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BALANCE ENERGETICO DE UN MOTOR NISSAN QG15.

1.

INTRODUCCION.

1.1.

REALIDAD PROBLEMÁTICA.

1.1.1. Definición Ontológica:

 Marca y modelo: Nissan QG15  Tipo de motor: Motor gasolinero  Número de cilindros: 04 cilindros  Disposición de cilindros: En línea  Número de válvulas: 16 válvulas  Tipo de refrigeración: Enfriado por agua  Diámetro x Carrera (mm): 76.0 X 88.0  Cilindrada (cc): 1597 aprox. 1600  Potencia máx. (Hp/rpm): 105/6000  Torque máx. (Kg.m/rpm): 14.3/4000  Relación de compresión: 9.5:1  Sistema de alimentación de combustible: control electrónico de inyección, ECCS.  Volumen de sistema de enfriamiento (L):4.5  Volumen del tanque de combustible (L):50  Régimen de Ralentí (rpm): 625 ± 50

1.1.2. Definición Funcional: 

Motor gasolinero cuyas prestaciones son básicamente en ser un automóvil de transporte y uso personal.

1.1.3. Definición Genética:

1.2.



Potente Motor de 105/6.000 HP/RPM Doble Árbol de Levas. El doble árbol de levas asegura una mejor eficiencia volumétrica (mejor llenado de cilindros), permite la posición central de la bujía mejorando el quemado de la mezcla y el crossflow (manera en que se comporta la mezcla de aire combustible al entrar al cilindro).



Su potente motor proporciona al Nissan QG15 el desempeño óptimo en cualquier condición de manejo, su transmisión mecánica o automática complementa la respuesta del motor con su potencia de 105 HP, con lo que se logra un equilibrio perfecto entre desempeño, economía de combustible y conducción confortable.

ESTADO DEL ARTE: 

1.3.

OBJETIVOS: 

1.4.

Estudiantes que llevan el curso de laboratorio de ingeniería mecánica.

Estudiar de manera adecuada las propiedades que rigen el funcionamiento y operación del motor gasolinero NISSAN QG15, a partir de datos obtenidos.

IMPACTO AMBIENTAL: Las formas más importantes de acción del motor sobre el medio ambiente son: 

Agotamiento de materias primas no renovables consumidas durante el funcionamiento de los MCI.



Consumo en gran proporción de oxígeno que contiene el aire atmosférico.



Emisión y contaminación de la atmósfera con gases tóxicos que perjudican al hombre, la flora y la fauna.



Emisión de sustancias que provocan el llamado efecto invernadero contribuyendo a la elevación dela temperatura de nuestro planeta.



Consumo de agua potable.



Emisión de altos niveles de ruido a la atmósfera que disminuye el rendimiento de los trabajadores y ocasiona molestias en sentido general.

Durante el trabajo de los MCI de émbolo se desprenden las siguientes sustancias tóxicas principales: óxidos de nitrógeno, hollín, monóxido de carbono, hidrocarburos, aldehídos, sustancias cancerígenas (bencipireno), compuestos de azufre y plomo. Además de los gases de escape de los MCI, otras fuentes de toxicidad son también los gases del cárter y la evaporación del combustible a la atmósfera. Incluso en un motor bien regulado la cantidad de componentes tóxicos que se expulsan durante su funcionamiento puede alcanzar los siguientes valores:

Componentes tóxicos

Motores Diésel

Motores de carburador

Monóxido de carbono, %

0.2

6

Óxido de nitrógeno, %

0.35

0.45

Hidrocarburos, %

0.04

0.4

Dióxido de azufre, %

0.04

0.007

Hollín/mg/l

0.3

0.05

De este modo, la toxicidad de los motores Diésel depende en lo principal del contenido de los óxidos de nitrógeno y el hollín. La toxicidad de los motores de encendido por chispa y carburador depende en gran medida de la concentración del monóxido de carbono y de los óxidos de nitrógeno.

1.5.

