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CICLO OTTO Y DIESEL Introducción En el actual trabajo se presenta un análisis de dos motores, uno que opera, bajo el ciclo Otto (usando gasolina) y el otro bajo el ciclo Diesel (utilizando combustible diesel), esto es la parte final de una serie de tareas que tuvieron como objetivo complementar nuestro aprendizaje teórico en el aula. Aquí, se denota la clara relación de cada concepto aprendido durante la experiencia educativa de Motores Térmicos, es un compilado de las diversas actividades realizadas las cuales se entrelazan entre sí. En primer plano se tiene un análisis termodinámico completo del motor de un automóvil particular. Seguido de esto se tiene el estudio de un motor de diesel, el cual tiene la particularidad de operar con una mezcla de este combustible y de biocombustible generado a partir de la semilla de la palma. Con todo esto se pretende establecer un panorama muy amplio acerca de los alcances de nuestro aprendizaje y la interrelación existente entra cada concepto aprendido.

ANÁLISIS TERMODINÁMICO DE UN MOTOR DE CICLO OTTO: NISSAN NP300

En esta primera parte se presenta el análisis de un motor Nissan NP300 que opera con el ciclo Otto. A continuación se muestran los datos técnicos del automóvil.

Adicionalmente a estos datos se investigó la presión máxima de nuestro motor, ya que era un dato importante para nuestros cálculos. Presión Máxima: 4.6 MPa. ANÁLISIS TERMODINÁMICO

Con todo lo anterior se procedió a calcular los parámetros principales y de interés. En este caso se calculó: •Datos y características de cada estado termodinámico (Admisión, compresión, explosión, expulsión de gases de escape) •Temperatura máxima del motor •Calor absorbido por el ciclo. •Eficiencia Térmica y mecánica. •Comparación de potencias (Obtenida por medio de los datos con la presentada por la ficha técnica) •Calor liberado Ahora, procederemos a realizar el análisis termodinámico del motor del vehículo en cuestión:

Los datos con los que contamos son los siguientes: • ɣ= 9.2

•Potencia: 146 HP a 5200 rpm (106 Kw)

•T1=22°C

•P1= La presión atmosférica promedio en Xalapa, de 85.5452 kPa •V1=5.9723x10-4 m3

•P3=4.6 MPa

Éstos son los datos del primer estado termodinámico del proceso, cuando ocurre la admisión de aire y combustible en el cilindro. Y calculamos la temperatura 2 y la presión 2, cuando se comprime la mezcla: 𝑇2 = 𝑇1 𝛾 𝑘−1 ∴ 𝑇2 = 716.7°𝐾

𝑃2 = 𝑃1 𝛾 𝑘 ∴ 𝑇2 = 1912.05 𝑘𝑃𝑎

Con estos datos, continuaremos con el análisis hacia el estado 3, cuando la chispa de la bujía enciende la mezcla: Con ayuda de la ecuación de los gases ideales: 𝑉2 𝑃2 𝑉3 𝑃3 = 𝑅𝑇2 𝑅𝑇3 Como es un proceso isocórico, el volumen no cambia, por lo tanto, la ecuación queda como: 𝑇3 =

𝑇2 𝑃3 ∴ 𝑇3 = 1724.23°𝐾 𝑃2

Entonces, podemos calcular el calor aplicado en el proceso: 𝑄2−3 = 𝐶𝑣 (𝑇3 − 𝑇2 ) ∴ 𝑄2−3 = 0.718

𝐾𝐽 𝐾𝐽 (1007.53)°𝐾 = 723.41 𝐾𝑔°𝐾 𝐾𝑔

Y pasamos al estado 4, cuando el cilindro se encuentra en su punto medio inferior, y ya ha sucedido la explosión. Calculamos presión y temperatura: V4=V1 Sabemos que 𝑇4 =

𝑇3 𝑇1 𝑇1

= 709.71°𝐾 y 𝑃4 𝑉4 = 𝑅𝑇4 ∴ 𝑃4 =

𝑅𝑇4 𝑉1

𝑃4 = 341.02 𝑘𝑃𝑎 El calor liberado durante el ciclo queda como: 𝑄4−1 = 𝐶𝑣 (𝑇1 − 𝑇4 ) = −297.76 El trabajo aprovechado durante el ciclo queda entonces como:

𝐾𝐽 𝐾𝑔

𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜 = 𝑄4−1 + 𝑄2−3 = 425.65

Y: 𝜂𝑡 =

𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜 𝑄2−3

=

𝐾𝐽 𝐾𝑔 𝐾𝐽 723.41 𝐾𝑔

425.65

𝐾𝐽 𝐾𝑔

= 0.5884 ó 𝜂𝑡 = 1 − 𝛾 1−𝑘 = 1 − 0.4116 = 0.5884

Ahora que contamos con los datos de los 4 estados termodinámicos, calcularemos la potencia teórica, y la compararemos con la de la ficha técnica (106 Kw). Comenzaremos calculando el trabajo que sólo la masa de gasolina ejerce al momento de la adición de calor. Como dato técnico, sabemos que en un motor de ciclo Otto, la proporción de aire-gasolina es de 12000:1. 𝑉

