0,2249  0,1936) (355  10)(17  1)0,2420

 v = 0,9117

21


VI.


PARÁMETROS DEL PROCESO DE COMPRESIÓN :

-

Del grafico 25: Para Ta = 374.61 K y   17 : k1 =1.3650

-

Pc = Pa 

k 1

Pc = 0,2249

 171,3650

Pc = 10.75 MPa -

Tc = Ta 

k 11

1, 36501

Tc = 374.61  17 Tc =1053.65 K

Tc

   mCv  = 22,655 [KJ/Kmol]  aire  To

-

Según tabla 5: para Tc = 105 3.65° C:

-

  Según tabla 8: para Tc = 105 3.65º C y   1,6 :  mCv  = 24.415 [KJ/Kmol]  gas es  To

-

Tc Tc Tc     1     mCv    mCv    r  mCv    mezcla To  aire To  gas es  To  1   r

Tc

Tc

1    mCv   22.655  0,0263(24.415) 1  0,0263  mezcla To

mCv  22.7 [KJ/Kmol] mezcla

22


VII. -

PARÁMETROS DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN: Coeficiente teórico de variación molecular:

 0  -

M 2 M 1



8.315 8

  0  1,0394

Coeficiente de variación molecular

 r  -


 0   r 1,0394  0,0263    r  1,0384 1   r 1  0,0263

El poder calórico inferior de la mezcla operante:

Hu

Hu  M 1(1   ) mezcla

r

42,5

Hu = 0.8(1  0,0263) mezcla

Hu  51.763[ MJ / Kg ] mezcla

-

El calor específico molar medio de los productos de la combustión, trabajando en el rango de 1501 a 2800º C: Tz

   mCv  = 23,734  pro ducto s  T 0

3

+1,833  10 Tz [KJ/Kmol ºC]

23

INGENIERIA MECÁNICA Tz

   mCp  =    pro ducto s  T 0


Tz

   mCv  +8,314  pro ducto s  T 0

Tz

   mCp  = 32.048 + 1,833  10 3 Tz [KJ/Kmol ºC]    pro ducto s  T 0 -

Temperatura Tz Tz  z ( Hu)  [(mCv) Tz T 0  8,314 ]tc  2270(   r )   r (mCp) T 0 Tz

El coeficiente de utilización del calor  V , para los modernos motores diesel con cámara de combustión no divididas o de inyección directa y con una adecuada organización de la formación de la mezcla se puede asumir para los motores de aspiración natural diesel  V = 0,82 y para motores turboalimentados teniendo en cuenta que se acompaña con una elevada carga térmica y con la generación de mejores condiciones para el desarrollo de la combustión  V = 0,86. El grado de elevación de la presión en los motores diesel depende fundamentalmente de la magnitud del suministro cíclico de combustible, con el propósito de disminuir las cargas gásicas sobre las piezas del mecanismo biela-manivela, es conveniente tener máxima presión de combustión no mayor de 15 MPa en relación con esto es conveniente asumir para los motores diesel de aspiración natural  =2 y para los motores turboalimentados  =1,5. -

Asumo  =1,5 y  V =0,87

-

 V Humezcla  = 0,87(51.763) = 45033.8 [kJ/Kmol]

-

[(mCvmezcla ) Tz To  8,314 ]t C =[22,688+8,314(1,5)]780.65 =27446.87 [KJ/Kmol]

-

2270(    r ) = 2270(1,5-1,0384) = 1047,83

-

3  r ( mCp) Tz To t Z =1,0384(32.048+1,833  10 tz)tz

24



2  r (mCp) Tz To t Z = 33.279tz +0,0019tz

-

45033.8+27446.87 + 1047.83 = 33.279tz + 0.001 tz = 1984.89º C

2

9tz

Tz=2257.89 K

Tz

   mCv  = 27.372 [KJ/Kmol ºC]  pro ducto s  T 0 Tz

   mCp  = 35.69 [KJ/Kmol ºC]    pro ducto s  T 0 -

La relación de expansión previa:

 

 r T Z  Tc

 

1,0384(2257.89) 1,5(1053.65)

  1.483 -

Pz =  P C Pz = 1,5(10.75) Pz = 16.13 MPa

25

INGENIERIA MECÁNICA VIII. -


PARÁMETROS DEL PROCESO DE EXPANSIÓN:



 

 17  = 1,483  = 11.46

-

Del gráfico 30: Para Tz = 2257.89 y  =11.46

-

P b 

Pb =

 k2 = 1.2610

Pz

 k 2 16.13

11.461, 2610

Pb = 0,745 MPa -

Tb 

Tb =

Tz

 k 2

1

2257.89 11.460, 2610

Tb = 1194.69 K

26

INGENIERIA MECÁNICA IX. -


COMPROBACIÓN DE TEMPERATURA DE LOS GASES RESIDUALES ASUMIDA INICIALMENTE

T b

T r  3

Tr =

P b P r

1194.69 3

0,7447 0,1936

Tr = 762,72 K -

Tr calculado > Tr asumido 762,72 > 740 762,72 > 740 (Se cumple)

27


X. -


PARÁMETROS INDICADOS DEL CICLO OPERATIVO DEL MOTOR DIESEL TURBOALIMENTADO La presión media indicada:

P i ,T  Pa

 n1  1 1 1 [ (   1)  (1  n 21 )  (1  n11 )]   1 n2  1 n1  1  

P i ,T  0,2249

171,365 17  1

[1,5(1,4834  1) 

1,5(1,4834) 1,2610  1

(1 

1 1, 26101

11.46

)

1 1,365  1

(1 

P i ,T = 1,9988 MPa -

Factor diagramático: 0,92 <  i <0,97, Asumo  i = 0,93

-

Pi = 0,93(1,9988) Pi = 1,8589 MPa

-

Rendimiento indicado:

 i 

 i =

P i l o Hu  k nv 1,8589(1,6)14,452

42.5(2.3752)0,9117

 i =0,47 -

Consumo específico indicado de combustible (gi)

28

1 1, 3651

17

)]

INGENIERIA MECÁNICA gi 

gi =


3600 Hu i 3600

42.5(0,47)

gi =181.3755[gr/Kwh]

XI. -

PARÁMETROS EFECTIVOS DEL MOTOR TURBOALIMENTADOS: La presión media de las pérdidas mecánicas: Pm = 0,105 +0,012Vp; donde Vp =

Sn 0,1490(2100) 30

=

30

= 10.43 m/s

Pm = 0,105 +0,012(10.43) Pm = 0,23016 MPa -

Presión media efectiva: Pe = Pi –Pm

-

Pe = 1.8589-0,23016 Pe = 1.6287 MPa Rendimiento mecánico y efectivo:

 m 

 m =

Pe Pi

1.6287 1,8589

29



 m = 0,876 -

 e   i m  e = 0.47(0.876)  e = 0,41

-

Consumo específico de combustible:

ge 

ge=

3600 Hu e 3600

42.5(0,41)

ge = 207.006[gr/Kwh]

30

INGENIERIA MECÁNICA XII.

