ESTUDIO DE LAS PÉRDIDAS MECÁNICAS | FIM
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
ESTUDIO DE LAS PÉRDIDAS MECÁNICAS CURSO
: Motores de combustión combustión (MN 136 136 E)
PROFESOR
: Ing. Lastra Espinoza, Luis
INTEGRANTES: INTEGRANTES :
Flores Narvaez, Jorge Alata Triveño, Erick Arroyo Condor, Jean Castro Escobar, Jose Chancatuma Huaman, Jesus Lijarza Torres, Mackinder Soca Quispe, Jonathan
20101114F 20101114F 20101077C 20101077C 20102678K 20102678K 20062557C 20062557C 20127027C 20127027C 20100184K 20100184K 20100142F 20100142F
Lima, 9 de Mayo de 2014 19
ESTUDIO DE LAS PÉRDIDAS MECÁNICAS | FIM
Contenido RESUMEN TÉCNICO............................................... TÉCNICO ............................................... ..................................................... ................ 2 OBJETIVOS.................................................... OBJETIVOS .................................................... ...................................................... ........................ 2 FUNDAMENTO TEÓRICO................................................. TEÓRICO ................................................. .................................................... ....... 3 PÉRDIDAS MECÁNICAS................................................ MECÁNICAS ................................................ .................................................... ....... 3 Importancia.................................................... Importancia .................................................... ..................................................... ................ 3 La potencia efectiva ( Ne)................................................. ................................................... 4 La potencia de perdidas perdidas mecánicas mecánicas ................................................. ................................................. ................................. 4 Métodos para hallar las pérdidas mecánicas ............................................................... ..... 5 MATERIALES Y EQUIPOS EQUIPOS .................................................................................... .................................................................................... ...................... 10 BANCO MOTOR DAIHATSU CB-20 (ECH) ............................. (ECH) ............................. ................................................ 10 MOTOR DAIHATSU CB-20 (ECH) ................................ (ECH) ................................ ....................................................... ... 14 PROCEDIMIENTO................................................... PROCEDIMIENTO................................................... ..................................................... .............. 15 DATOS DE LABORATORIO: ............................ LABORATORIO: ............................ ....................................................... ............ 16 CÁLCULOS Y RESULTADOS: ................................................................................ RESULTADOS: ................................................................................ ...................... 16 Tabla de cálculos...................................................... cálculos ...................................................... .................................................... ....... 0 RECOMENDACIONES Y CONCLUSIONES .................................................................................... CONCLUSIONES .................................................................................... 0 BIBLIOGRAFÍA............................................... BIBLIOGRAFÍA............................................... ...................................................... ........................ 0
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RESUMEN TÉCNICO En el Presente informe se estudió las pérdidas mecánicas y se realizó, El método Morse, desconexión de cilindros, en el motor DAIHATSU CB-20 (ECH), de donde se obtuvo la gráfica de las potencias indicada, efectiva, de perdidas mecánicas y la eficiencia mecánica en régimen de velocidad. Finalmente se mostraran y analizaran los resultados obtenidos y las conclusiones que se obtienen de la experiencia.
OBJETIVOS
Obtener las perdidas mecánicas que existen en los motores para el régimen térmico y régimen de velocidad en motores de encendido por compresión y motores de encendido por chispa.
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FUNDAMENTO TEÓRICO PÉRDIDAS MECÁNICAS Para iguales condiciones de funcionamiento del motor a diferentes cargas y regímenes de velocidad, en caso de reducir las pérdidas mecánicas, decrece la cantidad de calor transmitida al medio refrigerante y disminuye la intensidad de las piezas friccionantes del motor. Siendo menores las pérdidas por fricción disminuyen las pérdidas de potencia consumida para accionar la bomba de aceite y el ventilador, así como menguan las dimensiones máximas y las masas del ventilador y las masas del radiador. Cuanto menores sean las pérdidas por fricción tanto menor será el desgaste de las principales piezas friccionantes, será mayor la vida útil y menor el número de fallas del motor durante su servicio. A pesar del considerable proceso alcanzado en la fabricación de motores, los valores de Nm
(potencia mecánica) son relativamente pequeños en el régimen
nominal generalmente no superiores de 0,75-0,80 Nmax. Al disminuir la carga el valor de Nm. decrece. La magnitud de las pérdidas por fricción puede ser obtenida por la suma de las perdidas mecánicas como en el desplazamiento relativo de los pistones y anillos en los cilindros, de los bulones en los casquillos, de los cigüeñales y el árbol de levas en los cojinetes, del taqué y las válvulas en las guías, también en las bombas de aceite, la bomba del líquido refrigerante, cadena de distribución etc.
