UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
Facultad de Ingeniería Mecánica
Motor Rouston PROFESOR
:
Villavicencio
CURSO
:
Lab. de Ing. Mecánica III
CÓDIGO
:
MN - 464
ALUMNOS ALUMNOS
:
Loza Mauricio, Percy Mariluz Noel, Dennis Nuñez, arlos Peña Pozo, !ulio Vargas Mendiola, !ulio
2002-II
INDICE
1.- Introducción
.......................................... ()
2.- Objetivos
.......................................... ()
3.3.- Fund Fundam amen ento to Teór Teóric ico o
.... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. ()
4.- Equios
.......................................... ()
!.- "rocedimientos
.......................................... ()
#.#.- $ato $atoss E%e E%eri rime ment nta& a&es es
.... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. ()
'.- &cu&os
.......................................... ()
*.- +esu&tado
.......................................... ()
,.- onc&usiones Observaciones +eco +ecom menda endaci cion ones es
/ib&io0raa ndice
..... ...... .... ........ ...... .... .... .... .... .... ........ ...... .... .... .... .... .... ()
1.- INTRODUCCIÓN Existen en la actualidad muchas razones por las cuales los motores de combustión interna son estudiados; entre estas podemos mencionar que compiten con otros tipos de máquinas térmicas y en muchos casos se imponen ampliamente. En la mayora de los casos la clase de ser!icios es el "actor #rincipal para su uso. $a más amplia aplicación de los motores de combustión interna se da en el trasporte; En automó!iles% camiones y a!iones. En todos los casos la simplicidad de operación y el ba&o peso son "actores decisi!os. #uede notarse que en peque'as plantas estacionarias de potencia y peque'as industrias% la simplicidad y el ba&o costo de operación son "actores decisi!os para su uso en comparación con la máquinas de !apor o eléctricas. (ambién su uso en )randes plantas de potencia para la producción de electricidad o en la propulsión de barcos y locomotoras es di"undido debido a cierta economa de su combustible. *inalmente nos permite una me&or utilización de la ener)a calor"ica del combustible y su expansión posible en los próximos a'os podra deri!arse de su adaptabilidad a di"erentes combustible. #or tanto debido a la )ran di"usión de los motores de combustión interna% es que se hace indispensable un conocimiento% tanto teórico como práctico% de ellos. +iendo en consecuencia la "inalidad de este ensayo la capacitación del estudiante en ambos aspectos% pero incidiendo más en la per"ormance y pruebas de estos m otores.
2.- OBJETIVO ,eterminar la in"luencia de los parámetros constructi!os del motor sobre los parámetros de admisión y "ormación de la mezcla tales como son el coe"iciente de llenado y el coe"iciente de exceso de aire que caracterizan cualitati!a y cuantitati!a estos dos procesos.
3.- FUNDAMENTO TEORICO na peculiaridad del motor de automó!il es su "uncionamiento con amplio mar)en de cambio del ré)imen de !elocidades y potencias. ualquiera que sea la !elocidad del motor% éste debe "uncionar establemente con todos los re)menes de explotación debe ser lo más económico posible. El motor de combustión interna se eli)e por las caractersticas que de"inen todas las cualidades del motor dado y su aptitud para "unciones en di!ersas condiciones. Estas caractersticas permiten también comparar
entre si
distintos motores. ,urante su explotación el motor "unciona casi todo el tiempo con re)menes no estacionarios que cambian constantemente y por lo tanto es di"cil conse)uir los datos completos que caracterizan en "uncionamiento del motor. Es por esta razón que se obtienen caractersticas de "uncionamiento /cur!as caractersticas en re)menes en tablas% en bancos de prueba% con condiciones normalizadas. 1 continuaciónse exponen dos cur!as caractersticas empleadas con mayor "recuencia. . aractersticas de 3elocidad. 2. aractersticas de car)a.