-


PRINCIPALES PARÁMETROS CONSTRUCTIVOS DEL CILINDRO Y DEL MOTOR:

La cilindrada del motor:

iV h 

iV h =

Ne30 P e n 250(30)4

1.6287(2100)

iV h = 8.77 Lts

-

El diámetro y la carrera de los motores diesel se expresa generalmente bajo la siguiente condición (S/D)>1. Sin embargo, la reducción de esta relación para los motores Diesel así como para los motores a gasolina disminuye la velocidad del pistón y aumenta el rendimiento mecánico por esto es conveniente que en los cálculos de diseño se asuma la relación (S/D)= 1 en este caso el diámetro debe ser igual a:

D = 100

D = 100

4V h

 ( S )(10) 4(1.461867 )

 (0.149)(10)

D = 111.7675mm -

Área del pistón:

A=

  D 2 4

31


A=


 (111.7675) 2 4

A= 9810.8858 mm2

XIII.

PARÁMETROS ENERGÉTICOS Y ECONÓMICOS DEL MOTOR TURBOALIMENTADO Después de haber precisado los principales parámetros constructivos del cilindro y del motor se calcula definitivamente lo siguiente:

-

Ne =

Ne =

P e iV h 30 1.628(8.7712)2100 30(4)

Ne = 250 Kw -

Me =

Me =

Ne(9550) n 250(9550) 2100

Me = 1136.905 Nm -

Me max = 1428 Nm

-

Km =

Memax Me N

32

INGENIERIA MECÁNICA Km =


1428 1136.905

Km = 1,256 -

NeL =

NeL =

NeL -

Ne iV h 250 8.7712 Kw

 28.50[

l

]

Gc = Ne.ge Gc = 250(207.01) Gc = 51751.605 [gr/h]

XIV.

CONSTRUCCIÓN DEL DIAGRAMA INDICADO REAL DEL MOTOR TURBOALIMENTADO: Para los motores diesel el régimen mínimo de velocidad generalmente se asume entre los 350 y los 800 rpm, la frecuencia máxima de rotación del cigüeñal normalmente está limitada por las condiciones de desarrollo cualitativo de las condiciones de trabajo del motor, por los esfuerzos térmicos de las piezas, por la tolerancia de los esfuerzos inerciales y otros. El valor de n min se determina por la estabilidad de trabajo del motor operando a plena carga. Los puntos calculados en la parte termo-energéticos del motor sirven de base para la construcción de las curvas características externas de velocidad, los cuales se pueden calcular mediante las siguientes expresiones o modelos matemáticos.

Por la ecuación de leiderman

33





Ne  Nemax a(

ne

 ne N

)  b(

ne ne N

) 2  c(

ne ne N

Para un motor que posee limitador de frecuencia de giro ( L.F.G) Para un motor de inyección directa.

a 1 b  2. c

M r k n (2  k n ) . 100 ( k n  1) 2

M r

k n

.

100 (k n  1) 2

M r

k n

.

100 (k n  1) 2

k m 

Memax

k n 

n N

Me N

n M





1428 1136.9048

2100 1400

 1.256

 1.5

M r  (k m  1) x100 KM =

Memax Me N

Reemplazando los datos encontramos los coeficientes a,b y c a = 0.2319 ; b = 3.0725 y c = 2.3 Luego remplazando en la ecuación de Leiderman obtenemos la po tencia efectiva y el Torque efectivo: 1. Torque efectivo del motor

34



)3 





3  10 4 Ne x

-

Mex =

2.

La presión media efectiva del motor

-

Pex =

-

 = 4 ; iVh = 8.7712 Lts.

3.

La presión media indicada

-

Pix = Pex +Pmx

-

Pmx = 0,105 +0,012 (

4.

Consumo específico efectivo

-

Gex = geN[1,55 -1,55 (

-

geN = 207[g/kwh] ; nN = 2100 rpm

5.

El consumo horario de combustible

-

Gcx = gex Nex . 10 [kg/h]

6.

La eficiencia volumétrica

 n x

Ne x 30 iVhn x

Sn 30

)

nx nN

) +(

nx nN

)2]

-3

Para el caso de los motores Diesel para la determinación de la eficiencia volumétrica del motor es necesario conocer la ley de variación de la composición de la mezcla (  ) en función de la frecuencia rotacional del motor. En este sentido, sabemos que en los motores diesel con el 35



aumento de la frecuencia rotacional  aumenta algo por esta razón para los motores diesel de 4 tiempos y de inyección directa se puede asumir una variación lineal de  con la siguiente ecuación  min = (0,7-0,8)  N -

Asumido:  min = 1.2

 min = 0,75  N

  1,2 1,6  1,2   0,0002125 n  1400 2100  1400

  0,4  0,0005714n Una vez que se elige la ley de variación de la composición de la mezcla entonces la eficiencia volumétrica será calculada del siguiente modo:

Pe x l o  x ge x

-

 v =

-

lo = 14,452 ;  k =2.3752

3600  k

n (rpm)

Ne (Kw) 1400 1425 1450 1475 1500 1525 1550 1575 1600 1625 1650

Me (Nm) 209.34 213.02 216.59 220.04 223.36 226.55 229.60 232.51 235.26 237.87 240.31

Pm 1428 1427.628705 1426.51482 1424.658345 1422.059281 1418.717626 1414.633382 1409.806548 1404.237123 1397.925109 1390.870505

