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• Rodrigo Yupanqui Briceño

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CALCULO TERMO ENERGETICO Y ANALISIS D ELAS PROPIEDADES DINAMICO-TRACCIONALES DEL MOTOR DIESEL TURBOALIMENTADO

RESUMEN: En este proyecto de Ingeniería automotriz haremos el cálculo termo energético para nuestro motor Diésel International DT-466 y analizaremos sus propiedades dinamico-traccionales.

1.INTRODUCCION: 2. MARCO TEORICO 3. DESARROLLO DEL PROYECTO REQUISITOS DE ENTRADA  Motor diésel INTERNATIONAL DT-466 de 4 tiempos equipado en el automóvil.  Potencia máxima en KW 186.42 @ n=2300  Torque máximo en Nm 1084.65 @ n= 1400  Numero de cilindros : 6  Tipo de cámara de combustión: de inyección directa  Relacion de compresión : ε=16.5  Tipo de aspiración (natural o sobrealimentado): turbocargado con tecnología Wastegate  Presion de sobrealimentación pk= 0.17 MPa  Tipo de turbocompresor : compresor volumétrico con un filtro de aire-aire enfriado internamente.

I.

PARAMETROS DE LA SUSTACION DE TRABAJO a. Composicion gravimétrica( como mínimo 45% de cetano, Norma peruana Petroperu) Tabla 1: Caracterisiticas de los combustibles para motores diésel. COMBUSTIBLE

DIESEL

COMPOSICION ELEMENTAL C

H

0

0,87

0,126

0,004

b. Poder calorífico del combustible: Formula de Mendeleyev; Hu=[33,91 C +125,60H -10,89(O-S) -2.51(9H+W)]X10^6 W: vapor de agua , S=azufre , elementos no permitidos en los combustibles para automóviles. Hu= 42,44 MJ /Kg c. Los parámetros de la sustancia operante L0= Cantidad teórica necesaria de KMoles de aire para quemar 1Kg de combustible. l 0= Cantidad teórica necesaria de Kg de aire para quemar 1Kg de combustible. L0= 1/0.208( C/12 +H/9-0C/32)=0,5 [Kmol/Kg] l 0 = 1/0,23 (8C/3 +8H- Oc)=14,452 [Kg.aire/Kg.comb] d.El coeficiente de esceso de aire (α) Para nuestro caso, motor sobrealimentado se toma:

α= 1.7 Calculamos: Carga fresca M1: M1= α L0 = 1,7 (0,5)=0,85[ Kmol de carga fresca /kg. Combustible] II.

LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTION

Mco2=0,870/12 = 0,0725[Kmol CO2/1Kg Comb] MH20= H/2 =0,063[ Kmol H2O / kg.Comb] MO2= 0,208 (α-1) L0= 0,208(1,7-1)0,5 MO2= 0,0728 [Kmol O2/ Kg Comb] MN2= 0,792(αLi)= 0,792(1,7)(0,5)=0,6732[Kmol N2/Kg Com] III.

LA CANTIDAD TOTAL DE LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTION M2

M2= MCO2+MH2O+MO2+MN2 M2=0,0725 +0,063+ 0,0728+ 0,6732 M2= 0,8815 [Kmol Prod.Comb / Kg Comb] IV.

LOS PARAMETROS DEL MEDIO AMBIENTE Y DE LOS GASES RESIDUALES

-P0=0,1 MPa= 1bar -T0= 293 K πk = Pk/P0 = 2.1425 (Mediana presion) Pk= πk(P0)= 2.1425(0,1)= 0.2143 Mpa Tk =T0[PK/P0](nk-1/nk)- ΔTenf

Selecionamos un indice politropico igual a : nk= 1,8 Tk =293[2,143](18-1/1,8)- ΔTenf 343K (70°C) = 411,138(138,138°C)- ΔTenf ΔTenf= 68,138 °C (Absorve el Sistema de refrigeracion) Asumiremos que para nuestro motor diésel turboalimentado: -Temperatura de los gases residuales: Tr= 710 K -Presion de los gases residuals: Pr=0,75 Pk=0,75(0,2143) Pr= 0,1607[Mpa] V.PARAMETROS DEL PROCESO DE ADMISION Considerando las condiciones ambientales propias de Trujillo selección una temperatura de calentamiento de la carga fresca para el motor : ΔT =2 °C -Calculamos la densidad de la carga en la admisión: ρk = Pk.