CARACTERÍSTICA DE VELOCIDAD +e
denomina "carac#er$s#ica e%#erna de velocidad& a aquella caracterstica de
!elocidad para la cual el ór)ano de mando del sistema de alimentación de combustible /#ara motor ,iesel4 cremallera de la bomba de inyección se mantiene constante y en la posición correspondiente al máximo suministro de combustible. ondiciones para la obtención de las caractersticas externas de !elocidad. El motor de combustión interna no puede experimentar car)as cuando el n5mero de re!oluciones del ci)6e'al es peque'o. #or esto existe un lmite in"erior del n5mero de re!oluciones n min del ci)6e'al con que el motor puede "uncionar establemente en toda la )ama de !ariaciones de car)a. El ré)imen de máxima !elocidad% durante el cual el motor traba&a si)uiendo la caracterstica externa de !elocidad% )eneralmente se limita con la potencia nominal para n 7 nnom. En "unción de las condiciones de transmisión de ener)a al elemento consumidor% la cur!a que caracteriza la car)a del motor no siempre se cruza; con su caracterstica externa en el punto donde 8 e es máxima. +on posibles los casos cuando nnon 9: ne. 8ota4 tra consideración para obtener esta caracterstica es que los re)menes de re"ri)eración y lubricación deben ser estables y óptimos para cada !elocidad.
CARACTERÍSTICA DE CAR!A Es la representación )rá"ica de los parámetros del ciclo de traba&o / ! y y de los parámetros e"ecti!os del motor /)e %
"#r$%$&s M#'(n%'&s #or pérdidas mecánicas se entiende las pérdidas ori)inadas por la "ricción de las piezas% el intercambio de )ases% el accionamiento de mecanismos auxiliares /bombas de a)ua% aceite% combustible% !entilador% )enerador y el accionamiento del compresor /soplador. En los motores ,iesel con cámaras de combustión separadas% las pérdidas mecánicas se deben también a las pérdidas )asodinámicas ocurridas al pasar la mezcla a tra!és del canal que comunica la cámara auxiliar con la cámara principal del motor. #or analo)a a la presión media indicada% cuando se estudia las pérdidas mecánicas% con!encionalmente% se introduce el concepto de presión media de pérdida mecánicas% la cual numéricamente es i)ual al traba&o espec"ico de pérdidas mecánicas se representa mediante la si)uiente expresión4 #m 7 #"r > #i.). > #aux > #!ent > #comp. donde4 #"r 4 presión media de pérdidas mecánicas por "ricción #i.). presión media de pérdidas mecánicas por intercambio de )ases. #aux 4 presión media de pérdidas mecánicas por accionamiento de mecanismos auxiliares. #!ent 4 #resión media de pérdidas mecánicas por !entilador #comp 4 #resión media de pérdidas mecánicas por accionamiento del compresor en caso de motores con sobrealimentación. $as mayores pérdidas mecánicas se deben a las pérdidas por "ricción% que constituye hasta un ?0@ del total. Esta mayor parte corresponde a las piezas del )rupo cilindro A émbolo y anillos.
CARACTERÍSTICA E)TERNA DE VELOCIDAD El coe"iciente de exceso / α de aire lle)a a un !alor máximo de 0%B para una !elocidad de CB0 rpm% lue)o !a descendiendo con"orme aumenta la !elocidad% el ran)o de !ariación no es alto y corresponde con cur!as caractersticas de otros modelos de motores ,iesel. El coe"iciente de llenado de aire η!% presenta !alores ba&os% cuando se)5n la expresión debera presentar !alores de 0%B - 0%D% para la caracterstica externa /máxima apertura de la cremallera ; pero esto se explica con el hecho que el consumo espec"ico de combustible es ba&o con respecto a lo que la cilindrada consumira. $os !alores de rendimiento e"ecti!o :0%C-0%29 resultan al)o por deba&o del ran)o recomendado :0%F-0%C09% esto se debe a la anti)6edad del equipo. $os !alores de =e alcanzan un !alor máximo de %B8m para CB0rpm% y lue)o con"orme !a aumentando la !elocidad% !a reduciendo su !alor. El consumo espec"ico e"ecti!o de combustible empieza con un !alor de 0.G2H)HJ-h% !a reduciendo hasta un punto mnimo de 0%C0% lue)o !a aumentando con"orme aumenta la !elocidad. $a potencia e"ecti!a /8e aumenta hasta un !alor máximo se)5n se incrementa n% lue)o !a decreciendo. El consumo horario de combustible /
CARACTERÍSTICA DE CAR!A on"orme aumenta la #otencia e"ecti!a% el consumo espec"ico de combustible /)e se !a reduciendo% pero se incrementa el consumo horario de combustible% esto se debe a que se necesita más combustible en cierta unidad de tiempo para compensar la "alta del mismo para consumir el combustible.