36

Pe POT 0.18844 0.18993 0.19142 0.19291 0.1944 0.19589 0.19738 0.19887 0.20036 0.20185 0.20334

2.045726331 2.04519442 2.04359869 2.040939138 2.037215767 2.032428574 2.026577561 2.019662728 2.011684074 2.0026416 1.992535305

INGENIERIA MECÁNICA 1675 1700 1725 1750 1775 1800 1825 1850 1875 1900 1925 1950 1975 2000 2025 2050 2075 2100


242.58 244.68 246.60 248.34 249.89 251.24 252.38 253.32 254.05 254.56 254.84 254.89 254.70 254.27 253.59 252.66 251.46 250.00

1383.073311 1374.533528 1365.251154 1355.22619 1344.458637 1332.948494 1320.69576 1307.700437 1293.962524 1279.482021 1264.258929 1248.293246 1231.584973 1214.134111 1195.940658 1177.004616 1157.325984 1136.904762

0.20483 0.20632 0.20781 0.2093 0.21079 0.21228 0.21377 0.21526 0.21675 0.21824 0.21973 0.22122 0.22271 0.2242 0.22569 0.22718 0.22867 0.23016

1.981365189 1.969131254 1.955833497 1.94147192 1.926046523 1.909557305 1.892004266 1.873387407 1.853706728 1.832962227 1.811153907 1.788281766 1.764345804 1.739346022 1.713282419 1.686154996 1.657963753 1.628708688

n (rpm) 1400 Pi POT 1425 1450 1475 1500 1525 1550 1575 1600

ge 2.234166331 2.23512442 2.23501869 2.233849138 2.231615767 2.228318574 2.223957561 2.218532728

Gc 198.9561708 198.4515633 198.0056311 197.6183742 197.2897926 197.0198862 196.8086552 196.6560994

ALFA 41.64954729 42.27477344 42.88628822 43.48372066 44.0666671 44.63468771 45.18730313 45.72399101

37

nv 1.2 1.214285714 1.228571429 1.242857143 1.257142857 1.271428571 1.285714286 1.3

0.825479953 0.832971889 0.84022172 0.847225316 0.853977863 0.860473814 0.86670685 0.872669826

INGENIERIA MECÁNICA 1625 1650 1675 1700 1725 1750 1775 1800 1825 1850 1875 1900 1925 1950 1975 2000 2025 2050 2075 2100


2.212044074 2.2044916 2.195875305 2.186195189 2.175451254 2.163643497 2.15077192 2.136836523 2.121837305 2.105774266 2.088647407 2.070456728 2.051202227 2.030883907 2.009501766 1.987055804 1.963546022 1.938972419 1.913334996 1.886633753 1.858868688

196.562219 196.5270138 196.5504839 196.6326293 196.77345 196.972946 197.2311173 197.5479638 197.9234857 198.3576828 198.8505553 199.402103 200.012326 200.6812243 201.4087979 202.1950467 203.0399709 203.9435704 204.9058451 205.9267951 207.0064205

46.24418261 46.74725935 47.23254942 47.69932434 48.14679555 48.57411096 48.98035157 49.36452801 49.72557715 50.06235865 50.37365156 50.65815089 50.91446417 51.14110806 51.33650492 51.49897937 51.62675488 51.71795035 51.77057669 51.7825334 51.75160511

38

1.314285714 1.328571429 1.342857143 1.357142857 1.371428571 1.385714286 1.4 1.414285714 1.428571429 1.442857143 1.457142857 1.471428571 1.485714286 1.5 1.514285714 1.528571429 1.542857143 1.557142857 1.571428571 1.585714286 1.6

0.878354736 0.883752658 0.888853716 0.89364703 0.898120676 0.902261634 0.906055749 0.909487682 0.912540866 0.915197463 0.917438312 0.919242893 0.920589275 0.921454073 0.921812402 0.921637835 0.920902352 0.919576301 0.917628349 0.915025436 0.911732734



CURVAS CARACTERISTICAS DE DISEÑO

39



40



41



42



43



DIAGRAMA INDICADO REAL DE UN MOTOR DIESEL TURBO ALIMENTADO

P (MPa) Pz` Pl Pd

Pc`

z`

z

z`` l

d

w+

c`

b b`

Pb` Pc

c e

Pe Pr`` Pr Pr`

r

r``

a` w+

a

r`

V (Lts.) Vc`

Va`

Vl

Pr = 0.193MPa Vc`= Vz` = 0.0913 Lts. Pa` = 0.2249 MPa Va` = Vb` = 1.553 Lts. Pb` = 0.745 MPa Pc` = 10.75 MPa Pz` =16.13 MPa

 = 0.3  = 1,4834

44



 = 11.4599  = 17 i=6 iVh =8.7712 Lts. Vh = 1.4619 Lts.

45

INGENIERIA MECÁNICA Tramo a`c`: -

n1


n1

PV = k1 1,365

k1 = Pa`Va` = 0,2249 (1.553) k1 = 0.4101

-

Para valores intermedios entre a`y c`:

Px1Vx11,365 = 0,4101

PUNTO Vc' 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

SEPARACION 0.029237302 TRAMO a'c' V(lts) P(Pa) 0.091366568 0.12060387 0.149841172 0.179078474 0.208315776 0.237553078 0.26679038 0.296027682 0.325264984 0.354502285 0.383739587 0.412976889 0.442214191 0.471451493 0.500688795 0.529926097 0.559163399 0.588400701 0.617638003 46

10753481.13 7361488.895 5473778.568 4291602.998 3491145.998 2918169.12 2490585.671 2161001.849 1900289.769 1689638.403 1516400.071 1371782.044 1249496.83 1144938.699 1054662.769 976045.0565 907054.5082 846096.4414 791902.725



20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48

0.646875304 0.676112606 0.705349908 0.73458721 0.763824512 0.793061814 0.822299116 0.851536418 0.88077372 0.910011021 0.939248323 0.968485625 0.997722927 1.026960229 1.056197531 1.085434833 1.114672135 1.143909437 1.173146739 1.20238404 1.231621342 1.260858644 1.290095946 1.319333248 1.34857055 1.377807852 1.407045154 1.436282456 1.465519757

743453.2779 699918.995 660619.6118 624992.1619 592567.0637 562949.7784 535806.5915 510853.481 487847.3229 466578.8845 446867.1971 428555.0048 411505.0564 395597.0666 380725.2091 366796.038 353726.7538 341443.7507 329881.3931 318980.9804 308689.8676 298960.7156 289750.8485 281021.7013 272738.3441 264869.0697 257385.0356 250259.9526 243469.8121 47



49 50 Va'

1.494757059 1.523994361 1.553231663

236992.6482 230808.3276 224898.3658

48


Tramo b`z``: -


n2

PV = k3

k3 = Pb`Vb`n2 = 0,74475 (1,4275)1,261 k3 = 1,17

-

Vz`` = (k3/Pz``)

(1/n2)

Vz`` = (1.17/16.13)

(1/1,261)

Vz`` = 0.12456 Lts.