106 𝑅𝑎𝑇𝑘

Siendo: Pk= 0.2143 Mpa Ra= 287 J kg/K Tk= 343 K ρk = 2.176 Kg/m3

-Calculamos las pérdidas de presión en la admisión. ΔPa = ( β2 + εv)(ωv 2 /2 ) ρk

β2 + εv = 3,9 ωv = 100m/s ρk =2.176 kg/m3 𝚫𝐏𝐚 = 0.04244 Mpa -Calculamos la presión al final de la admisión: Pa= Pk – ΔPa Pa= 0.2143-0.04244 Pa= 0.1718 Mpa -Calculamos el coeficiente de los gases residuales 𝑇𝑘 + ∆𝑇 𝑃𝑟 ( ) 𝑇𝑟 𝜀𝑃𝑎 − 𝑃𝑟 343 + 2 0.1607 𝛾𝑟 = ( ) 710 16.5(0.1718) − 0.1607 𝛾𝑟 =

𝛾𝑟 = 0.02157 -Calculamos la temperatura de admisión 𝑇𝑎 = 𝑇𝑎 =

𝑇𝑘 + ∆𝑇 + 𝛾𝑟𝑇𝑟 1 + 𝛾𝑟

343 + 2 + 0,02157(710) 1 + 0,02157

𝑇𝑎 = 352.7 𝐾 (79.7°𝐶 ) -Calculamos la eficiencia volumétrica : 𝜂𝑣 =

𝑇𝑘 (𝜀𝑃𝑎 − Pr) 𝑇𝑘 + Δ𝑇 (𝜀 − 1)𝑃𝑘

𝜂𝑣 =

343(16.5(0.1718) − 0.1607) (343 + 2)(16.5 − 1)0.2143

𝜂𝑣 = 0.80 V.

PARAMETROS DEL PROCESO DE COMPRESION:

Del grafico 25 :Para Ta= 352.7K y 𝜀 = 16.5 K1=1.367 -Calculamos la presión de compresión: 𝑃𝑐 = 𝑃𝑎𝜀 𝑘1 𝑃𝑐 = 0.1718(16.51.367 ) 𝑃𝑐 = 7.93 𝑀𝑝𝑎 -CALCULAMOS LA TEMPERARUTA DE COMPRESION -Tc = Ta𝜀 𝑘1−1 Tc = 352.7(16.50.367 ) Tc=986.78 K

-Según la tabla 5 para Tc =713.63°C Calor especifico molar medio a volumen constante de aire (𝑚𝐶𝑣)𝑇𝑐 𝑇0 =22,409 KJ/Kmol-K (aire) -Segun la table 8 para Tc= 713.63°C y ∝= 1.7 Calor especifico molar medio de los productos de la combustion (𝑚𝐶𝑣)𝑇𝑐 𝑇0 = 24.059𝐾𝐽/𝐾𝑚𝑜𝑙𝐾 (gases)

Calor especifico molar medio de la mezcla 𝑇𝑐 𝑇𝑐 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎(𝑚𝐶𝑣)𝑇𝑐 𝑇0 =[𝑎𝑖𝑟𝑒(𝑚𝐶𝑣) 𝑇0 +𝛾𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠(𝑚𝐶𝑣) 𝑇0 ]

