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• Franklin Avendaño Carbajal

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Ingeniería Introducción: En un motor de combustión interna existe la transformación de energía Química en energía Calorífica y esta ultima en energía Mecánica. En el mundo laboral del ingeniero Electromecánico y/o Mecánico el estudio de diseño, funcionamiento y resolución de problemas electromecánicos de motores de combustión interna es algo común, el deberá estar preparado para poder resolver satisfactoriamente es tos inconvenientes. Esta práctica consiste en poder determinar el área que representa el trabajo producido por un motor otto (motor de combustión interna por ignición de chispa) lo mas cercano a la realidad y con este dato obtener luego la potencia del motor.

El ciclo OTTO se desarrolla de la forma siguiente: 

1er. TIEMPO: Carrera de aspiración.

La válvula de admisión se abre, permitiendo la entrada en el cilindro de la mezcla de aire y gasolina. Al finalizar esta primera etapa, la válvula de admisión se cierra. El pistón se desplaza hasta el denominado punto muerto inferior (PMI). 

2

º

TIEMPO: Carrera de compresión.

La mezcla de aire y gasolina se comprime con un movimiento del embolo de derecha a izquierda desde el PMI al PMS. La posición que alcanza el pistón se denomina punto muerto superior (PMS). Se reduce el volumen de la mezcla con una “relación de compresión”: e = V1/V2. La presión de la mezcla aumenta con una expresión P.V n=conts. Que es la correspondiente a la transformación poli trópica. Al llegar el embolo al P.M.S, la mezcla se inflama con una chispa, produciendo luego la combustión de la mezcla (explosión), esta combustión es instantánea, elevando la temperatura T2 a T3 y la presión P2 a P3. 

3er. TIEMPO: Carrera de expansión.

El embolo regresa al punto muerto inferior P.M.I, la expansión se realiza a través de una curva poli trópica. 

4º TIEMPO: Carrera de

Escape.

La válvula de escape se abre, expulsando al exterior los productos de la combustión. Al finalizar esta etapa el proceso vuelve a comenzar. El ciclo de cuatro tiempos descrito anteriormente, llamado teórico, en la práctica no se realiza exactamente como se ha indicado, en cuanto a los momentos de apertura y cierre de las válvulas, existiendo en la realidad un desfase con respecto a los momentos en que el pistón alcanza los puntos muertos. Con este desfase se consigue no solamente un mejor llenado del cilindro y mejor vaciado de los gases quemados, sino que se mejora la potencia y el rendimiento del motor.

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Ingeniería Objetivo: El principal objetivo de la práctica es graficar el ciclo indicado del motor OTTO (curvas de admisión, compresión, explosión y expansión del motor), según la construcción de Bauer. A partir de este grafico comprobar de manera analítica un punto cualquiera de la curva poli trópica de la compresión o expansión. Luego de forma analítica calcular la potencia indicada del la entregada por el fabricante.

motor y comparar esta potencia con

Medir el punto máximo de la compresión (P2) en el cilindro con un Compresometro luego calcular analíticamente el coeficiente poli trópico, la potencia entregada por cada por cada cilindro, y la potencia total. Determinado el funcionamiento electromecánico y termodinámico del motor, investigar posibles mejoras en el rendimiento del mismo. Materiales: Motor Fiat (Regatta 85). Compresometro 0 - 20 kg/ cm2. Herramientas de taller. Manual de taller del motor. Datos del motor del laboratorio: P1= 1kg/cm2 4 cilindros

Diámetro= 86,38 mm C= 63,90 mm e=9,2:1 P= 82 C.V (a 5600 RPM)

4 ti :4 tiempos

Volumen de cilindrada:

Vc 

  2  C 4

  8,638 cm 2  6,39 cm



4

 374 ,4700933 cm 3

Volumen total de cilindrada:

Vct  Vc  n º cilindro  1497,880373cm3 Volumen de la cámara de combustión:

V2 

Vc  45,66708455cm 3 (  1)

Volumen total del cilindro:

V 1    V 2  420 ,13779 cm3

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Ingeniería Desarrollo: En el ensayo se midió la presión final de compresión de cada cilindro del motor, estas mediciones fueron realizadas con un compreso metro. Las mediciones se realizo sacando todas las bujías del motor y abriendo totalmente la apertura de la mariposa del carburador. Como precaución se desconecto el circuito electrónico que genera la chispa en la bujía, que es la necesaria para que se realice la explosión en el cilindro. Una vez realizado el ensayo se pudo levantar todos los datos de la presión de compresión máxima de cada cilindro con este dato y conociendo la geometría de cada cilindro se procedió a calcular, la presión máxima al final de la combustión, presión al final de la expansión, exponente poli trópica, la presión media, trabajo útil y la potencia indicada. Los cálculos mencionados anteriormente se realizaron con las siguientes formulas: Se toma como P1 la presión atmosférica que es = 1 Kg/cm 2. -Presión máxima al final de la combustión (P3) es calculada con una formula empírica propuesta por Ing. Dante Giacosa.  kg  P3  (7  2)0,85   cm2 

-Presión al final de la expansión (P 4) es calculada a partir de la formula de transformación poli trópica de expansión.

P4 

P3  kg   n   cm 2 

-Exponente poli trópica (n) es calculada a partir de la formula de la transformación poli trópica (compresión y expansión). Partiendo de la siguiente formula se despeja el exponente poli trópico. Aclaración, este exponente es levemente diferente en la curva de compresión con la de expansión y sus valores calculados se encuentran habitualmente 1,20 y 1, 25 validos para ciclo OTTO.

P1  V1n  P2  V2n

n

log P 2 log 

-Presión media indicada (Pm) es calculada por la diferencia entre la presión media inferior (PMi) y la presión media superior (PMs).      P3  P1   P 2  P1   kg    Pmed   2 P3   P2   ln ln      cm   P1   P1 

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Ingeniería Trabajo útil (Wind) es el trabajo útil indicado del ciclo, se puede apreciar como el área encerrada por el ciclo del motor.

Wind  Pmed  VcKgm - Potencia indicada (N) es la potencia entregada por el motor sin considerar las perdidas mecánicas, se calcula con la siguiente formula.

N 

Pmed  Vc  RPM C.V  900

Tabla nº 1:

Cilindro 1 2 3 4

P1 kg/cm2 1 1 1 1

Mariposa abierta P2 P3 P4 2 2 kg/cm kg/cm kg/cm2 12 53,040 4,41 13 53,040 4,13 12 53,040 4,12 12,5 53,040 4,22

Sin bujías n Pm kg/cm2 1,12 8,67 1,15 8,42 1,12 8,67 1,14 8,55

Wind. kgm 32,47 31,53 32,47 32,02

N RPM CV min-1 20.17 5600 19.65 5600 20.17 5600 19,95 5600 79.94 PT

Para tabla nº 1 se graficara, por la construcción de Bauer, el ciclo que realiza el cilindro nº 4. Verificación de a curva de compresión: Se verificara el punto 2”’ de la curva de compresión se tomara los siguiente datos para el cálculo analítico, que luego el punto calculado se verificara con el grafico. P1 = 1 Kg/cm2 V1 = 420, 13779 cm3 n = 1, 15 V2”’ =180 cm3 P2”’grafico = 2,75 Kg/cm2 >> este valor es obtenido del grafico. Fórmula poli trópica = P1  V1n  P "'  V n"' 2 2

Despejamos P2”’ – P2 "'  P1   V 1  "' V 2 

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n

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 420,13779  "' P2  1   180  

 2,740085803

Kg cm2

Error = P2”’grafico - P2”’ = (2,75 – 2,740085803) Kg/cm2 = 9,914197x10-3 Kg/cm2 DIAGRAMA BRAUER. En el diagrama P-V se trazan 2 líneas auxiliares que forman con los ejes principales ángulos α y β que cumplan con la condición:

En nuestro caso escogimos por comodidad de diseño y escala del grafico igualdad nos da (Ver diagrama adjunto)

haciendo la

Tabla nº 2:

Cilindro 1 2 3 4

P1 kg/cm2 1 1 1 1

Mariposa cerrada - Sin bujías P2 P3 P4 n Pm 2 2 2 kg/cm kg/cm kg/cm kg/cm2 12,5 53,040 4,24 1,138 8,55 13 53,040 4,07 1,156 8,43 12,5 53,040 4,24 1,138 8,55 12,5 53,040 4,24 1,138 8,55