-

Para valores intermedios de z`` y b`:

Px3Vx3

1,265

= 1.17

49



PUNTO Vz''

SEPARACION 0.026059194 TRAMO b'z'' V(lts) P(Pa) 0.124566788 16130221.7 0.150625982 12694360.6 0.176685176 10380618.97 0.20274437 8727304.97 0.228803564 7493073.99 0.254862758 6540188.257 0.280921952 5784636.232 0.306981146 5172431.348 0.33304034 4667389.832 0.359099534 4244403.63 0.385158728 3885535.449 0.411217922 3577649.224 0.437277116 3310917.281 0.46333631 3077849.026 0.489395504 2872641.058 0.515454698 2690731.536 0.541513892 2528487.922 0.567573087 2382983.915 0.593632281 2251837.327 0.619691475 2133090.395 0.645750669 2025120.167 0.671809863 1926570.533 0.697869057 1836300.073 0.723928251 1753341.594 0.749987445 1676870.433 0.776046639 1606179.39 50



Vb'

0.802105833 0.828165027 0.854224221 0.880283415 0.906342609 0.932401803 0.958460997 0.984520191 1.010579385 1.036638579 1.062697773 1.088756968 1.114816162 1.140875356 1.16693455 1.192993744 1.219052938 1.245112132 1.271171326 1.29723052 1.323289714 1.349348908 1.375408102 1.401467296 1.42752649

51

1540658.737 1479780.155 1423083.719 1370167.29 1320677.805 1274304.092 1230770.896 1189833.898 1151275.531 1114901.455 1080537.57 1048027.475 1017230.297 988018.8351 960277.9537 933903.2036 908799.6219 884880.6914 862067.4315 840287.6038 819475.0161 799568.9091 780513.4161 762257.0861 744752.4604


1.


Inicio de la combustión (tramo c-d):

-

Asumido: nk = 1.9, donde nk > (n1 =1,366)

-

Vc = Vc`+ Vh/2 [1-cos(360-  x1 )+

 4

Px1=k2/Vx2nk

(1-cos(720-2  x1 ))]

Asumiendo  x1 = 12º;   0.3 ( asumido) Vc = 0.112 Lts.

Pc = k3/( Vcnk )  1.27 x105 / 0.1121.9  8.13 x106 Pa

52


-

Para valores intermedios entre c y d:


5

Px1=1.27x10 /Vx2

Vd

1.9

separacion PRUEBA 0.000414241 TRAMO c d V(lts) P(Pa) 0.091366568 11995616.48 0.09178081 11892958.07 0.092195051 11791634.59 0.092609292 11691622.79 0.093023533 11592899.95 0.093437775 11495443.83 0.093852016 11399232.66 0.094266257 11304245.14 0.094680498 11210460.45 0.09509474 11117858.18 0.095508981 11026418.37 0.095923222 10936121.49 0.096337463 10846948.41 0.096751705 10758880.39 0.097165946 10671899.1 0.097580187 10585986.58 0.097994429 10501125.24 0.09840867 10417297.86 0.098822911 10334487.57 0.099237152 10252677.85 0.099651394 10171852.49 0.100065635 10091995.65 0.100479876 10013091.77 53



Vc

0.100894117 0.101308359 0.1017226 0.102136841 0.102551082 0.102965324 0.103379565 0.103793806 0.104208047 0.104622289 0.10503653 0.105450771 0.105865012 0.106279254 0.106693495 0.107107736 0.107521977 0.107936219 0.10835046 0.108764701 0.109178942 0.109593184 0.110007425 0.110421666 0.110835907 0.111250149 0.11166439 0.112078631

9935125.622 9858082.286 9781947.129 9706705.813 9632344.282 9558848.758 9486205.731 9414401.956 9343424.446 9273260.465 9203897.521 9135323.366 9067525.982 9000493.582 8934214.605 8868677.705 8803871.752 8739785.824 8676409.204 8613731.375 8551742.013 8490430.988 8429788.354 8369804.349 8310469.389 8251774.065 8193709.137 8136265.534

54


2. Combustión Visible (tramo d-z-l): -


2

(Vx2-Vz) = 4 k4 (Px2-Pz)

Vz = (Vz`+Vz``)/2 Vz = 0.12 Lts.(asumindo)

-

K5 =

K5 =

(Vd  Vz ) 2 4( Pd  Pz ) (0,09136  0,12) 2 4(11.99  16.13)

K5 = -4.95  10

5

55


-


Para vL:

 (Vx 2  Vz ) 2  Pz  Parábola (combustión ) : Px2  4k 4   Politrópic a(escape) : Px2  k 3  Vx4 n 2 Solución: vL = 0,1421 Lts. -

n2

PL =(k3/vL ) 1,261 PL=(1.17/0,1421 ) PL = 13.7 MPa

-

Para valores intermedios de d, z, L:

Px2 =

(Vx2 - 0,12) 2 4(-4.9510-5 )

separacion

Vz'

 16.07 PRUEBA 0.00101564 TRAMO d P(Pa) 0.091366568 0.092382209 0.093397849 0.09441349 0.09542913 0.096444771 56

zl 11995616.48 12283727.06 12561433.72 12828736.44 13085635.25 13332130.13



Vz

0.097460411 0.098476052 0.099491692 0.100507332 0.101522973 0.102538613 0.103554254 0.104569894 0.105585535 0.106601175 0.107616816 0.108632456 0.109648097 0.110663737 0.111679377 0.112695018 0.113710658 0.114726299 0.115741939 0.11675758 0.11777322 0.118788861 0.119804501 0.120820141 0.121835782 0.122851422 0.123867063 0.124882703 0.125898344 57