*.- E+UI"OS C&r&'t#r,st%'&s T'n%'&s =otor marca4 Kuston 8L CCD?D =odelo KMK #otencia al "reno4 D N O=# ,iámetro del cilindro4 F F?P arrera4 0 QP #resión de compresión4 F00 psi #resión de combustión4 G?0 psi. Kelación de presiones de inyección4 G00 Kelación de compresión4 F
.- "ROCEDIMIENTO
+e arranca el motor mediante una mani!ela y se le acelera hasta alcanzar una !elocidad de CF0 rpm
+e toman los si)uientes datos4 -
$as temperaturas de entrada y salida del a)ua de re"ri)eración y la temperatura de los )ases de escape
-
El tiempo para un consumo de combustible determinado
-
$ecturas del medidor K+1(
-
$a lectura del dinamómetro
,espués de realizado el paso anterior% se procede a hacer la misma operación% pero aumentando la car)a y manteniendo la !elocidad a CF0 rpm
,espués de haber realizado la misma operación para !arias car)as% se !a descar)ando y desacelerando en "orma alternada para "inalmente apa)ar el motor cerrando la !ál!ula de combustible
on los datos obtenidos se procede a realizar los cálculos correspondientes de tal manera que podamos construir las cur!as de per"omance y realizar el balance térmico.
/.- DATOS E)"ERIMENTALES
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0.- EJEM"LO DE CALCULO "r#s%n #$%& %n$%'&$& "%4 #mi 7 /1d % R $d ,onde R 7 F00 psipul) $d 7 B cm #mi 7 .B % F00 /B x 2.FC #mi 7 CB.? psi "ot#n'%& %n$%'&$& I5"4 1rea del #istón 7 π % F.G2F2 C 7 2C.?F pul) 2 7 1 $on)itud de carrera 7 0.?BF 7 $ IM# 7 #mi % $ % 1 % /82 000 IM# 7 CB.? % 0.?BF % 2C.?F % /CF02000 IM# 7 B.0? M# "ot#n'%& &6 7r#no B5"4 K7 radio de la !olante 7 D pul). /2 % 2 7 .G2F pie OM# 7 8 % 2π % /J > + - J2 % K 000 OM# 7 CF0 % 2π % /0>0.F-0 % .G2F000 OM# 7 C.2F M# "ot#n'%& 8r$%$& 8or 7r%''%n F5"4 *M# 7 IM# A OM# 7 B.0? A C.2F *M# 7 2.? M#
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ti 7 C.0C@
E7%'%#n'%& tr%'& tot&6 tt4 tt 7 ti % m tt 7 C.0C % G0 00 tt 7 2.C2C@ BALANCE TERMICO 1. CALOR EQUIVALENTE DEL TRABAJO AL FRENO (Q 1 ): T 7 OM#mc % 2FCF T 7 C.2F % 2FCF UG.CF % 0- % G00 shrV T 7 CFG.? O( lb 'o9
2. CALOR QUE SE LLEVAN LOS GASES DE ESCAPE (Q 2 ): T2 7 m) % p) % /() - (a ,onde m) 7 /C2 > 2>B00U % / 2 > V % p) 7 0.2C O(lb S* 7 0.?F lb'&r9onlb'o9 #ero de tabla de motor Kouston hallamos @% @ 2 % @2 con OM# @ 7 0.BCF@ @2 7 F.2@ @2 7 .GF@ $ue)o m) 7 UC % .GF>F.2>B00VU % /D.GF>0.BCFV % 0.?F m) 7 CB.0F lb:&s#slb'o9 T2 7 CB.0F % 0.2C % /C00-B2 T27 B.0.G O(lb 'o9
