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• Andrés Rivera Martínez

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CARACTERISTICA DE VELOCIDAD DE UN MOTOR DIESEL OBJETIVOS    

Determinar experimentalmente la característica de velocidad con la ayuda de un software de un motor diesel. Trazar los gráficos o características del motor trazarlo en una sola grafica una sobre otra para poder ver simultáneamente todas. Realizar el estudio experimental del comportamiento de los motores en función de la velocidad. Analizar las diferentes graficas obtenidas de los parámetros experimentales del motor diesel.

MARCO TEORICO I.

CARACTERISTICA DE VELOCIDAD

Representa la variación de los parámetros de funcionamiento del motor en función de la frecuencia de rotación del árbol de extracción de potencia. Es la representación gráfica de los parámetros del ciclo de trabajo y de los parámetros efectivos del motor en función de la velocidad de rotación del cigüeñal. Pueden ser:  Característica externa absoluta de velocidad.  Característica de límite de humos.  Característica parcial de velocidad. 1. CARACTERÍSTICA EXTERNA ABSOLUTA DE VELOCIDAD: Es el grafico de la variación de la potencia máxima posible para la frecuencia de rotación dada entonces esta característica limita el campo de los regímenes límites de funcionamiento. Es la característica de velocidad del motor para lo cual el órgano de mando del sistema de alimentación de combustible se mantiene constante y en la posición correspondiente al máximo suministro de combustible. 2. ÓRGANO DE MANDO DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL COMBUSTIBLE: Es la mariposa de gases en los motores de encendido por chispa o la cremallera de la bomba de inyección en los motores diesel.

3. CARACTERÍSTICAS PARCIALES DE VELOCIDAD: 1

Es la característica de velocidad del motor, en la que el órgano de mando del sistema de alimentación de combustible ocupa una posición intermedia. En consecuencia, dentro de los límites de movimiento del órgano de mando existirán tantas características parciales como posiciones intermedias de la mariposa de gases o de la cremallera hayan. Condiciones necesaria para la obtención de las características de velocidad:   

II.

Variable independiente: velocidad de rotación del cigüeñal. Magnitud constante: posición del órgano de mando del sistema de alimentación del combustible. Variables dependientes: potencia efectiva, momento torsional, consumos horarios y específico de combustible, presión media efectiva, consumo horario de aire, etc.

PARTICULARIDADES DE LA CARACTERÍSTICA DE VELOCIDAD

La tendencia de la potencia y del consumo especifico del combustible depende de la acción conjunta de la eficiencia indicada el coeficiente de exceso de aire, la eficiencia volumétrica y la eficiencia mecánica y de la velocidad de rotación del cigüeñal. En la figura se muestra la característica de velocidad de un motor. Como se observa, la tendencia de la potencia y del consumo específico del combustible depende de la acción conjunta de ηi , ηv , ηm , α, y de la velocidad de rotación del cigüeñal.

Característica de velocidad.

2

III.

FORMULAS A UTILIZAR

Potencia Efectiva (Ne)(kW) N e=

M e ×n 9550

Consumo de combustible (Gc) (kg/hr) Gc =3.6 ρc ×

∆V ∆t

Masa de aire fresca (Ga) (kg/hr) Ga=Ga =Va ρa Coeficiente de exceso de aire () α=

Ga G c × Lo

Dónde: Me = Torque efectivo (N.m) n = número de revoluciones (RPM) Dónde: V = Volumen del combustible en cada ciclo c = Densidad del combustible = 0,86 g/cm3 t = Tiempo de cada ciclo Dónde: a = densidad del aire = 0,895 kg/m3 Va = caudal de aire (m3/hr) Dónde: Lo = Relación estequiométrica = 14,40 kgaire/kg- comb Gc: Gasto de combustible (kg/hr). Ga: Masa de aire fresca (kg/hr).

Consumo o gasto especifico efectivo Dónde: (ge) (gr/KW-hr) Gc : Gasto de combustible (kg/hr). Ne: Potencia efectiva (kW). G ge = c Ne Eficiencia efectiva ( e ) ηe =

3600 ge × H u

Dónde: Hu = Poder calorífico = 42500 KJ/kg ge: gasto especifico efectivo de combustible (gr/KW-hr).