13568221.08 13793908.11 14009191.21 14214070.39 14408545.64 14592616.96 14766284.37 14929547.84 15082407.39 15224863.02 15356914.72 15478562.49 15589806.34 15690646.27 15781082.27 15861114.34 15930742.49 15989966.71 16038787.01 16077203.39 16105215.83 16122824.36 16130028.95 16126829.63 16113226.37 16089219.2 16054808.09 16009993.06 15954774.11



Vl

0.126913984 0.127929625 0.128945265 0.129960905 0.130976546 0.131992186 0.133007827 0.134023467 0.135039108 0.136054748 0.137070389 0.138086029 0.13910167 0.14011731 0.14113295 0.142148591

58

15889151.23 15813124.43 15726693.7 15629859.04 15522620.46 15404977.96 15276931.52 15138481.17 14989626.89 14830368.68 14660706.55 14480640.49 14290170.51 14089296.6 13878018.77 13656337.01



3. Proceso de Escape (tramo b-e-a-r-r`): -

Escape Libre(tramo b-e)

-

Pe =

Pe =

2

(Px3-Pe) = 4k5 (Vx3-Ve)

( Pb  ` Pa`) 2 (0,669  0,100) 2

Pe = 0,3847 MPa -

Ve = Vc`+Vh Ve = 0,0913 +1.4618 59


-


Ve = 1.5553 Lts Asumo  x1 =40º para: Vb = Vc`+ Vh/2 [1-cos (540-  x1 )+

 4

(1-cos2 (540-  x1 ))]

Vb = 1.42 Lts -

Pb = k3 (Vb)-n2 -1,261

Pb = 1.17 (1.427) Pb = 0.744 MPa

-

k5 =

k5 =

( Pb  Pe) 2 4(Vb  Ve) (0.744  0,3847 ) 2 4(1.42  1.553)

k5 = -0.2427 -

Para valor intermedios entre b y e: Px3 =0,3847 +2

Vb

 0,2427(Vx3  1.553) separacion 0.002514103 TRAMO b e V(lts) P(Pa) 1.42752649 1.430040594 1.432554697 1.435068801 1.437582904

60

744752.4604 741134.5875 737479.6052 733786.3478 730053.5868



1.440097007 1.442611111 1.445125214 1.447639318 1.450153421 1.452667525 1.455181628 1.457695732 1.460209835 1.462723939 1.465238042 1.467752146 1.470266249 1.472780352 1.475294456 1.477808559 1.480322663 1.482836766 1.48535087 1.487864973 1.490379077 1.49289318 1.495407284 1.497921387 1.50043549 1.502949594 1.505463697 1.507977801 1.510491904

726280.0271 722464.3007 718604.9618 714700.4799 710749.2326 706749.4984 702699.4471 698597.1306 694440.4716 690227.2517 685955.0971 681621.4631 677223.6166 672758.6158 668223.287 663614.1985 658927.6301 654159.5378 649305.5132 644360.7356 639319.916 634177.2307 628926.2428 623559.8071 618069.9567 612447.7638 606683.1692 600764.7711 594679.5596 61



Ve

1.513006008 1.515520111 1.518034215 1.520548318 1.523062422 1.525576525 1.528090629 1.530604732 1.533118835 1.535632939 1.538147042 1.540661146 1.543175249 1.545689353 1.548203456 1.55071756 1.553231663

588412.5802 581946.5008 575261.046 568332.2465 561131.4212 553623.769 545766.3678 537505.2444 528770.9265 519471.3875 509480.2339 498615.5005 486597.9087 472957.3292 456777.0818 435690.5729 384783.2372

62


Escape forzado (tramo e-a): -

Va = Vb = 1.42 Lts

-

Po = Pe = 0.3847 MPa


(Px4-Po)2 +(Vx4-Vo)2 = Ro2

63



Ro = Ve – Vo = 1.553 – Vo Pa = 0.109 Mpa

-

Para el punto a: (Pa-Po )2 +(Va-Vo)2 = Ro2 Solución Vo = 0,18053

-

Ro = Ve- Vo Ro = (1.555-0,18) Ro = 6.589*10

-

5

Para valores intermedios entre e y a: Px4 = 0,3847 + 6.589

Ve

2

 (0,18053  Vx4) 2

sepracion 0.002514103 TRAMO ea V(lts) P(Pa) 1.5532317 384783.2371639 1.5507176 344923.2878141 1.5482035 328438.5964400 1.5456894 315807.0896314 1.5431752 305173.0196506 1.5406611 295817.2214581 1.5381470 287370.6887802 1.5356329 279614.1132320 1.5331188 272404.5377205 1.5306047 265642.6187228 1.5280906 259255.9921114

64



1.5255765 1.5230624 1.5205483 1.5180342 1.5155201 1.5130060 1.5104919 1.5079778 1.5054637 1.5029496 1.5004355 1.4979214 1.4954073 1.4928932 1.4903791 1.4878650 1.4853509 1.4828368 1.4803227 1.4778086 1.4752945 1.4727804 1.4702662 1.4677521 1.4652380 1.4627239 1.4602098 1.4576957 1.4551816

253190.0042362 247402.1756298 241858.7095345 236532.1914951 231400.0180698 226443.2906203 221646.0162204 216994.5174689 212476.9880881 208083.1525623 203804.0015045 199631.5831193 195558.8368741 191579.4593836 187687.7951920 183878.7470260 180147.7014350 176490.4667121 172903.2207020 169382.4666377 165924.9955448 162527.8540571 159188.3167219 155903.8620500 152672.1517118 149491.0123859 146358.4198604 143272.4850526 140231.4416716 65



Va

1.4526675 1.4501534 1.4476393 1.4451252 1.4426111 1.4400970 1.4375829 1.4350688 1.4325547 1.4300406 1.4275265

137233.6352947 134277.5136630 131361.6180353 128484.5754608 125645.0918557 122841.9457821 120073.9828457 117340.1106367 114639.2941529 111970.5516480 109332.9508594

66



67



Barrido (a-r`-r): -

Tramo (a-r`):

