Parametros de Motores de Combustion Interna

MAQUINAS HIDRAULICAS Y TERMICAS TERMICAS Motores de Combusti ón Interna Alternativo s Parámetros Característicos.

PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LOS M.C.I.A.

1. CONCEPTO DE DOSADO 2. PARÁMETROS GEOMÉTRICOS 3. PARÁMETROS INDICADOS 4. PARÁMETROS EFECTIVOS 5. PARÁMETROS DE PÉRDIDAS MECÁNICAS 6. RESUMEN DE PARÁMETROS 7. OTROS PARÁMETROS 8. POTENCIA Y PAR EN FUNCIÓN FUNCIÓN DE LOS PARÁMETROS PARÁ METROS 9. POTENCIA Y PAR EN FUNCIÓN FUNCIÓN DEL REGIMEN

Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Fluidomecánica Universidad de Valladolid

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MAQUINAS HIDRAULICAS Y TERMICAS Motores de Combustión Interna Alternativos Parámetros Característicos.

CONCEPTO DE DOSADO

 Dosado (F) es el parámetro que caracteriza la mezcla aire-combustible: F=

 f mfcc Masa Combustible m    Masa Aire ma macc x

 m

1 nZi

mcc

Gasto Másico (Kg/s)

Masa por Cilindro y Ciclo (Kg)

i=Número de ciclos por revolución

 Dosado estequiométrico (F e) es el dosado que tiene que haber en una mezcla aire combustible para que en la reacción de combustión no sobre aire ni combustible: m  m   m  CnHm   n  (O2  3.76 N2)  n CO2  H2O   n   3.76 N2 2  4   4  Fe 

12 n  m  n  m 28  3.76 N2     4 

Es una propiedad del combustible Para los combustibles usuales F e  1/14.5 , 1/15.5 .

 Dosado relativo (Fr ) o riqueza:  1 Rico (exceso de combustible ) F  Fr   = 1 Estequiometrico Fe   1 Pobre (defecto de combustible)  Coeficiente de exceso de aire ():   Rangos usuales de dosado relativo: MEC  Fr  0.04 , 0.7 MEP automoción Fr  0.9 , 1.3 MEP industrial  Fr  0.6 , 0.8

1 Fr

Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Universidad de Valladolid

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PARÁMETROS GEOMÉTRICOS S  Carrera D  Diámetro Pistón R  Radio muñequilla L  Longitud biela

  Ángulo girado cigüeñal PMS  Punto Muerto Superior (  = 0°) PMI  Punto Muerto Inferior (  = 180°) S/D  Relación carrera-diámetro

PMI

PMS

D Vc X

V VD

S=2R

L

 R

 D Ap  4  D VD  S 4 VD  V C r  VC 2

Ap  Área del pistón

2

V  AP X  VC VT  Z VD

VD  Volumen desplazado r  Relación de compresión X = f(, L, R)

MEC r 12, 23, MEP r  8 , 10 VC  Volumen cámara de combustión Z  Nº de cilindros VT  Cilindrada de motor


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PARÁMETROS INDICADOS

Son parámetros relacionados con aspectos termodinámicos del ciclo. P pmi

+

=

VD

+

V VD

VPMS

VPMI

 Trabajo indicado (W i): Es el trabajo que se obtiene en el ciclo durante las carreras de compresión y expansión: W i   P dV

 Presión media indicada (pmi): pmi 

 Potencia indicada (N i):

Wi VD

Wi  pmi VD n i Ni  1 / in

1/ 2 en 4T i=  1 en 2T

 Par indicado (T i): Ti 

i pmi VD 2

 Rendimiento indicado ( i): Expresa "la calidad" con que se transforma la energía almacenada en el combustible en energía mecánica sobre el pistón.

  m NH i

i

f

C



Wi pmi VD  mfcc HC mfcc HC

HC  Poder calorífico del combustible: Energía que se desprende por unidad de masa de combustible quemado. Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Universidad de Valladolid

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PARÁMETROS EFECTIVOS

Parámetros relacionados con aspectos termodinámicos y mecánicos del ciclo.