Eficiencia Volumétrica o coeficiente de Dónde: llenado ( v) Vh = Cilindrada unitaria ηv =

Ga 60 × V h × ρk × i× n τ

π ¿ × d2× s 4

k = Densidad del aire 0,895 kg/m3 i = Numero de cilindros (4) n = RPM  = 2 (motor de 4 tiempos)

3

IV.

EQUIPO A UTILIZAR

Parámetros básicos del Objeto de Prueba Diámetro del cilindro Carrera del pistón R/L Número de cilindros Cilindrada Relación de compresión Potencia efectiva Momento par máximo Factor nominal de reserva del momento par (Torque máximo/Torque nominal) Frecuencia nominal Gasto especifico de combustible Gasto relativo aceite por quemadura Masa seca del motor

110 mm 125 mm 0,32 4 4,75 l 16 55 + 3,7 275 N.m 12% 2200 RPM 238 g/kW.hr 0,70% 460 kg

Parámetros de Medición

4

Gracias a este software se pueden hacer graficas instantáneas de los parámetros del motor para interpretar mejor las variaciones de estos en cada medición. Comprobar el funcionamiento del banco de ensayos, sin arrancar el motor. Arrancar el motor y esperar que alcance su temperatura 65 a 75°C. Con la cremallera de la bomba de inyección en su posición de máximo suministro, con un ángulo de avance de 22o y ayudándose con el freno establecer el régimen inicial de velocidad. Esperar el funcionamiento estable del motor y luego efectuar las mediciones indicadas. Disminuyendo la carga en el freno, aumentar la velocidad de rotación y luego efectuar las mediciones. Repetir sucesivamente el punto anterior y luego efectuar las mediciones cundo el motor alcance la velocidad de 2200rpm. [2] (a) Parámetros del motor que deben calcularse     

Momento torsional del motor (Me). Potencia efectiva del motor (Ne). Consumo específico efectivo de combustible (ge). Consumo específico indicado de combustible (gi). Eficiencia efectiva del motor (ηe). 5

    

V.

Eficiencia indicada del motor (ηi). Eficiencia mecánica del motor (ηm). Coeficiente de llenado (ηv). Consumo horario de combustible (Gc) Coeficiente de exceso de aire (α).

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

A través del software de un ordenador, simulamos el ensayo del laboratorio, lo que equivale a decir que encendemos el banco de pruebas, enseguida regulamos la frecuencia de rotación a 2200 rpm, la que será constante durante todas las pruebas. Procedemos a regular la posición de la palanca BAP para obtener un momento par de 50N.m. aproximadamente y luego anotamos los datos una vez que el motor alcanza los parámetros estables para su funcionamiento en ese régimen, luego subimos el Momento par de 50 en 50 hasta llegar al par máximo de 275 N.m. Después hallamos el ángulo óptimo de inyección para diferentes frecuencias de rotación de 600 rpm hasta 2200 rpm variando en 300 rpm. Esto se hace manteniendo la frecuencia y la posición de la palanca constantes y se prueba con los distintos ángulos de inyección hasta encontrar el óptimo para ese régimen de funcionamiento donde la potencia sea máxima y el consumo especifico de combustible sea mínimo. Gracias a este software se pueden hacer graficas instantáneas de los parámetros del motor para interpretar mejor las variaciones de estos en cada medición.     

Comprobar el funcionamiento del banco de ensayos, sin arrancar el motor. Arrancar el motor y esperar que alcance su temperatura 65 a 75°C. Con la cremallera de la bomba de inyección en su posición de máximo suministro, con un ángulo de avance de 22 o y ayudándose con el freno establecer el régimen inicial de velocidad. Esperar el funcionamiento estable del motor y luego efectuar las mediciones indicadas. Disminuyendo la carga en el freno, aumentar la velocidad de rotación y luego efectuar las mediciones. Repetir sucesivamente el punto anterior y luego efectuar las mediciones cundo el motor alcance la velocidad de 2200rpm.