P = Pa = 0,1093 Mpa

Va

separacion 0.025585077 TRAMO a r' V(lts) P(Pa) 1.4275265 109332.9508594 1.4019414 109332.9508594 1.3763563 109332.9508594 1.3507713 109332.9508594 1.3251862 109332.9508594 1.2996011 109332.9508594 1.2740160 109332.9508594 1.2484309 109332.9508594 1.2228459 109332.9508594 1.1972608 109332.9508594 1.1716757 109332.9508594 1.1460906 109332.9508594 1.1205056 109332.9508594 1.0949205 109332.9508594 1.0693354 109332.9508594 1.0437503 109332.9508594 1.0181653 109332.9508594 0.9925802 109332.9508594 0.9669951 109332.9508594 0.9414100 109332.9508594 0.9158249 109332.9508594 0.8902399 109332.9508594 0.8646548 109332.9508594 68



Vr'

0.8390697 0.8134846 0.7878996 0.7623145 0.7367294 0.7111443 0.6855592 0.6599742 0.6343891 0.6088040 0.5832189 0.5576339 0.5320488 0.5064637 0.4808786 0.4552936 0.4297085 0.4041234 0.3785383 0.3529532 0.3273682 0.3017831 0.2761980 0.2506129 0.2250279 0.1994428 0.1738577 0.1482726

109332.9508594 109332.9508594 109332.9508594 109332.9508594 109332.9508594 109332.9508594 109332.9508594 109332.9508594 109332.9508594 109332.9508594 109332.9508594 109332.9508594 109332.9508594 109332.9508594 109332.9508594 109332.9508594 109332.9508594 109332.9508594 109332.9508594 109332.9508594 109332.9508594 109332.9508594 109332.9508594 109332.9508594 109332.9508594 109332.9508594 109332.9508594 109332.9508594

69


Tramo (r`-r):


2

(Px5-Pr) = 4 k6 (Vx5-Vr)

-

Pr = 0,1936 MPa ; Vr = Vc`= 0,0913 Lts.

-

Pr´= Pa = 0,1093 MPa; Vr`= VL = 0,1483 Lts.

70


-

K6 =

K6 =


(Pr´ Pr) 2 4(Vr `Vr ) (0,1093  0,1936) 2 4(0,1483  0,0913)

K6 = 0,0311 -

Para valores intermedios entre r y r`:

Px5  0,1936  4(0,0311)  (Vx5  0,0913) 2

Vr'

separacion 0.001138121 TRAMO r' r V(lts) P(Pa) 0.1482726 109332.9508594 0.1471345 109366.6576791 0.1459964 109467.7781380 0.1448583 109636.3122363 0.1437201 109872.2599739 0.1425820 110175.6213508 0.1414439 110546.3963670 0.1403058 110984.5850226 0.1391677 111490.1873174 0.1380295 112063.2032516 0.1368914 112703.6328250 0.1357533 113411.4760378 0.1346152 114186.7328899 0.1334770 115029.4033813 71



0.1323389 0.1312008 0.1300627 0.1289246 0.1277864 0.1266483 0.1255102 0.1243721 0.1232340 0.1220958 0.1209577 0.1198196 0.1186815 0.1175434 0.1164052 0.1152671 0.1141290 0.1129909 0.1118527 0.1107146 0.1095765 0.1084384 0.1073003 0.1061621 0.1050240 0.1038859 0.1027478 0.1016097 0.1004715

115939.4875120 116916.9852821 117961.8966914 119074.2217401 120253.9604280 121501.1127553 122815.6787219 124197.6583278 125647.0515730 127163.8584576 128748.0789814 130399.7131446 132118.7609470 133905.2223888 135759.0974699 137680.3861903 139669.0885500 141725.2045490 143848.7341874 146039.6774650 148298.0343820 150623.8049383 153016.9891339 155477.5869688 158005.5984430 160601.0235565 163263.8623094 165994.1147015 168791.7807330 72



Vr

0.0993334 0.0981953 0.0970572 0.0959191 0.0947809 0.0936428 0.0925047 0.0913666

171656.8604038 174589.3537139 177589.2606633 180656.5812520 183791.3154800 186993.4633474 190263.0248540 193600.0000000

73



74


Vr


(Px6-Pr)2 = 4 k6 (Vx6-Vr)

4.

Proceso de Admisión (r-r``-a`):

-

Para valores intermedios: Px6  0,1936 

4(0,0311)  (Vx6  0,09133) 2

separacion 0.002506727 TRAMO r r'' V(lts) P(Pa) 0.0913666 193600.0000000 Vr'' 0.0938733 198026.2573401 0.0963800 199859.6731609 0.0988868 201266.5026004 0.1013935 202452.5146802 0.1039002 203497.4122984 0.1064069 204442.0719535 0.1089137 205310.7761607 0.1114204 206119.3463218 0.1139271 206878.7720203 0.1164338 207597.0547047 0.1189406 208280.2348227 0.1214473 208933.0052008 0.1239540 209559.0977981 0.1264608 210161.5384723 0.1289675 210742.8209642 0.1314742 211305.0293604 0.1339809 211849.9265394 0.1364877 212379.0194828 0.1389944 212893.6084436 0.1415011 213394.8245967

separacion 0.026730575 TRAMO r'' a' V(lts) P(Pa) 0.216702932 224898.3658046 0.2434335 224898.3658046 0.2701641 224898.3658046 0.2968947 224898.3658046 0.3236252 224898.3658046 0.3503558 224898.3658046 0.3770864 224898.3658046 0.4038170 224898.3658046 0.4305475 224898.3658046 0.4572781 224898.3658046 0.4840087 224898.3658046 0.5107393 224898.3658046 0.5374698 224898.3658046 0.5642004 224898.3658046 0.5909310 224898.3658046 0.6176616 224898.3658046 0.6443921 224898.3658046 0.6711227 224898.3658046 0.6978533 224898.3658046 0.7245838 224898.3658046 0.7513144 224898.3658046

75

INGENIERIA MECÁNICA 0.1440078 0.1465146 0.1490213 0.1515280 0.1540348 0.1565415 0.1590482 0.1615549 0.1640617 0.1665684 0.1690751 0.1715818 0.1740886 0.1765953 0.1791020 0.1816088 0.1841155 0.1866222 0.1891289 0.1916357 0.1941424 0.1966491 0.1991558 0.2016626 0.2041693 0.2066760 0.2091828 0.2116895 0.2141962