3. CALOR QUE SE LLEVA EL AGUA DE REFRIGERACIÓN (Q 3 ): T 7 mamc % pa % /(s - (e ,onde ma 7 % 1 % d % /√ 2)h 7 00 H)"m ) 7 D.? ms2 pa 7 O(lb S* El ori"icio de cada de presión tiene un diámetro de 70.BFP 1 7 C % /0.BF % 0.02FC2 m2 1 7 0.B2 % 0-C m2 h 7.G % 2.D h 7D.CCP M2 h 7 m M 2 ma 7000 % 0.B2 % 0-C % 0.G % √/2 % D.? % 7 0.D H)s 7 G??.? H)h $ue)o T 7 0.D % 2.2 UG.CF % 0-V % % /C0-20.2 T 7 2? O(lb'o9
4. CALOR PERDIDO POR COMBUSTIÓN INCOMPLETA:
TC 7 @ U2 > V % 0D0 TC 7 0.BCF U.GF>0.BCFV % 0.?F % 0D0 7CG? TC 7CG? O(lb 'o9
5. CALOR QUE SE LLEVA EL AGUA FORMADA POR EL 2 EN EL COMBUSTIBLE: TF 7 DM Ux/22-(c>DB0.>0.CGx/()-22V donde M70.F TF 7 D % 0.F % U/22-GC>DB0.>0.CG/00-22V TF 7G2G O(lb'o9
!. CALOR PERDIDO POR CALENTAMIENTO DE LA UMEDAD DEL AIRE: TG 7 m! % p! % /() - (a donde4 m! 7 .0G82 U2 > V % % W p! 7 0.CG O(lb S* (BS 7 B2S* (B5 7 GCS* W70.0B /humedad especi"ica m! 7 .0G % ?0.C0F % 0.?F % 0.0B U.GF>0.BCFV 70.FFG lb ;&8lb'o9 m! 7 0.FFG TG 7 0.FFG % 0.CG % /00-B2 TG 7 ?C.0 O(lb'o9
0. C&6or 8#r$%$o 8or r&$%&'%n < otr&s 8r$%$&s TB 7 #&6to - ∑Ti 7 D00-UGCF.?>B0.G>2?>CG?>G2G>?CV TB 7 0GFD O(lb 'o9
E"#$%& '$ *$ E#+#,- $,*#: BMF > 0.BF/2 > .BG82 ⇒ B2 >B.FM2 > C0.C282 /r act#r%'& 7 0.BFU2>.BG % 2?VU2 % B>F % V ⇒ /r act7C.D
E#+#,- *$/ 0.G2BBMF > 2.FB/2 > .BG82 ⇒ 0.BCF > .GF2 > ?0.C82 >F.22 > C.BM2 /r acreal 7 0.FBU2>.BG % 2?V0.G2BU2 % B >F % V ⇒ /r act7CB.B #or lo tanto @exceso 7 UCB.B-C.DVC.D % 00@ @exceso 7 220@
B/-#$ T0*#& $- T 7 2.C@ T2 7 D.D@ T 7 G.B0@ TC 7 B.G@
TF 7 ?.C2@ TG 7 0.C@ TB 7 FF.2@ Ttotal 700@
En nu#stro B&6&n'# Tr%'o alor 5til4 T72.C@ TC >TF >TG 7 F.GF@ 1)ua de re"ri)eración4 T 7 G.B0@ Kadiación y otros 7 T B 7 FF.2@
R&n:o $# C&6or s#:=n M&6#< T 72-C0@ Xcalor 5tilY T2 >TC >TF >TG 7 2-0@ X)ases de escapeY T70-@ Xa)ua de re"ri)eraciónY TB 7F-B@ Xradiación y otrosY
>.- TABLA DE RESULTADOS
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IM#/M# ?.?? G.2FGF B.0?BCF 0.?DG D.F??D0B B.D22B
OM#/M# 2.B?CG C.BGD ?.F? .?C .D2 G.B0BG
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0.GC0D C0.FB0G 0.C0G?BGC 0.FC0D0B 0.CCF00C 0.2DB?C2C
0.2CG? 2B.0BF 0.CBDFBF 0.FC?? 0.G0?F 0.G2?2
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T 2DC? BCC0CG.2 BFC.0BG G22.C? GC2.0BF FDF0.02
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?.- CONCLUSIONES@ OBSERVACIONES RECOMENDACIONES ?.1 CONCLUSIONES .