Importancia Para aumentar el rendimiento efectivo se trabaja bien mejorando los procesos termodinámicos del ciclo de trabajo y con ello incrementar el trabajo indicado, o incrementando el rendimiento mecánico, es decir, reduciendo las pérdidas entre el trabajo que transfieren los gases al pistón y el trabajo mecánico disponible en el eje de salida.
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La potencia efectiva (Ne) La potencia efectiva es generada por un par (aplicada a la biela y transmitida al cigüeñal) y se conoce también como potencia al freno ya que se mide empleando un dispositivo frenante, que aplicado al eje
del motor, se opone al par motor
permitiendo leer su valor. Ne
Me n
9550
La potencia de perdidas mecánicas Resulta difícil de medir dada la diversidad de las causas
de las pérdidas por
rozamiento y las alteraciones de su valor al variar las condiciones de funcionamiento. Puede obtenerse su valor total midiendo la potencia efectiva y restando de la indicada. Como en este procedimiento resulta complejo la determinación de la potencia absorbida suele acercarse obligando a girar al motor sin que este funcione. Midiendo al propio tiempo la potencia que es necesario emplear. Nm Ni
Ne
Por perdidas mecánicas se entiende las pérdidas originadas por la fricción entre las piezas del motor, el intercambio de gases, el accionamiento de mecanismos auxiliares (bombas de agua, de aceite, de combustible, ventilador, generador) y el accionamiento del compresor (soplador). En los motores Diesel con cámaras de combustión separadas, las perdidas mecánicas se deben también a las perdidas gasodinámicas ocurridas al pasar la mezcla a través del canal que comunica la cámara auxiliar con la cámara principal del motor. Por analogía a la presión media indicada, cuando se estudia las pérdidas mecánicas, convencionalmente, se introduce el concepto de presión media de pérdidas mecánicas, la cual numéricamente es igual al trabajo específico de pérdidas en un ciclo. Matemáticamente la presión media de perdidas mecánicas se representa mediante la siguiente expresión:
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ESTUDIO DE LAS PÉRDIDAS MECÁNICAS | FIM P m = Pf r + P i.g + P aux + P vent + P comp
Donde: P fr
: Presión media de perdidas mecánicas por fricción.
P i.g
: Presión media de perdidas mecánicas por intercambio de gases.
P aux
: Presión media de perdidas mecánicas por accionamiento de mecanismos auxiliares.
P vent
: Presión media de perdidas mecánicas por ventilación.
P comp : Presión media de perdidas mecánicas por accionamiento del compresor para el caso
de motores con sobrealimentación mecánica. Las mayores pérdidas mecánicas se deben a las pérdidas por fricción P fr , que constituyen hasta un 80% del total. La mayor parte de las perdidas por fricción corresponde a las piezas del grupo cilindro embolo y anillos (del 45% al 55% en total de las perdidas internas). Las pérdidas por fricción en los cojinetes constituyen aproximadamente el 20% del total de las perdidas mecánicas.
Métodos para hallar las pérdidas mecánicas La determinación de las pérdidas mecánicas se puede efectuar por los siguientes métodos: 1) 2) 3) 4) 5)
Método de desaceleración libre Método lineal de William Método Morse o Método de desconexión de cilindros Método por diagrama Indicado. Método por arrastre
to do de d esac elerac ión li br e: Este método se basa en que la potencia 1) Mé
producida por el motor es proporcional a la aceleración angular y la constante de proporcionalidad es el momento de inercia del motor. En este método, sin combustión, se cumple que:
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Conocido I, se mide
.
Si no es conocido I, entonces se coloca una volante de inercia conocido con un
Este método tiene las siguientes características:
Es de bajo costo. Es versátil en cuanto al manejo, comparado con los dinamómetros. Determinan torque y potencia con alguna imprecisión al ser evaluados sin carga alguna (difiere a las producidas por pérdidas mecánicas inherentes al motor). Se deja sin carga estabilizándose la temperatura del motor en un rango entre 82 y 98ºC. El método consiste en acelerar hasta llegar a tope del acelerador y medir la aceleración angular del motor mediante el tiempo requerido para pasar de un régimen de giro inferior a otro superior. El momento de inercia es necesario estimarlo a partir de motores en buen estado, debido a que no es conocido de antemano, y generalmente no es suministrado por el fabricante y medir con exactidtud es muy costoso. Si se mide la aceleración del motor se puede calcular las pérdidas mecánicas, por lo tanto, se puede calcular la potencia indicada. to do lin eal d e W illi am s: Se establece la hipótesis de que existe una 2) Mé
linealidad entre flujo de la mezcla y la presión media efectiva, teniendo la rpm constante. Esta hipótesis no se aplica a los motores Diesel.