1 1+𝛾

𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎(𝑚𝐶𝑣)𝑇𝑐 𝑇0 = 22,409 + 0.02157(24,059)(1/(1+0.02157)) 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎(𝑚𝐶𝑣)𝑇𝑐 𝑇0 = 22.91

𝐾𝐽 𝐾𝑚𝑜𝑙𝐾

VII.PARAMETROS DEL PROCESO DE COMBUSTION -Coeficiente teorico e variación molecular 𝜇° =

𝑀2 𝑀1

= 0.88815/0.85=1.037

-Coeficiente de variación molecular 𝜇0+𝛾 𝜇𝑟 = 1+𝛾 𝜇𝑟 = 1.036 -Poder calorífico inferior de la mezcla operante 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎𝐻𝑢 = 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎𝐻𝑢 =

𝐻𝑢 𝑀1(1 + 𝛾 )

42.44 0.85(1 + 0,02157)

𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎𝐻𝑢 = 44.87𝑀𝐽/𝐾𝑔 -Calor especifico molar medio de los productos de la combustión, trabajando en el rango de 1501 a 2800°C −6 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 (𝑚𝐶𝑣)𝑇𝑧 ∗ 𝑇𝑧 𝑇0 = 23,847 + 1,833𝑥10 𝑇𝑧 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 (𝑚𝐶𝑝)𝑇𝑧 𝑇0 = 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 (𝑚𝐶𝑣 ) 𝑇0 + 8,314 −3 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 (𝑚𝐶𝑝)𝑇𝑧 ∗ 𝑇𝑧 { 𝑇0 = 32,161 + 1,833𝑥10

𝐾𝐽 ) 𝐾𝑚𝑜𝑙°𝐶

CALCULAMOS LA TEMPERATU TZ 𝜁𝑣𝐻𝑢 + [(𝑚𝐶𝑣)𝑇𝑧 𝑇0 + 8,314]𝑇𝑐 + 2270(𝜆 − 𝜇𝑟 ) = 𝜇𝑟((𝑚𝐶𝑝)𝑇𝑧 𝑇0 ) ∗ 𝑇𝑧 Por ser un motor turboalimentado y teniendo en cuenta que va a tener una elevada carga térmica y considerando la generación de mejores condiciones para el desarrollo de la combustión, consideramos el coeficiente de utilización del calor: 𝜁𝑣 = 0.86 Asumimos 𝜆 = 1.4 Entonces: 𝜁𝑣𝐻𝑢𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = 0.86(42.87) =36.8682[

MJ Kmol

]

[𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 (𝑚𝐶𝑣)𝑇𝑧 𝑇0 8,314]𝑇𝑐=[19.76+8.314(1.4)]*805.2 =25283[KJ/Kmol] 2270(𝜆 − 𝜇𝑟) = 2270(1.4 − 1.036) = 826.28[𝐾𝐽/𝐾𝑚𝑜𝑙] 𝑇𝑧) 𝜇𝑟((𝑚𝐶𝑝) 𝑇0 ∗ 𝑇𝑧 = 1.036(32.161 + 1.833𝑥10−3 𝑇𝑧) ∗ 𝑇𝑧 𝑇𝑧)

𝜇𝑟((𝑚𝐶𝑝) 𝑇0 𝑇𝑧 = 33.318 ∗ 𝑇𝑧 + 1.8989𝑥10−3 𝑇𝑧 2 1.8989𝑥10−3 𝑇𝑧 2 + 33.318 ∗ 𝑇𝑧 = 70552.838[

Tz=1850°C =2123.15°K -Calculamos la relación de expansión previa: 𝜌=

𝜇𝑟 ∗ 𝑇𝑧 𝜆𝑇𝑐

𝐾𝐽 ] 𝐾𝑚𝑜𝑙

𝜌=

1.036 ∗ 2123.15 = 1.457 1.4(1078.2)