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS Y DETALLES DEL MOTOR:

Especificaciones dadas por la casa motriz:

2.

Marco teórico.

2.1.

CÁLCULO TÉRMICO Y BALANCE ENERGÉTICO DEL MOTOR. Realizar el cálculo de un motor de carburador de cuatro tiempos, de aplicación automotriz, cuyas especificaciones técnicas son las siguientes:

Potencia Efectiva: Ne = 78.3kW a 6000 RPM Motor de cuatro cilindros: i = 4  Disposición de los cilindros: en línea;  Sistema de Refrigeración: líquida, de tipo cerrada;  Relación de compresión: 𝜀= 9.5.

2.1.1. CÁLCULO TÉRMICO: En la realización del cálculo térmico para varios regímenes de velocidad comúnmente se eligen de 3 a 4 regímenes básicos. Para los motores de carburador estos regímenes son los siguientes: 1. El régimen de frecuencia mínima de rotación nmin = 600:1000 RPM, que asegura el trabajo estable del motor. 2. El régimen de máximo torque, para el cual nM = (0.4 :

0.6)nN. 3. El régimen (nominal) de máxima potencia a nN 4. El régimen de máxima velocidad de marcha del automotor, cuando nmax = (1.05 :1.20)nN Con la consideración de las recomendaciones aducidas y los datos de entrada del trabajo (nN = 6000 RPM), el cálculo térmico, secuencialmente se realiza para n = 1000, 4000, 6000 y 6500 RPM.

2.1.2. Combustible: Se puede emplear la gasolina de 95 octanos. En correspondencia con la relación de compresión dada en el trabajo 𝜀 = 9.5. La composición gravimétrica elemental y la masa molecular del combustible de este combustible: C = 0.855; H = 0.145; Mc = 115 Kg/Kmol. El poder calorífico inferior del combustible: Hu = [33.91C + 125.6H – 10.89(O-S) – 2.51(9H-W)]x103 = 43930KJ/Kg Donde W es la cantidad de vapores de agua contenida en los productos de la combustión por unidad másica de combustible.

2.1.3. Parámetros del Fluido Operante: Cantidad de aire teóricamente necesaria para la combustión de 1Kg de combustible:  Lo = (C/12+H/4-O/32)/0.208 = 0.516 Kmol aire/Kg comb.

 Lo = (8C/3+8H-O)/0.23 = 14.957 Kg aire/Kg comb.

El coeficiente de exceso de aire se establece en base a los siguientes criterios:  En los modernos motores se instalan carburadores de varias cámaras que permiten obtener composiciones óptimas de mezcla en función delas características de velocidad del motor.  La posibilidad de empleo (para el motor calentado) de n carburador dedos cámaras con sistema de enriquecimiento y sistema de marcha en vacío permite obtener, dada una regulación correspondiente, una composición de mezcla operante tanto para máxima potencia como para máxima economía.  La tendencia a obtener un motor lo suficientemente económico y con una mínima toxicidad de los productos de la combustión, lo cual se logra con: α=0.95-0.98, permite asumir α=0.96 en los regímenes básicos y en el régimen de mínima frecuencia rotacional α=0.86.  La cantidad de mezcla carburante queda definida del siguiente modo:

M1 = αLo +

1 ; en kmol mc

𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑛 = 1000 𝑟𝑝𝑚. 𝑆𝑒 𝑡𝑖𝑒𝑛𝑒

M1 =0.86x0.516+1/115= 0.4525 mezcla carburante/Kg combustible

Kmol

Para n=4000, 6000 y 6500 rpm: M1=0.96x0.516+1/115= 0.5041 Kmol mezcla carburante/Kg combustible cantidad de los diversos componentes de los productos de la combustión para k=0.5 y para los regímenes de velocidad asumidos: Para n=1000 rpm:

MCO2 = MCO = 2

𝑀𝐻2 𝑂 =

C 1−α KmolCO2 −2 x0.208L0 = 0.0512 12 1+K Kg comb

1−α 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂 x 0.208L0 = 0.02 1+K 𝐾𝑔 𝑐𝑜𝑚𝑏

𝐻 1−α Kmol𝐻2 𝑂 − 2𝐾 x 0.208L0 = 0.0625 2 1−K Kg comb

𝑀𝐻2 = 2𝐾

1−α Kmol 𝐻2 x 0.208L0 = 0.01 1+K Kg comb

𝑀𝑁2 = 0.792𝛼𝐿0 = 0.3515

Kmol 𝑁2 Kg comb

Para n=4000, 6000 y 6500 rpm:

𝑀2 = MCO2 + MCO + 𝑀𝐻2𝑂 + 𝑀𝐻2 + 𝑀𝑁2 MCO = 2 𝑀𝐻2𝑂 =

KmolCO2 Kg comb

1−α 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂 x 0.208L0 = 0.00057 1+K 𝐾𝑔 𝑐𝑜𝑚𝑏

𝐻 1−α Kmol𝐻2 𝑂 − 2𝐾 x 0.208L0 = 0.0696 2 1−K Kg comb

𝑀𝐻2 = 2𝐾

1−α Kmol 𝐻2 x 0.208L0 = 0.0029 1+K Kg comb

𝑀𝑁2 = 0.792𝛼𝐿0 = 0.3923

Kmol 𝑁2 Kg comb

La cantidad total de productos de combustión:

Para 𝑛 = 1000 𝑟𝑝𝑚

𝑀2 = 0.0512 + 0.02 + 0.0625 + 0.02 + 0.3515 = 0.4952

𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑐𝑜𝑚𝑏. 𝑘𝑔 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒.

Para n=4000, 6000 y 6500 rpm 𝑀2 = 0.0655 + 0.0057 + 0.0696 + 0.0029 + 0.3923 = 0.536

𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑝𝑟𝑜𝑑. 𝑐𝑜𝑚𝑏. 𝑘𝑔 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒.

1.1.1. Parámetros del Medio Ambiente y los Gases de Escape: La presión y la temperatura del medio ambiente al trabajar el motor sin sobrealimentación, como en el presente caso:

𝑃𝑘 = 𝑃𝑜 = 0.1 𝑀𝑝𝑎 ; 𝑇𝐾 = 𝑇𝑜 = 293𝑘 La temperatura de los gases de escape, cuando el valor de la relación de compresión se mantiene constante 𝜀 =9.5 prácticamente crece linealmente al aumentar el régimen de velocidad y siendo 𝛼 = 𝑐𝑡𝑒; pero disminuye con el enriquecimiento de la mezcla. Considerando que a 𝑛 = 1000 𝑟𝑝𝑚; 𝛼 = 0.86 y en los restantes regímenes α=0.96, entonces se asume:

𝑛

1000

4000

6000

6500

𝑟𝑝𝑚

𝑇𝑟

900

1025

1070

1080

°k

La presión de los gases residuales Pr debido a la expansión de las fases de distribución de los gases y a la reducción de las resistencias en el tipo de configuración constructiva de la vía de escape del motor analizando se puede obtener en el régimen nominal de velocidad.

PrN = 1.18Po = 1.18 ∗ 0.1 MPa = 0.118 MPa AP =

(PrN − Po ∗ 1.035)x108 = 0.4028 nN 2 ∗ Po

AP = Po (1.035 + AP 𝑥10−8 𝑛2 = (0.1035 + 0.4828−9 𝑛2 )𝑀𝑃𝑎 De aquí de obtiene: 𝑛

1000

4000

6000

6500

𝑟𝑚𝑝

𝑃𝑟

0.1039

0.1099

0.1180

0.1205

𝑀𝑃𝑎

2.2.