Datos tomados del software para un ángulo de avance constante (22°) N° Punto de prueba Presión barométrica (kPa) Humedad relativa (%) Temperatura (°C) Gasto de combustible (g) Tiempo de consumo de

1 98

2 98

3 98

4 98

5 98

6 98

7 98

64 30 150

64 30 150

64 30 150

64 30 150

64 30 150

64 30 150

64 31 150

148,

88,6

63,4 49,6

43,

40,5

40,5

6

combustible (s) Posición de la palanca de control de BAP (%) Momento par (N.m) Temperatura de los gases de escape (°C) Contrapresión en el escape (kPa) Angulo de avance (°) Frecuencia de rotación (RPM) CO (%)

1 100

100

100

232 724, 2 0,2

265 796, 2 0,3

284 291 812, 839 7 0,4 0,5

22 599

22 901

0,22

HC (ppm) Hollin (%) NO x (ppm)

102 36 148 0 92

0,07 5 196 39 1210

22 119 9 0,05

Temperatura del líquido refrigerante (°C) Temperatura del aceite (°C) Presión del aceite (MPa) Vacío en la admisión (kPa) Gasto de aire (m3/hr) Momento par residual

5 100

100

100

100

253 826, 3 0,71

244 799,6

22 210 0 0,13

22 2202

84 21 115 0 90

98 19 1110

92

198 38 110 0 91

22 149 9 0,08 5 150 34 111 0 90

279 852 ,4 0,6 1 22 180 3 0,1 3 96 28 116 0 90

96

94

94

93

93

93

93

0,1

0,15

0,2

0,26

0,35

0,35

0,33

0,49

0,65 0,82

1,15

1,2

72 -16

109 -20

148 -24

0,3 1 0,9 8 215 -33

239 -37

251 -39

184 -29

0,74

0,115

90

Ángulos de avance óptimo para diferentes frecuencias de rotación N° Punto de prueba 1 2 3 4 5 6 7

Frecuencia de rotación (RPM) 600 900 1200 1500 1800 2100 2200

Angulo de avance 10° 14° 18° 20° 22° 24° 26°

Datos tomados del software con un ángulo de avance óptimo N° Punto de prueba Presión barométrica (kPa) Humedad relativa (%) Temperatura (°C) Gasto de combustible (g) Tiempo de consumo de combustible (s) Posición de la palanca de control de BAP (%) Momento par (N.m) Temperatura de los gases de

1 98 64 32 150 148

2 98 64 32 150 87,9

3 98 64 32 150 63,2

4 98 64 32 150 49,9

5 98 64 32 150 43,8

6 98 64 32 150 40,7

7 98 64 32 150 41,1

100

100

100

100

100

100

100

248 701

276 771,4

287 835,7

287 849,5

278 859,4

256 822

245 819,3

7

escape (°C) Contrapresión en el escape (kPa) Angulo de avance (°) Frecuencia de rotación (RPM) CO (%) HC (ppm) Hollin (%) NO x (ppm) Temperatura del líquido refrigerante (°C) Temperatura del aceite (°C) Presión del aceite (MPa) Vacío en la admisión (kPa) Gasto de aire (m3/hr) Momento par residual

VI.

0,2 10 602 0,15 114 55 119 0 93

0,3 14 901 0,01 180 52 910

0,4 18 1203 0,015 182 45 900

0,51 20 1502 0,07 140 37 1000

0,61 22 1799 0,13 96 27 1160

0,71 24 2099 0,13 92 18 1300

0,74 26 2199 0,105 108 13 1440

91

91

91

91

91

91

95 0,1 0,33 69 -16

94 0,15 0,49 109 -20

94 0,2 0,66 147 -24

94 0,26 0,82 182 -29

94 0,31 0,98 214 -33

94 0,35 1,15 243 -37

93 0,35 1,2 250 -39

PROCESANDO LOS DATOS Características para un ángulo de avance constante (22°)