$a #otencia Indicada /IM# tiende a aumentar a mayor #otencia al *reno /OM#% en cambio la #otencia #érdida por *ricción /*M# tiende a disminuir a mayor #otencia al *reno /OM#.
2.
(anto la E"iciencia =ecánica / m como la E"iciencia (érmica (otal /tt disminuyen al aumentar la #otencia al *reno /OM#% en cambio la E"iciencia (érmica Indicada / ti aumenta a mayor #otencia al *reno /OM#.
.
(anto el @ de 2 como el @ de disminuyen al aumentar la Kelación aireAcombustible /Kac% en cambio el @ de 2 aumenta a mayor Kelación aireAcombustible /Kac.
?.- CONCLUSIONES@ OBSERVACIONES RECOMENDACIONES ?.1 CONCLUSIONES .
$a #otencia Indicada /IM# tiende a aumentar a mayor #otencia al *reno /OM#% en cambio la #otencia #érdida por *ricción /*M# tiende a disminuir a mayor #otencia al *reno /OM#.
2.
(anto la E"iciencia =ecánica / m como la E"iciencia (érmica (otal /tt disminuyen al aumentar la #otencia al *reno /OM#% en cambio la E"iciencia (érmica Indicada / ti aumenta a mayor #otencia al *reno /OM#.
.
(anto el @ de 2 como el @ de disminuyen al aumentar la Kelación aireAcombustible /Kac% en cambio el @ de 2 aumenta a mayor Kelación aireAcombustible /Kac.
?.2.- OBSERVACIONES . +e)5n el balance propuesto en "orma )eneral de los motores ,iesel de 3.$. =1$EZ se puede apreciar que el motor K+(8 presenta un buen apro!echamiento de calor 5til% cercano del C0@ en todos los puntos del ensayo menos en el primero% esto se debe a que en este punto el a)ua de re"ri)eración se lle!a un exceso de calor si)ni"icati!o /del orden del 20@% además de un peque'o exceso de calor de radiación y otros. 2. En el balance térmico se considero el calor perdido por el a)ua "ormada ya que se utilizó el poder calor"ico alto.
?.3.- RECOMENDACIONES .
uando se utilice el poder calor"ico alto se tendrá que considerar el calor perdido por el a)ua "ormada; y cuando se utilice el poder calor"ico ba&o% este calor ya no se debe ser incluido en el balance térmico.
BIBLIO!RAFIA
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$uHanin 3. 8. ^=otores de ombustión Interna^
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1rias #az _=orores de automo!il _
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-
=anual de $aboratorio de In)eniera =ecánica III.