Proceso de Admisión:

2.2.1. La Temperatura de Calentamiento de la Carga Fresca: Con el objeto de obtener un buen llenado del motor en el régimen nominal de velocidad, se asume 𝛥𝑇𝑁 = 8°𝐶. Entonces:

𝐴𝑇 =

∆𝑇𝑁 = 0.229 110 − 0.0125 𝑛𝑁

∆𝑇 = 𝐴 𝑇 (110 − 0.0125 𝑛) = 25.19 − 0.0029𝑛 De donde obtenemos:

𝑛

1000

4000

6000

6500

𝑅𝑚𝑝

∆𝑇

22.29

13.59

7.79

6.34

°𝐶

2.2.2. La Densidad de la Carga en la Admisión.

𝑃𝑜 =

𝑃𝑜 𝑥106 0.1𝑥106 𝑘𝑔 = = 1.189 3 𝑅𝑎 . 𝑇𝑜 287𝑥293 𝑚

Donde:

𝑅𝑎 = 287

𝐽 𝑘𝑔.𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜

;

es la constante gásica específica para

el aire.

2.2.3. Las Pérdidas de Presión en la Admisión y la Presión al final de la Admisión: De acuerdo con el régimen de velocidad del motor (n=6000rpm) y considerando la calidad de la superficie interior del sistema de admisión se puede asumir lo siguiente:

𝛽 2 + 𝜖𝑎𝑑𝑚 = 2.8 𝑦 ꙍ𝑎𝑑𝑚 = 95

𝑚 𝑠

Entonces: 𝐴𝑁 =

ꙍ𝑎𝑑𝑚 = 0.0183 𝑛𝑁

∆𝑃𝑎 = (𝛽 2 + 𝜖𝑎𝑑𝑚 )𝐴𝑛 2 . 𝑛2 .

𝜌𝑘𝑥10−6 2

De aquí se obtiene: 𝑛

1000

4000

6000

6500

∆𝑃𝑎 0.0004 0.0067 0.0150 0.0176

𝑅𝑝𝑚 𝑀𝑃𝑎

La presión final de la admisión:

𝑃𝑎 = 𝑃𝑜 − ∆𝑃𝑎 𝑛

1000

4000

6000

65000

𝑅𝑝𝑚

𝑃𝑎

0.0996

0.0933

0.0850

0.0824

𝑀𝑃𝑎

2.2.4. Coeficiente de los Gases Residuales: Para la determinación del coeficiente de los gases residuales 𝛾𝑟 para el motor de aspiración natural se asume un coeficiente de limpieza 𝜙1 = 1.0 y el coeficiente de recarga en el régimen nominal de velocidad 𝜙𝑟𝑒𝑐 = 1.10, lo cual completamente es posible obtener mediante una acertada elección del ángulo de retraso del cierre de la válvula de admisión en los límites de 30°60°. Según esto, en el régimen de velocidad mínima (n=1000rpm) es posible el retorno de los gases en los límites de un 5%, es decir, 𝜙𝑟𝑒𝑐 = 0.95. En el resto de regímenes los valores de 𝜙𝑟𝑒𝑐 , se pueden obtener asumiendo una dependencia lineal de 𝜙𝑟𝑒𝑐 , en función del régimen de velocidad. Entonces:

𝛾𝑟 =

𝑻𝒐 + ∆𝑻 𝝋 𝟏 . 𝑷𝒓 ∗ 𝑻𝒓 𝜺. 𝝋𝒓𝒆𝒄 . 𝑷𝒂 − 𝝋𝟏 . 𝑷𝒓

𝑛

1000

4000

6000

6500

𝜑𝑟𝑒𝑐

0.95

1.05

1.11

1.3875

𝛾𝑟

0.0458 0.0401 0.0426 0.0346

𝑅𝑝𝑚

2.2.5. Temperatura Final de Admisión:

𝑻𝒂 =

𝑻𝒐 + ∆𝑻 + 𝛾𝑟 𝑇𝑟

1 + 𝛾𝑟

𝑛

1000

4000

6000

6500

𝑅𝑝𝑚

𝑇𝑎

340

334.29

332.22

325.45

°𝐾