 Potencia efectiva (Ne): Es la potencia que se tiene en el eje del cigüeñal. Es de menor valor que la potencia indicada porque esta disminuida por las pérdidas que tienen lugar hasta la salida de fuerza por el cigüeñal.  Par efectivo (Te): Te 

Ne 2n

 Presión media efectiva (pme): pme 

Ne 2 Te  n VD i VD i

Para un motor dado el par y la presión media efectiva están ligados por la cilindrada.  pme max  8 , 14 bar MEP turismos MEP deportivos  pme max  8.5 , 25 bar   pme max  6 , 16 bar Rango de pme MEC automoción MEC 4T industriales  pme max  5.5 , 23 bar  MEC 2T lentos  pme max  10 , 15 bar

 Trabajo efectivo (W e): Es el trabajo que se obtiene en el eje del cigüeñal durante un ciclo de trabajo completo. Ne We  ni  Rendimiento efectivo ( e): Expresa "la calidad" con que se transforma la energía liberada por el combustible en energía mecánica en el eje (cigüeñal).

e  Ne  We  pme VD  f HC m

mfcc HC

mfcc HC

MEP  e 0.25 , 0.3  Rangos e MEP industriales  e 0.35 , 0.45 MEC  e 0.30 , 0.5  Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Universidad de Valladolid

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PARÁMETROS DE PÉRDIDAS MECÁNICAS

Parámetros que relacionan la energía mecánica existente en el pistón con la que se tiene en el cigüeñal a la salida del motor. Estas pérdidas tienen tres orígenes:

 Pérdidas por fricción.  Accionamiento de auxiliares.  Pérdidas de bombeo.  Potencia absorbida por pérdidas mecánicas (Npm): Npm  Ni  Ne

 Presión media de pérdidas mecánicas (pmpm): pmpm  pmi  pme

 Par de pérdidas mecánicas (Tpm): Tpm  Ti  Te

 Trabajo de pérdidas mecánicas (Wpm): W pm  Wi  We

 Rendimiento mecánico ( m): Es la relación entre la energía mecánica que se extrae a través del cigüeñal y la que se obtiene en el pistón.

m  pme  Ne  e  Te  W e pmi Ni i Ti W i


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RESUMEN DE PARÁMETROS i, e y pm

i INDICADOS: Energía combustible

Energía mecánica sobre el pistón m Energía mecánica cigüeñal

MECÁNICOS: Energía mecánica pistón

e EFECTIVOS: Energía combustible

Energía mecánica cigüeñal

  e

i

m

Para un motor, conocido el régimen n, el gasto de combustible, el poder calorífico del combustible y uno de los parámetros, es posible obtener el resto. Pm (Presión media)

VD n i

N (Potencia)

m fcc Hc VD 

(Rendimiento)

1

1 2n M (Par)

2  i


m fcc Hc W (Trabajo)

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OTROS PARÁMETROS (I)

 Régimen (n): Es la velocidad angular con que gira el cigüeñal. Suelen utilizarse los tres tipos de unidades siguientes.

60 rpm (rev/min)

1 2

n (rev/s)

 (rad/s)

2 60

 Velocidad lineal media (C m): Velocidad media con que se mueve el pistón. Cm  2 S n

Rango de Cm a Nmax

MEP turismos  MEP deportivos  MEC automocion MEC 4T industriales  MEC 2T lentos 

    

Cm 8 , 16 m / s Cm 15 , 23 m / s Cm 9 , 13 m / s Cm 6 , 11 m / s Cm 6 , 7 m / s

 Potencia específica: (puede ser por unidad de masa o volumen) Nf (vol) =

N VD

Nf (mas) =

N mmotor

(Potencia por unidad de cilindrada) (Potencia por unidad de masa del motor)

Los MEP presentan mayores Nf que los MEC no sobrealimentados. Los motores 2T presentan mayores Nf que los motores 4T.