̇ Ahora lo dividimos por
, obtenemos la siguiente relación: ̇
Llevando a una gráfica que relacione la presión media efectiva con el flujo el consumo de combustible se puede observar lo siguiente:
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En la figura ya se realizó la extrapolación de los puntos (aunque en realidad no sale una recta pero se le puede aproximar a ella), las cuales se prolonga hacia el eje de la pme, en los puntos de contacto indican los valores de la presión media de pérdidas. 3) Mé to do Mo rs e o Mé to do de d esc on exi ón d e cil in dr os : Este método consiste en la
desactivación sucesiva de cada cilindro. Cuando se desactiva cada cilindro se va a producir modificaciones de las presiones y temperaturas. Por ejemplo si tuviéramos un motor de 4 cilindros, para hallar las pérdidas mecánicas tendríamos la siguiente relación:
Sin combustión en el cilindro 1 Sin combustión en el cilindro 2 Sin combustión en el cilindro 3 Sin combustión en el cilindro 4 Sumando Finalmente tenemos:
Donde:
∑ :
es la suma de potencias del motor al eliminar la combustión sucesivamente en los diferentes cilindros.
: :
es la potencia efectiva con todos los cilindros activos. es la pérdida mecánica total del motor.
En el cálculo se está incluyendo la pérdida por bombeo.
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tod o po r d iagram a Ind icad o: Este método se realiza en un banco de 4) Mé
prueba donde se coloca el motor a evaluar. Se recoge el diagrama del indicador y se determina el PMS. Se realiza el cálculo de la pmi con un planímetro y a través de un captador de presión piezo eléctrico se registra la presión de la cámara de combustión. Se realiza una estimación de las pérdidas por bombeo y de las partes auxiliares. Finalmente se calcula la presión media de rozamiento resultante:
La presión media de bombeo depende de la contrapresión de escape, de las pérdidas de carga en el proceso de admisión, del diagrama de distribución del motor y de la regulación de la carga, éstos sólo son importantes en los motores diesel.
Las perdidas por auxiliares implican: - Bomba de agua - Bomba de aceite - Alternador - Servodirección - Aire acondicionado - Sistema de compresor de frenos
En los motores diesel con cámaras de combustión separadas, las pérdidas se deben también a las pérdidas gaseo dinámicas ocurridas al pasar la mezcla a través del canal que comunica la cámara auxiliar con la cámara principal del motor.
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to d o p o r A rr as tr e: Este método consiste en arrastrar un motor de 5) Mé
combustión interna a través de un motor eléctrico, sin que el MCI esté realizando combustión. La potencia alcanzada por el motor eléctrico de arrastre es igual a la potencia de pérdida mecánica del MCI. Este método se puede realizar en condiciones diferentes con y sin combustión.
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MATERIALES Y EQUIPOS BANCO MOTOR DAIHATSU CB-20 (ECH)
Figura 1.Motor DAIHATSU
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Figura 2.Tanque de almacenamiento
de aire en el banco de pruebas del MECH
Figura 3. Medidor de combustible, durante el ensayo se tomó el tiempo para 1/16 de pinta en volumen
Marca: CAMRY Rango: 0 - 50 Kg Precisión: 200 g
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Regulador del Dinamómetro
Puntos alineados
Figura 4. Dinamómetro
Figura 5. Debe de estar alineados
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Figura 6. Órgano de control (Regulador mariposa)
Figura 7. Tablero Eléctrico. Registra los RPM, amperaje y voltaje.
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Figura 8. Display del panel de resistencias
MOTOR DAIHATSU CB-20 (ECH) BANCO DE PRUEBAS DE UN MOTOR DAIHATSU
Tipo de Motor
Gasolina 4 tiempos ( E.CH. )
Marca del motor
DAIHATSU
Modelo
CB-20
DATOS DEL MEDIO
Número de cilindros
3
AMBIENTE:
Diámetro del cilindro
76 mm
Carrera del cilindro
73 mm
Cilindrada
Momento máximo(2800RPM)
76.5 N.m
Potencia Máxima(5500RPM)
40.5 kW
Longitud del brazo del eje
0.323 m
1/16 pinta USA
Gasolina
G-90
usamos 1 tobera
D=2cm
Cd de la tobera
0.89
⁄
T0 °C P0 mHg
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Procedimiento Método de desconexión de cilindros:
1. Se toma las condiciones ambientales en las que se va a realizar la experiencia. 2. Se prende el motor y se espera a que llegue a su temperatura de trabajo. 3. Manteniendo el órgano de control constante (40%), se toman los valores de Fuerza en el dinamómetro, para una velocidad de rotación de cigüeñal de 1300 RPM.