N° Punto de Prueba 1

RPM

Gc

Ga

Alfa

ge

Ne

Nm

Ni

ne

nv

nm

ni

599

3,65

64,44

901

6,09

97,56

3

1199

8,52

4

1499

5

1803

6

2100

7

2202

10,8 9 12,4 1 13,3 3 13,3 3

132,4 6 164,6 8 192,4 3 213,9 1 224,6 5

250, 57 243, 78 238, 87 238, 35 235, 67 239, 66 236, 99

14,55

2

1,2 3 1,1 1 1,0 8 1,0 5 1,0 8 1,1 1 1,1 7

1,0 0 1,8 9 3,0 1 4,5 5 6,2 3 8,1 4 8,9 9

15,5 6 26,8 9 38,6 7 50,2 3 58,9 0 63,7 7 65,2 5

0,3 4 0,3 5 0,3 5 0,3 6 0,3 6 0,3 5 0,3 6

0,8 4 0,8 5 0,8 7 0,8 6 0,8 4 0,8 0 0,8 0

0,9 4 0,9 3 0,9 2 0,9 1 0,8 9 0,8 7 0,8 6

0,3 6 0,3 7 0,3 8 0,3 9 0,4 0 0,4 1 0,4 1

25,00 35,66 45,68 52,67 55,63 56,26

8

Características para ángulos de avances óptimos N° Punto de Prueba 1

RPM

Gc

Ga

Alf a

ge

Ne

Nm

Ni

ne

nv

nm

ni

602

3,65

2

901

6,14

3

1203

8,54

4

1502

5

1799

6

2099

7

2199

10,8 2 12,3 3 13,2 7 13,1 4

61,7 6 97,5 6 131, 57 162, 89 191, 53 217, 49 223, 75

1,1 8 1,1 0 1,0 7 1,0 5 1,0 8 1,1 4 1,1 8

233,3 9 235,9 3 236,3 4 239,7 4 235,4 2 235,8 0 232,9 0

15,6 3 26,0 4 36,1 5 45,1 4 52,3 7 56,2 7 56,4 1

1,0 1 1,8 9 3,0 2 4,5 6 6,2 2 8,1 3 8,9 8

16,6 4 27,9 3 39,1 8 49,7 0 58,5 9 64,4 0 65,3 9

0,3 6 0,3 6 0,3 6 0,3 5 0,3 6 0,3 6 0,3 6

0,8 0 0,8 5 0,8 6 0,8 5 0,8 3 0,8 1 0,8 0

0,9 4 0,9 3 0,9 2 0,9 1 0,8 9 0,8 7 0,8 6

0,3 9 0,3 9 0,3 9 0,3 9 0,4 0 0,4 1 0,4 2

Característica externa de velocidad para un ángulo de avance constante (22°)

9

Característica externa de velocidad para ángulos de avance óptimos de las frecuencias de rotación ensayadas

10

Análisis del error absoluto del consumo especifico de combustible Para ángulo optimo del avance: Donde:

11

ϕ=26° n= (2200 ± 1) rpm Me= (251 ± 1) Nm t = (40 ± 0.1) s mc = (150 ± 0.1) gr

12

VII.

CONCLUSIONES 





 



Los resultados arrojados por el software, nos permitieron realizar las características externas de carga, coincidiendo en muchos aspectos con las características de carga observadas en el marco teórico, en el comportamiento que tienen los diferentes parámetros analizados en relación a distintas frecuencias de rotación. podemos observar que el momento par máximo corresponde a frecuencias de rotación intermedias, correspondientes aproximadamente a 1500 RPM, el consumo horario de combustible y de aire aumenta a medida que aumenta la velocidad. En relación con el consumo especifico, podemos señalar que al mantener el ángulo de avance constante (22°), el mayor valor corresponde a las frecuencias mínimas de rotación; mientras que con la variación del ángulo de avance en relación a la velocidad para obtener un valor máximo del momento par, tenemos que el consumo especifico mayor corresponde a 1500 RPM aproximadamente. el aumento de la potencia, comparando la potencia obtenida para ángulos de avance óptimos y una Angulo de avance constante, no justifica la implementación de un equipo encargado de variar el ángulo de avance en el motor podemos asegurar que las perdidas mecánicas crecen a medida que aumenta la frecuencia de rotación, así mismo la eficiencia de llenado también disminuye al existir menos tiempo para llenar el cilindro en la admisión pese a que el motor presenta temperaturas menores a mayores frecuencias de rotación. el análisis del error correspondiente al consumo especifico de combustible para un ángulo de avance óptimo de 26° a la frecuencia de rotación de 2200 RPM, obteniendo un error de 0,47 % o 1,1 g/kW.hr.

13