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OTROS PARÁMETROS (II)

 Consumo específico (g f ): Mide (habitualmente en g/Kwh) el consumo de combustible por unidad de potencia extraída. Es un parámetro relacionado con el rendimiento a través del poder calorífico del combustible. Puede ser indicado (gif ) o efectivo (g ef ).  f m 1 gf   N  Hc MEP  gef 320 , 280 g / kWh Rango de gef  MEC  gef  280 , 180 g / kWh  Rendimiento volumétrico ( v): Mide el llenado del motor, comparándolo con el llenado teórico a una temperatura de referencia.



v



m a mmcc m 1 m   VD im VT im n i C VT ia n i

ia  Densidad del aire en las condiciones de referencia. C  Relación entre el volumen ocupado por el aire y el ocupado por la mezcla admitida. ma 1 V p 29 29  C a  a  VT pi ma  mh  mf 1  h  F 29 18 Mf 29 18 Mf

Para combustibles de elevado peso molecular (gasolina, gasoleo) y las humedades habituales en el aire C toma valores próximos a uno. Grado de carga: para un régimen de giro dado, el grado de carga expresa la relación entre el par máximo del motor a ese régimen y el que está suministrando el motor en las condiciones de funcionamiento. En MEP se actúa sobre la posición de la mariposa de admisión y de esta manera se modifica la m acc y el sistema de formación de la mezcla ajusta la mfcc. En MEC se actúa sobre la bomba inyectora para modificar directamente la mfcc. w i m H  i Me  e  fcc c e 2 2 Existe una relación siempre creciente entre el actuador del grado de carga y el par efectivo. Algunas veces se el grado de carga se define como la posición del actuador respecto a su posición máxima o de plena carga. Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Universidad de Valladolid

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POTENCIA Y PAR EN FUNCIÓN DE LOS PARÁMETROS (Concepto de gr ado de carga) La potencia suminstrada por un motor alternativo se puede expresar como sigue:  f Hc e  m  a F HC e  n i VT C ia v Fr Fe HC i m Ne  m

el par se puede expresar de la misma forma dividiendo por la velocidad angular: Me 

1 i V C ia v Fr Fe HC i m 2 T

Podemos hacer un análisis de la dependencia de cada uno de estos parámetros y agruparlos: Parámetros dependientes del combustible y de las condiciones atmosféricas; Fe Dosado estequiométrico Hc Poder calorífico del combustible ia Densidad del aire. C Depende muy ligeramente del dosado, en los motores donde ese parámetros es importante (MEP a gas) el dosado relativo no varía. Parámetros de diseño del motor, algunos se eligen y otros indican el grado de éxito en el diseño: i Tipo de motor (2T o 4T). VT Cilindrada del motor. e Rendimiento efectivo, este parámetro depende de las condiciones de funcionamiento. Parámetros de diseño que se modifican en funcionamiento respecto de su valor máximo de diseño, podríamos llamarlos parámetros de funcionamiento: v Rendimiento volumétrico: en los MEP. Se modifica para variar el par que suministra el motor, el valor máximo depende ligeramente del régimen de giro. Fr Dosado relativo: en MEC se modifica para variar el par, en MEP varia poco en todos los puntos de funcionamiento. n Régimen de giro: este parámetro se fija en el punto de equilibro entre el par resistente y el par motor. A la relación entre el par máximo y el par real que está dando el motor se le suele denominar grado de carga. Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Universidad de Valladolid

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POTENCIA Y PAR EN FUNCIÓN DEL REGIMEN Me 

1 i V C ia v Fr Fe HC i m 2 T

Para un motor dado y en unas condiciones atmosféricas definidas, el par depende fundamentalmente del producto de los tres rendimientos y del dosado relativo. En condiciones de plena carga, ninguno de los cuatro varía mucho cuando se modifica el régimen. Cabe destacar la caída del rendimiento mecánico a alto régimen y algo similar le ocurre al rendimiento volumétrico en los motores de aspiración natural. Se puede decir que a plena carga el par permanece sensiblemente constante al variar el régimen. Las variaciones que puede tener son fundamentalmente debidas al rendimiento volumétrico y en menor medida al dosado relativo y el rendimiento indicado, a alto régimen la caída del rendimiento mecánico y el rendimiento volumétrico hace que el par decrezca. Ne  2 n Me

En consecuencia la potencia aumenta linealmente con el régimen de giro y solo a alto régimen alcanza un máximo cuando el incremento de régimen no compensa la caída del par.

Memax

Nemax

Diferentes curvas de para para diferentes grados de cargas: Modificación de Fr MEC Modificación de v MEP n


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BIBLIOGRAFÍA Muñoz, M., Payri, F. Motores de Combustión Interna Alternativos . Servicio Publicaciones E.T.S. Ingenieros Industriales, Universidad Politécnica Madrid, 1994. Cap. 1: Características Fundamentales de los MCIA (pp. 3-25).


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