Wind. kgm 32,02 31,56 32,02 32,02

N RPM CV min-1 19,95 5600 19,67 5600 19,95 5600 19,95 5600 79,52 PT

En la misma práctica se realizo una tabla nº 2 cuando el motor esta con la Mariposa cerrada - Sin bujías. Con esta tabla a modo de análisis se ve que la presión P2 es menor que cuando se realizo con la Mariposa abierta - Sin bujías, esto se debe aque el llenado de los cilindro se ven limitado por el cierre de la mariposa y al comprimir se encuentre con menos cantidad de aire que en caso anterior. De manera que las presiones al ser pequeña aumenta el trabajo indicado (área encerrado por el ciclo del motor), por lo tanto aumenta la potencia indicada total de motor.

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Tabla nº 3:

Cilindro 1 2 3 4

Mariposa abierta - con bujías P1 P2 P3 P4 n Pm 2 2 2 2 kg/cm kg/cm kg/cm kg/cm kg/cm2 1 13 53,040 4,07 1,156 8,43 1 13 53,040 4,07 1,156 8,43 1 12,5 53,040 4,24 1,138 8,55 1 12,5 53,040 4,24 1,138 8,55

Wind. kgm 31,56 31,56 32,02 32.02

N RPM CV min-1 19,67 5600 19,67 5600 19,95 5600 19,95 5600 79,24 PT

Tabla nº 3 Mariposa abierta - con bujías, al comparar las presiones que se midió con la primera tabla no se ve una variación en casi todos los cilindros, salvo el cilindro nº 1 ahí se ve una pequeña variación, esto nos quiere decir que la medida de la presión no se ve afectada cuando las bujías estén puestas, lo único que hizo es que el motor gire mas lento por la presión que ejerce en los demás cilindros.

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Conclusiones: El ciclo OTTO ideal nos muestra un análisis de una primera aproximación del funcionamiento de un motor OTTO, y esto es suponiendo al aire como gas perfecto y calores específicos constantes durante la transformación termodinámica. En el diagrama de BRAUER podemos visualizar el ciclo termodinámico del motor mas semejante a la realidad, es decir hay calor que sale del sistema durante el proceso(no son adiabáticos m=k) sin embargo, aumentaran las temperaturas(debido a que los procesos no son isotérmicos en su totalidad) y esto quiere decir que los exponentes “n” deben ser mayores que 1 pero menores que K=1,4. El área obtenida bajo la curva en el diagrama hecho representa el trabajo del ciclo y la potencia que es la tasa de este trabajo con respecto al tiempo, no es la potencia que produce en realidad el motor para impulsar al eje, sino mas bien la que se podría producir en el pistón del motor sin fricción. A esto se debe la diferencia obtenida en la potencia N con respecto a la del fabricante. No es necesario realizar la prueba con la mezcla aire combustible, porque para nuestros objetivos no influye, si tuviéramos que la cantidad de calor producido en la explosión si sería necesario, tendríamos que saber qué cantidad de combustible/aire hay en la cámara de mezcla. El ciclo realizado por el cilindro nº 2, dibujado por el método de construcción de Bauer se pudo verificar con un cierto parámetro de error de 9,914197x10-3 Kg/cm2, debido al trazo de las líneas en la hoja milimetrada. Este nos quiere decir que es una buena forma de aproximas el ciclo realizado por el motor. La potencia indicada calculada de manera analítica, se aproxima con un error del 7,213 % a la potencia descrita por el fabricante. La potencia del motor descrita por el fabricante es potencia efectiva, mientras lo que nosotros calculamos fue la potencia indicada, si bien estos dos valores no tendrían que ser igual, ya que la potencia indicada calculado para este practico tiene sus limitaciones como por ejemplo, la obtención de las presiones P1, P2, P3, P4, solo las presiones P1 y P2 fueron obtenida con una medición directa, con un equipo adecuado, como el es compresómetro mientras que las otras dos fueron obtenida mediante formula empírica y formula de un modelo teórico, pero nos sirve comparar estas dos potencia, para verificar que la practica realizada no presenta valores próximos a los entregado por el fabricante.

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