A"NDICE A6:o $# 5%stor%& $os motores ,iesel "ueron creados a "ines del si)lo `I` por el alemán Kudol" ,iesel y el in)lés Merbert 1Hroyd +tuart% para me&orar los motores a chispa existentes. $a teora "ue publicada en ?D% "abricándose el primer motor exitoso en ?DB. $ue)o "ue aplicado a propulsar barcos y locomotoras. (ras la #rimera
LA NUEVA INECCIÓN DIRECTA EN MOTORES DIESEL
$as constantes me&oras que !ienen re)istrándose en el sistema de inyección de los motores ,iesel han desembocado de momento en el llamado ^=otor ,iesel de Inyección ,irecta a alta presión^. Esta es una nue!a tecnolo)a de ori)en europeo que ya se comercializa con excelentes resultados. En las !ersiones iniciales emplea un inyector operado directamente por un árbol de le!as y situado sobre el centro de la cámara de combustión para inyectar el petróleo uni"ormemente. $a inyección es controlada por un dispositi!o electrónico que consi)ue la máxima e"iciencia del combustible. Estas caractersticas proporcionan al motor la rápida i)nición al comienzo de combustión propia de los sistemas de inyección indirecta% as como la combustión a alta presión durante el perodo principal de propa)ación% caracterstica de los sistemas de inyección directa.
En la anterior tecnolo)a de los motores ,iesel una bomba de inyección distribuidor crea la presión necesaria para inyectar el petróleo. $os nue!os (,I tienen un sistema de inyección inno!ador% en el que cada cilindro tiene su propia bomba A inte)rada en el inyector / bo'ba inyec#ora. $a presión act5a mecánicamente sobre le!as adicionales incorporadas en el árbol de le!as% lo cual supone una enorme !enta&a4 una muy alta presión de hasta 20F0 bar es diri)ida al ori"icio de salida de cada inyector /000 bar era la presión normal. Esto proporciona )ases de escape limpios y más rendimiento /F #+ en !ez de 0 #+ y par /2?F 8m en !ez de 2F 8m. El sistema también me&ora la atomización de petróleo% que me&ora la i)nición% inhibiendo la combustión rápida al comienzo del ciclo de combustión% y reduciendo el ruido y las emisiones de 8x. El petróleo se distribuye también más uni"ormemente% "a!oreciendo una combustión uni"orme y me&orando el rendimiento. na nue!a !ersión denominada ^common rail^ utiliza una sola bomba que en!a petróleo a cada inyector a F0 bares de presión% en tanto que el tiempo de inyección se dosi"ica electrónicamente desde cada inyector.
Estos motores suelen ir equipados con doble !ál!ula para la admisión y el escape% que incrementa el !olumen de aire que entra en los cilindros y disminuye la resistencia a la e!acuación de )ases en la "ase de escape. Este dise'o me&ora el coe"iciente de resistencia a la admisión - escape aproximadamente un F0 por ciento en comparación con la tecnolo)a con!encional de dos !ál!ulas por pistón. El rendimiento resulta as me&orado% y los humos ne)ros y partculas resultan disminuidos debido a que el petróleo se quema en presencia de más aire. $os pistones son ahora especialmente li)eros y resistentes% al "abricarse con una nue!a tecnolo)a de compuesto de aluminio in"iltrado de aire. El sistema electrónico de inyección de combustible controla constantemente los cambios re)istrados en el "uncionamiento del motor% incluyendo la posición del acelerador% car)a y la !elocidad de )iro% para dosi"icar óptimamente la cantidad y tiempo de la inyección. El ruido y las emisiones de 8x se reducen en cualquier condición de car)a del motor% debido a que el tiempo de inyección es retrasado en "unción de esta car)a% resultando as me&orada la combustión del petróleo y permitiendo incrementar la dosis de petróleo en cada inyección a5n en condiciones de car)a máxima% sin que resulten incrementados los humos ne)ros.
El motor de inyección directa e i)nición por compresión /I,I es el motor de combustión interna que se ha probado más e"iciente y de momento es uno de los candidatos para equipar el sistema de propulsión de los !ehculos del pro)rama ^#artnership "or a 8eW