213883.6593063 214360.9871850 214827.5844819 215284.1439070 215731.2867005 216169.5725493 216599.5078013 217021.5523213 217436.1252552 217843.6099049 218244.3578789 218638.6926437 219026.9125799 219409.2936243 219786.0915645 220157.5440406 220523.8722978 220885.2827280 221241.9682293 221594.1094095 221941.8756555 222285.4260856 222624.9104004 222960.4696453 223292.2368951 223620.3378708 223944.8914962 224266.0104017 224583.8013807

0.7780450 0.8047756 0.8315061 0.8582367 0.8849673 0.9116979 0.9384284 0.9651590 0.9918896 1.0186202 1.0453507 1.0720813 1.0988119 1.1255425 1.1522730 1.1790036 1.2057342 1.2324648 1.2591953 1.2859259 1.3126565 1.3393871 1.3661176 1.3928482 1.4195788 1.4463094 1.4730399 1.4997705 1.5265011

224898.3658046 224898.3658046 224898.3658046 224898.3658046 224898.3658046 224898.3658046 224898.3658046 224898.3658046 224898.3658046 224898.3658046 224898.3658046 224898.3658046 224898.3658046 224898.3658046 224898.3658046 224898.3658046 224898.3658046 224898.3658046 224898.3658046 224898.3658046 224898.3658046 224898.3658046 224898.3658046 224898.3658046 224898.3658046 224898.3658046 224898.3658046 224898.3658046 224898.3658046 76

INGENIERIA MECÁNICA Vr''

0.2167029


224898.3658046 Va'

1.5532317

224898.3658046

77



78



CONSTRUCCION DE LA CURVA REAL P-V

79



80



81


XV.


BALANCE TERMOENERGÉTICO DEL MOTOR TURBOALIMENTADO a.

Cantidad de calor introducido al motor con el combustible Q=

Q=

HuGc 3,6 51.76(51751.605 ) 3,6

Q = 744.118 [kW]

b.

El calor equivalente al trabajo efectivo por cada segundo Qe = Ne Qe = 250 [kW]

c.

El calor transferido al sistema de refrigeración Qref = CiD

1+2m

m

n

Qref = CiD1+2m nm C: i: D: m: n:

1

 1



Constituye un coeficiente de proporcionalidad que comúnmente varía entre 0,45 y 0,53 Numero de cilindros. Diámetro del cilindro en centímetros. Es un índice exponencial experimental que para los motores de 4 tiempos es m = 0,60 – 0,70 Es la frecuencia rotacional del cigüeñal del motor (rpm)

82



 Elijo : c  0,5 i  6  1+2m m 1  Qref = CiD n  D  11.17   m  0,65  n  2100rpm Qref = 69.75 [kW] d.

La cantidad de calor que se llevan lo s gases de escape Qgas =

Gc 3600

[ M 1(mCv) gas estr  M 1(mCv) c arg a tk ]

5. Según tabla 5 : Para tk= 82º C: (mCv) = 20,80 [kJ/kmol] 6. Según tabla 8: Para tr = 489.47º C: (mCv) = 23,21 [kJ/kmol] Qgas =

51751.605 3600

[0,800(23.21) 489.47  0,8(20,80)82]

Qgas = 111.04 [kJ/kmol]

e.

La cantidad de calor no considerado en los casos anteriores llamado también calor residual. Qrest = Q comb – (Qe +Q ref +Q gases) Qrest = 744.41 – (250 +69.75+111.04) Qrest = 313.33 [kW]

83



BALANCE TÉRMICO Qe Qref Qgases Qr Qt introducido al motor

7.

Torque efectivo del motor

-

Mex =

8.

La presión media efectiva del motor

-

Pex =

-

 = 4 ; iVh = 8.7712 Lts.

9.

La presión media indicada

-

Pix = Pex +Pmx

-

Pmx = 0,105 +0,012 (

MOTOR DIESEL TURBOALIMENTADO Q(kJ/s) q(%) 250 33.59 69.75 9.37 111.04 14.92 313.33 42.11 744.12 100

3  10 4 Ne x

 n x

Ne x 30 iVhn x

Sn 30

)

10. Consumo específico efectivo -

Gex = geN[1,55 -1,55 (

nx nN

) +(

nx nN

2

)]

84


-


geN = 207[g/kwh] ; nN = 2100 rpm

11. El consumo horario de combustible -

-3

Gcx = gex Nex . 10 [kg/h]

12. La eficiencia volumétrica Para el caso de los motores Diesel para la determinación de la eficiencia volumétrica del motor es necesario conocer la ley de variación de la composición de la mezcla (  ) en función de la frecuencia rotacional del motor. En este sentido, sabemos que en los motores diesel con el aumento de la frecuencia rotacional  aumenta algo por esta razón para los motores diesel de 4 tiempos y de inyección directa se puede asumir una variación lineal de  con la siguiente ecuación  min = (0,7-0,8)  N -

 min = 0,75  N

Asumido:

 min = 1.2   1,2 n  1400



1,6  1,2 2100  1400

 0,0002125

  0,4  0,0005714n Una vez que se elige la ley de variación de la composición de la mezcla entonces la eficiencia volumétrica será calculada del siguiente modo:

Pe x l o  x ge x

-

 v =

-

lo = 14,452;  k =2.3752

3600  k

13. El coeficiente de adaptabilidad por torque y por frecuencia de giro

85


I.