1 Entonces el volumen de la masa de gasolina es 12001 , y queda como:

𝑉𝑐𝑜𝑚𝑏 = 4.97 ∗ 10−5 𝑚3 Así, encontraremos la masa de la gasolina: 𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏 = 𝑉𝑐𝑜𝑚𝑏 𝜌𝑐𝑜𝑚𝑏 = (4.97 ∗ 10−5 𝑚3 ) (680

𝐾𝑔 ) = 3.384 ∗ 10−5 𝐾𝑔 𝑚3

El trabajo capaz de entregar el combustible durante la explosión es: 𝐾𝐽

𝑊𝑐𝑜𝑚𝑏 = 𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏 𝑄𝑚 , siendo “Qm” el poder calorífico de la gasolina, en 𝐾𝑔 𝑊𝑐𝑜𝑚𝑏 = (3.384 ∗ 10−5 𝐾𝑔) (44300

𝐾𝐽 ) = 1.5 𝐾𝐽 𝐾𝑔

Ahora podemos calcular la potencia teórica: 𝑃𝑜𝑡 =

𝑛𝑊𝑐𝑜𝑚𝑏 𝜔 2∗60

, siendo “n” el número de cilindros, y “ω” la velocidad angular, en rpm. 𝑟𝑒𝑣 (4)(1.5𝐾𝐽)(5200 𝑚𝑖𝑛) 𝑃𝑜𝑡 = = 259.85 𝑘𝑊 60 𝑠𝑒𝑔 (2)( 𝑚𝑖𝑛 )

Ésta es la potencia teórica, si la multiplicamos por la eficiencia térmica (ideal), obtenemos un resultado de 152.89 Kw La potencia que está en la ficha técnica es de 106 Kw De este modo podemos calcular el rendimiento mecánico igualando la potencia entregada a la potencia ideal multiplicada por la eficiencia mecánica: 152.89 𝑘𝑊 = 𝜂𝑚 106𝑘𝑊 ∴ 𝜂𝑚 = 0.6933 Con esto, podemos obtener la eficiencia real del vehículo a un régimen 5200 rpm: 𝜂𝑅𝑒𝑎𝑙 = 𝜂𝑚 ∗ 𝜂𝑡 = (0.6933)(0.5884) = 0.408 = 40.8%

Con todo lo anterior podemos realizar nuestra gráfica de P-V para el ciclo Otto realizado por nuestro motor.

CONCLUSIONES (PRIMER ANÁLISIS)

Con este análisis, y la investigación que hemos desarrollado, llegamos a una conclusión acerca del funcionamiento de los motores. Como se mostró en el análisis, el calor suministrado 𝐾𝐽

después de la compresión, es decir, en el momento de la explosión es de 723.41 𝐾𝑔, luego se mostró que el trabajo suministrado por el combustible es de 1.5 KJ Al compararlos, resulta obvia la discrepancia, he ahí el objeto de esta conclusión. Como la masa del aire es 12000 veces mayor a la del combustible, realiza un trabajo mayor, aunque posea un poder calorífico mucho menor. Esto nos dice que el motor de combustión interna funciona primordialmente con aire, sólo se añade un ínfima parte de gasolina, para generar una mezcla de fluidos que pueda explotar con una chispa, debido a que el aire, por su cuenta, no explota a pesar de ser que se le aplique una chispa o sea comprimido.

ANÁLISIS MOTOR DE DIESEL-BIOCOMBUSTIBLE: PRÁCTICA BOCA DEL RÍO

Como segunda parte de nuestra presentación se tiene el análisis de un motor de diesel, este cabe mencionar tiene la particularidad de que la mezcla de combustible cuenta con una fracción de biocombustible obtenido a partir de la semilla de la palma (Elaeis guineensis) En este caso se cuentan con ciertas características propias del motor, ya que cabe mencionar es ensamblado. Para realizar esta práctica fue necesario trasladarnos a las instalaciones de la Facultad de Ingeniería campus Boca del Río, donde amablemente nos atendió el encargado del laboratorio, el ingeniero Ezequiel Uscanga. El cuál nos comentó que el laboratorio servía para dar prácticas de plantas de vapor, motores de combustión interna e incluso para hacer análisis de intercambiadores de calor. Estando ahí también tuvimos la oportunidad de desarmar un motor de combustión interna de ciclo OTTO. Dicho motor de la marca Dodge, modelo 75 de 6 cilindros. Siguiendo con la práctica pudimos observar un motor de combustión interna de ciclo Diesel, mono cilíndrico en nuestro caso a un voltaje de 200 V y a un amperaje de 2, 5, 10 respectivamente. Este motor trabaja con biodiesel o con diesel. Para nuestro caso, se hizo una mezcla de ambos combustibles. De este motor pudimos obtener varios datos, los cuales fueron arrojados a la siguiente tabla:

Resistencia

Rpm

F1

F2

0-1

850

150 N

180 N

330 N

0-2

850

150 N

190 N

340 N

2-1

850

150 N

215 N

365 N

F Res F1+F2

Siendo representado por F1 el contrapeso, F2 la fuerza de la máquina y la suma de las fuerzas el impulso total del motor. Con esto pudimos obtener algunos datos que nos faltaban: el Par del motor y la potencia. Para esto se hicieron los siguientes cálculos: 

Para la resistencia 0-1 Par =

𝐹·𝑅 330𝑁 (220𝑚𝑚) = = 72.6 𝑁 · 𝑚 1000 1000

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝐾𝑊 =

𝐹·𝑉 330𝑁 (850𝑟𝑝𝑚) = = 6.46 𝐾𝑊 1000 · 𝐾 1000 (43.42)

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝐻𝑝 = 𝑃𝑜𝑡 𝑒𝑛 𝐾𝑊 · 0.746 = (6.46)(0.746) = 4.82 𝐻𝑃



Para la resistencia 0-2 Par =

𝐹·𝑅 340𝑁 (220𝑚𝑚) = = 74.8 𝑁 · 𝑚 1000 1000

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝐾𝑊 =

𝐹·𝑉 340𝑁 (850𝑟𝑝𝑚) = = 6.65 𝐾𝑊 1000 · 𝐾 1000 (43.42)

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝐻𝑝 = 𝑃𝑜𝑡 𝑒𝑛 𝐾𝑊 · 0.746 = (6.65)(0.746) = 4.96 𝐻𝑃



Para la resistencia 2-1 Par =

𝐹·𝑅 3465𝑁 (220𝑚𝑚) = = 80.3 𝑁 · 𝑚 1000 1000

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝐾𝑊 =

𝐹·𝑉 365𝑁 (850𝑟𝑝𝑚) = = 7.15 𝐾𝑊 1000 · 𝐾 1000 (43.42)

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝐻𝑝 = 𝑃𝑜𝑡 𝑒𝑛 𝐾𝑊 · 0.746 = (7.15)(0.746) = 5.33 𝐻𝑃

Con estos resultados podemos crear una nueva tabla: Resistencia

Rpm

F1

F2

F Res

Par

Pot en KW

Pot en HP

0-1

850

150 N

180 N

330 N

72.6 N·m 6.46

4.82

0-2

850

150 N

190 N

340 N

74.8 N·m 6.65

4.96

2-1

850

150 N

215 N

365 N

80.3 N·m 7.15

5.33

En paralelo con estos datos, se obtuvieron datos sobre el tiempo en el que se consumía una cierta cantidad de combustible, y lo que obtuvimos fue que una cantidad de 50 ml de diesel se consumen en un periodo de 217.49 segundos. El combustible se encontraba en un recipiente, el cual estaba dividido por secciones de 25 ml, a continuación se presenta una tabla con los valores del tiempo en que se consumió cada sección de combustible, el tiempo de cada uno y el tiempo total: Prueba Combustibles

Tiempo

1

25 ml

114.33 s

2

25 ml

103.16 s

Total

50 ml

217.49 s

Reuniendo todos los datos, podemos hacer distintas gráficas. A continuación se presenta un compilado de las gráficas que ejemplifican las relaciones principales entre las resistencias del motor su rendimiento. Relación Resistencias- Fuerza resultante. 370

Fuerza Resultante

360 350 340 330 320 310 0-1

0-2 Resistencias

2-1.

Relación resistencia-Par motor 82 80

Par motor

78 76 74

Series1

72 70 68 0-1

0-2

2-1.

Resistencias

Relación Resistencias-Potencia (En KW) 7.4 P 7.2 o t 7 e n 6.8 K c W 6.6 i a 6.4 e n

6.2 6 0-1

0-2

2-1.

Resistencias

Y finalmente la relación completa de nuestro motor, la potencia comparada con el tiempo.

1.8

Combustible contra tiempo

1.6

Consumo en ml

1.4 1.2 1 0.8

0.6 0.4 0.2 0 1

2

3

4

5

6

7

Tiempo en s

Como se observa existe una relación directamente proporcional entre el tiempo de operación del motor y los requerimientos de combustible, de igual manera se puede ver que las gráficas que relacionan a las resistencias con las fuerzas resultantes, el par motor y la potencia poseen la misma forma, lo que delata a todas luces una proporcionalidad entra cada característica y el desempeño.

CONCLUSIONES FINALES Finalmente tras la realización de ambos análisis se pudo llegar a ciertas conclusiones con respecto a todo el proceso. Primeramente se observa que cada uno posee características distintas, desde el punto de vista mecánico, debido a su forma de operación. También a partir de los resultados se observa que el cambio en algún parámetro de cualquiera de los dos motores, llámese presión inicial, temperatura, naturaleza y composición del combustible, harán una diferencia en la operación, a eficiencia y el rendimiento de estos. De igual modo con esta actividad pudimos ver claramente la relación existente entre cada característica de un motor, y su funcionamiento, observamos que todo empieza desde a composición del combustible, sus reacciones químicas y se complementa con la cuestión mecánico y los diversos mecanismos que lo componen.