4. Se procede a desconectar el primer cilindro y se toma los datos para la misma velocidad de rotación de cigüeñal. Se hace lo mismo desconectando cada uno de los restantes cilindros.
5.
S
e varía la velocida d de rotación del cigüeña l (1300, 1500, 1700, 2200, 2400) y se repiten los pasos 4 y 5.
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DATOS DE LABORATORIO: N°
N [RPM]
F [Kgf]
F D-1 [Kgf]
F D-2 [Kgf]
F D-3 [Kgf]
1
1400
20.6
12.8
13
13
2
1600
20.4
12.8
12.6
12
3
1800
19.7
12.2
12.6
12
4
2200
19
11.3
11.5
11.4
5
2400
18.5
10
10.3
10.2
CÁLCULOS Y RESULTADOS: Se varía la velocidad de rotación
El método que se usara para evaluar las pérdidas mecánicas es el de desconexión de cilindros.
Desconectamos el primer cilindro:
Desconectando el segundo y tercer cilindro obtenemos:
1 Finalmente:
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Tabla de cálculos
N [RPM]
Ne [Kw]
Ne-1 [Kw]
Ne-2 [Kw]
Ne-3 [Kw]
Ni [Kw]
Ni1 [Kw]
Ni2 [Kw]
Ni3 [Kw]
Nm [Kw]
nm
1400
9.559
5.940
6.032
6.032
10.673
3.619
3.527
3.527
1.114
0.896
1600
10.819
6.788
6.682
6.364
12.622
4.030
4.137
4.455
1.803
0.857
1800
11.753
7.279
7.517
7.159
13.305
4.475
4.236
4.594
1.551
0.883
2200
13.855
8.240
8.386
8.313
16.626
5.615
5.469
5.542
2.771
0.833
2400
14.717
7.955
8.194
8.114
19.887
6.762
6.523
6.603
5.171
0.740
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Curvas de la Potencia Indicada, Efectiva y media en funcion de los RPM 25.000
20.000
] w K [ m N , e N , i N
15.000 Ne 10.000 Ni
Nm
5.000
0.000 0
500
1000
1500
2000
2500
3000
N [RPM]
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Variación de la potencia media vs RPM 0.950
0.900
0.850
0.800 m N
Nm
0.750
0.700
0.650
0.600 0
500
1000
1500
2000
2500
3000
N [RPM]
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RECOMENDACIONES Y CONCLUSIONES
Se recomienda que la variación de los parámetros de control sea gradual, a fin de que las otras variables tengan un comportamiento similar y se pueda observar mejor su desarrollo en la experiencia evitando los cambios bruscos.
Se muestra también que la potencia por pérdidas mecánicas va en aumento con la velocidad, debido al incremento de la fricción, a la disminución de la viscosidad del aceite lubricante y al aumento de las pérdidas por intercambio de gases (las cuales también aumentan con las RPM del motor debido a que la presión al final de la admisión es cada vez menor).
Si se reducen las pérdidas mecánicas se aprovechara mejor la potencia del motor y en particular reducir las pérdidas por fricción reduce el desgaste de las principales piezas frotantes y por ello se incrementa la vida útil del motor.
Se recomienda verificar siempre el valor de temperatura del refrigerante.
Se observa que la fuerza en el dinamómetro disminuye conforme aumentamos las RPM del cigüeñal; esto se debe a que conforme las RPM son elevadas es menor el impacto de la inercia.
Para disminuir las perdidas mecánicas por rozamiento se deben utilizar aceites lubricantes multigrados; los cuales son recomendables para cualquier temperatura, ya que su viscosidad no cambia con el aumento o disminución de ésta, también
mejorando el accionamiento de los elementos auxiliares como accionar el ventilador solo cuando se necesite enfriar el motor.
BIBLIOGRAFÍA
Motores de Automóvil, Jovaj, M.S., Editorial MIR, Moscú 1982 Procesos de los Motores de Combustión, Lichty, Ediciones Del Castillo, Madrid 1970 Experimentación y cálculo de Motores de Combustión Interna, Lastra, Instituto de Motores de Combustión Interna, Lima, 1995.
Apuntes de clase de teoría del Ing. Juan Lira.
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