𝑃𝑧 = 𝜆 ∗ 𝑃𝑐 = 1.4 ∗ (7.93) = 11.102𝑀𝑃𝑎

VIII.PARAMETROS DEL PROCESO DE EXPANSION -𝛿 =

𝜀 𝜌

=

16.5 1.457

= 11.32

Del grafico 30: Para Tz=2123,15 y 𝛿 = 11.32; k2=1.265 𝑃𝑧

7.93

-𝑃𝑏 = (𝛿)𝑘2 = (11.32)1.265 = 0.368𝑀𝑝𝑎 𝑇𝑧

2123.15

-𝑇𝑏 = (𝛿)𝑘2−1 = (11.32)0.265 = 1116.12 𝐾 IX.COMPROBACION DE TEMPERATURA DE LOS GASES RESIDUALES ASUMIDA INICIALMENTE -𝑇𝑟 =

𝑇𝑏 1 𝑃𝑏 3 ( Pr )

=

1116.12 1 0.368 3 (0.1607)

= 846.77𝐾

-Tr calculado> Tr asumido(0.95) 846.77> 710*(0.95) 846.77>674.5 ( Se cumple) X.PARAMETROS INDICADOS DEL CICLO OPERATIVO DEL MOTOR DIESEL TURBOALIMENTADO -La presión media indicada: 𝜖 𝑛1 𝜆∗𝜌 1 𝑃𝑖, 𝑡 = 𝑃𝑎 ∗ ∗ (𝜆 ∗ (𝜌 − 1) + ( ) ∗ (1 − 𝑛2−1 ) 𝜀−1 𝑛2 − 1 𝛿 1 1 − ( − 1) ∗ (1 − ( 𝑛1−1 ))) 𝑛1 𝜖

16.51.367 1.4 ∗ 1.457 𝑃𝑖, 𝑡 = 0.1718 ∗ ∗ (1.4 ∗ (1.457 − 1) + ( ) 16.5 − 1 1.265 − 1 1 1 ∗ (1 − ) − ( ) 11.321.265−1 1.367 − 1 1 ∗ (1 − ( ))) 16.51.367−1 Pi,t= 1.268 Mpa -Factor diafragmático :0.921 Para nuestro caso tomamos un valor de S/D=1.013

1 3

4 ∗ 𝑉ℎ

𝐷 = 100 ((

𝑆 (𝜋 ( )) 𝐷

) ) 1 3

4 ∗ 𝑉ℎ 116.6 = 100 (( ) ) (𝜋(1.013)) Vh=3.67Lts

Area del piston: 𝜋 ∗ 𝐷2 𝐴= 4 𝜋 ∗ 116.62 𝐴= 4 𝐴 = 21799.22𝑚𝑚2 = 21.799𝑐𝑚2

XIII.PARAMETROS ENERGETICOS Y ECONOMICOS DEL MOTOR TURBOALIMENTADO 𝑃𝑒 ∗ 𝑖𝑉ℎ ∗ 𝑛 0.9208 ∗ 10.19 ∗ 2300 = = 179.83 𝐾𝑤 30 ∗ 𝜏 30 ∗ 4 𝑁𝑒 ∗ (9550) 179.83 ∗ (9550) 𝑀𝑒 = = = 746.68𝑁𝑚 𝑛 2300

𝑁𝑒 =

𝑀𝑒𝑚𝑎𝑥 = 1084.65𝑁𝑚

-𝐾𝑚 =

𝑀𝑒𝑚𝑎𝑥 𝑀𝑒𝑁

=

1084.65 764.68

= 1.418

-La potencia por litro o potencia por unidad cilindrada 𝑁𝑒𝑙 =

𝑁𝑒 179.83 = = 17.64 𝐾𝑊/𝑙 𝑖𝑉ℎ 10.19

-Gc=Ne.ge=179.83*250.98=45.133 Kg /h XIV.CONSTRUCCION DEL DIAGRAMA INDICADO REAL DEL MOTOR TURBOALIMENTADO.