CONSTRUCCIÓN DE CURVAS CARACTERÍSTICAS DE CARGA DEL MOTOR -

Ne utilizada =

-

Nm =

Nm =

Nemax  c arg a(%) 100

; Ne max = 250 kW

Pm x iVh n x 30 0,2302(8.7712)2100 30(4)

Nm = 35.33 [kW] -

Ni = Ne + Nm

-

nm = (Ne/Ni)  100

-

ni = (1 

-

Asumo n cc = 0,98

-

n D = 1-

n D = 1-

1



n 21

)ncc n D n  i  100

0,5( D  15) 100 0,5(11.18  15) 100

n D = 1.019

86


 i =0,93 ;   17 ; n2  1,261

-

ne = ni nm

-

ge =

-

Gc =

3600 Hu ne


; Hu = 42.5

geNe kg [ ] 1000 h

87



RESULTADOS:

Porcentaje de carga 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Porcentaje de carga

Ne utilizada (Kw) Ni (Kw) 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250

ne (%)

ηi (%)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Nm 60.33 85.33 110.33 135.33 160.33 185.33 210.33 235.33 260.33 285.33

55.82 54.44 53.16 52.01 50.97 50.06 49.27 48.59 48.03 47.57

23.13 31.90 36.14 38.43 39.74 40.52 40.99 41.29 41.51 41.68

alfa

ηm (%)

35.32860137 35.32860137 35.32860137 35.32860137 35.32860137 35.32860137 35.32860137 35.32860137 35.32860137 35.32860137

ge (gr/Kw-H) Gc (Kg/H) 300.6337897 7.52 218.0324335 10.90 192.4361196 14.43 180.9544456 18.10 175.0104879 21.88 171.6413509 25.75 169.6675664 29.69 168.4235981 33.68 167.5435625 37.70 166.852073 41.71

88

41.44 58.60 67.98 73.89 77.96 80.94 83.20 84.99 86.43 87.62

n alfa 5.00 4.23 3.55 2.98 2.50 2.12 1.84 1.66 1.58 1.60

1.15 1.12 1.10 1.07 1.05 1.03 1.01 1.00 0.99 0.98



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90



91

INGENIERIA MECÁNICA 8. 



   


CONCLUSIONES La temperatura del aire a la salida del compresor alcanza los 82º C, por lo cual es obliga el uso d e un intercooler o sistema de refrigeración que d isminuya la temperatura del aire antes de ingresar a la cámara de combustión. La presión máxima en la cámara de combustión llega a 14,5 Mpa, lo cual no sobrepasa los límites presión permitidos (15 MPa), así como la temperatura máxima de combustión llega a ser 225 7.89º C, el cual también es un valor aceptable. El porcentaje de calor de combustión que se convirtió en trabajo fue de 33.59 %, mientras que el sistema de refrigeración absorbió el 9.34 % del calor total. Se pudo calcular que el consumo específico efectivo mínimo es de 196.5 g/kwh y se obtiene cuando el motor gira a 1610 rpm aproximadamente. El torque máximo del motor analizado es de 1428 Nm y se alcanza a 1400 rpm, lo cual nos dice que el motor desarrolla su máxima fuerza a baja velocidad. Como se puede apreciar en la grafica del d iagrama indicado real del motor el trabajo en el proceso de admisión es p ositivo, debido a la elevación de la presión por parte del compresor.

9. RECOMENDACIONES Mientras el turbocompresor ayuda al motor en la compensaci ón de altura y aumento de f uerza y el intercooler aumenta mas potencia todavía, ambos requieren mayores cuidados en su mantenimiento. 







El único sistema de refrigeración del turbocompresor es el aceite que viene del cárter y alcanza l os 280° C. Por lo que e s necesario contar con un aceite que garantice su desempeño como los aceites API grupo II, sintetizados o sintéticos. El motor turboalimentado, después de operar en carretera, siempre debería enfriarse entre 3 a 5 minutos antes de ser apagado. Cuando se apaga el motor con el cojinete caliente, se corta la circulación del aceite, cocinando el aceite en el cojinete. Si vuelve a encender el motor (con el aceite cocinado sobre el cojinete y el cojinete caliente) éste podrá agriparse. El motor turboalimentado normalmente tiene un enfriador de aceite como parte del sistema de refrigeración del motor para reducir la temperatura del aceite antes de volver al cárter. Para aprovechar la máxima vida útil del turbocompresor, se requiere un refrigerante de máxi ma tecnología. Uno que tenga la máxima transferencia de calor y mayor inhibición de depósitos, que evite la cavitación y corrosión. (En nuestro boletín 11 encontrará más información sobre las diferentes formulaciones de refrigerantes). El motor turboalimentado requiere lubricación instantánea. Es por eso que la bomba de aceite en el cárter tiene dos salidas de aceite. Entonces la viscosidad del aceite es determinante. Si el aceite es muy viscoso, demora en alcanzar el turbocompresor, causando mayor desgaste. No se recomiendan aceites monogrados en motores equipados con turbocompresor. El turbocompresor está diseñado de tal modo que suele durar lo mismo que el motor. No precisa de mantenimiento especial; limi tándose sus inspecciones a unas comprobaciones periódicas.





Para garantizar que la vida útil del turbocompresor se corresponda con la del motor, deben cumplirse de forma estricta las sig uientes instrucciones de mantenimiento del motor que proporciona el f abricante: Intervalos de cambio de aceite

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INGENIERIA MECÁNICA   


Mantenimiento del sistema de filtro de aceite Control de la presión de aceite Mantenimiento del sistema de filtro de aire El 90% de todos los fallos que se producen en turbocompresores se debe a las siguientes causas:

   

Penetración de cuerpos extraños en la turbina o en el compresor Suciedad en el aceite Suministro de aceite poco adecuado (presión de aceite/sistema de fil tro) Altas temperaturas de gases de escape (sistema de arranque/sistema de inyección). Estos fallos se pueden evitar con un mantenimiento frecuente. Cuando, por ejemplo, se efectúe el mantenimiento del sistema de filtro de aire se debe tener cuidado de que no se in troduzcan fragmentos de material en el turbocompresor.

 

Diagnóstico de fallos Si el motor no funciona de forma correcta, no se debe dar por asumido que el fallo viene provocado por el turbocompresor. Suele suceder que se sustituyen turbocompresores que funcionan perfectamente pese a que el fallo n o se encuentra en éstos, sino en el motor. Solamente tras verificar todos estos puntos se debe verificar la presencia de fallos en el t urbocompresor. Como los componentes del turbocom presor se fabrican en máquinas de alta precisión con míni mas tolerancias y las ruedas giran a una velocidad de hasta 300.000 rpm, l os turbocompresores sólo deben ser inspeccionados por especialistas que dispongan de cualificación.

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14. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 

Jovaj M.S. “Motores de Automóvil” Editorial.MIR.1979.Moscú.

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ANEXOS

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Figura 25 97



Figura 30

TABLA 8

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Informe de Motores

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