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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FIM

CURVAS CARACTERISTICAS PARCIALES DE VELOCIDAD Y CARACTERISTICAS DE CARGA

Profesor: Ing. Lastra Espinoza, Luis Alumno: Málaga Luyo, Federico

2011 - I

OBJETIVOS  Conocer la metodología para determinar las curvas características de velocidad, para una apertura determinada.  Conocer la metodología para determinar las curvas características de carga, para una velocidad determinada.

FUNDAMENTO TEÓRICO

CURVAS CARACTERÍSTICAS: Las curvas características de un motor de combustión interna son las que indican, en función de la velocidad de rotación del motor, la potencia, el par y el consumo específico del mismo. Están incluidas en un rango de revoluciones, debajo del cual el motor funciona muy irregularmente y/o tiende a apagarse y si se sobrepasa el límite superior donde los elementos mecánicos están muy cerca de sufrir daños irremediables o rupturas irreparables. Estos dos extremos determinan el campo de utilización de un motor.

La curva de potencia crece progresivamente casi constante hasta un valor determinado que indica su valor máximo, después decrece rápidamente hasta el límite máximo de utilización del motor. El descenso de potencia, más allá de dicho valor se debe a la disminución

del rendimiento volumétrico del motor. Actualmente existe el sistema VTEC el cual por medio de una rotación del eje de levas, que varía la distribución real del motor haciendo que la curva de potencia no caiga y así el motor tenga un mejor rendimiento. La curva de par del motor no es tan pronunciada como la de potencia, es decir, tiende a ser más horizontal, pero sin perder su concavidad. También crece al aumentar las revoluciones del motor pero su progresión es menor. El par máximo se encuentra a un menor nivel de revoluciones que la potencia máxima pero a la vez el decrecimiento del par es mucho más lento al aumentar la velocidad de giro. La elasticidad de un motor se conoce como el intervalo entre el par máximo del motor y su potencia máxima. La curva de consumo específico tiene una presentación gráfica inversa a la del par del motor, decrece al aumentar el nivel de revoluciones hasta llegar al valor de menor consumo en un número determinado de vueltas del motor y a partir de allí empieza a crecer suave y gradualmente hasta el límite de utilización del motor. RELACIÓN ENTRE VELOCIDAD Y CARGA MOTOR Las fuerzas que hacen girar el cigüeñal dependen de la presión que los gases realizan en la cabeza del pistón, mientras

que las que se oponen a su rotación son los rozamientos internos del motor y la resistencia exterior, que suelen llamarse carga y que es un par resistente aplicado al cigüeñal. La regulación de la carga y de la velocidad es una cuestión de equilibrio entre las fuerzas que producen la rotación y las que la impiden. Establecido el régimen de rotación, si varía la carga se desequilibra el motor y esto debe compensarse con una variación parecida de las fuerzas motrices, para que no cambie el régimen de rotación. En el motor Otto la regulación de la cantidad de combustible se realiza simultáneamente a la del aire, mediante una válvula de mariposa. En el motor Diesel sólo se regula el combustible, variando el caudal de la bomba de inyección. Se denominan puntos de funcionamiento con apertura parcial todo el conjunto de las posibles combinaciones de carga y de revoluciones incluidas entre el funcionamiento al mínimo (carga nula y régimen mínimo) y el funcionamiento con plena apertura (máxima carga para todos los regímenes de rotación del motor). Durante el funcionamiento con plena apertura, variando la carga tenemos el régimen al que el motor suministra la máxima potencia. Si, a partir de estos

valores, aumentamos la carga aplicada, el régimen y la potencia disminuyen; si se reduce la carga, la velocidad del motor aumenta, pero la potencia también disminuye. El régimen con máxima potencia se llama régimen de potencia máxima. El par motor, que corresponde a la fuerza desarrollada durante la rotación, alcanza su valor máximo a un determinado régimen (inferior al de la potencia máxima), a partir del cual disminuye al aminorarse: 

El rendimiento volumétrico (esto se explica teniendo en cuenta que para cada motor existe una velocidad de rotación en correspondencia de la cual la masa del fluido activo que entra en los cilindros en cada ciclo es la máxima posible).



El rendimiento mecánico (debido al aumento de las pérdidas por rozamiento en los órganos fundamentales del motor y en los mecanismos auxiliares que éste arrastra).

Con este régimen la p.m.e. y por lo tanto el par motriz tienen su valor máximo. La potencia sigue creciendo al aumentar la velocidad de rotación, y por lo tanto la masa utilizada en la unidad de tiempo ya que, aunque disminuya la masa del fluido activo utilizada en cada ciclo, aumenta el número de ciclos.

CURVA DE CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTIBLE El consumo específico (qb) representa la cantidad de combustible consumido por el motor en gramos (gr) para suministrar una determinada potencia, caballos (CV), en la unidad de tiempo, hora (h). Ya que el trabajo por la unidad de tiempo es la potencia, el consumo específico representa la cantidad de combustible necesario para que el motor pueda efectuar un trabajo útil, venciendo los rozamientos y las pérdidas. Por consiguiente, el consumo específico representa un índice del rendimiento global del motor, cuanto más bajo es el consumo específico, mejor es el rendimiento de éste y viceversa. La relación de compresión (r) influye en el consumo específico. De hecho aumentando la relación de compresión aumenta el rendimiento térmico y por lo tanto disminuye el consumo específico.

El consumo específico se expresa en gr/CV h y es el combustible consumido por un motor por cada CV que produce en una hora. El consumo específico se mide experimentalmente en los bancos de prueba para motores en cada punto de funcionamiento del motor; estos datos se reflejan en un plano acotado de consumos.

EQUIPOS E INSTRUMENTOS Banco de pruebas Motor Petter: Tipo de Motor

: Diesel, de cuatro tiempos

Marca del motor

: Petter

Modelo

: PH 1W, inyección directa

Número de cilindros

:1

Presión de Inyección

: 200/221 bar a 1100/2000 rpm

Diámetro x carrera

: 87,3x110 mm

Cilindrada

: 659 cm3

Relación de compresión

: 16,5/1

Potencia

: 6,11 kW a 2000 rpm

Refrigeración

: por líquido

Freno dinamométrico

: Eléctrico, de corriente continua

Complemento electrónico: Usado para ajustar los parámetros de entrada a los valores deseados:

Instrumentos de medición:

Manómetro en U

Termómetro

Manómetro inclinado

Medidor de volumen

Manómetros

PROCEDIMIENTO CURVAS DE VELOCIDAD Se busca obtener las curvas de velocidad, por lo tanto hay q tener cuidado en los límites de operación. 1. Se arranca el motor y se espera que llegue a una temperatura óptima, se mantiene la apertura de la mariposa constante y el combustible entregado, además se debe medir la temperatura y presión ambiental. 2. Se establece una la velocidad del motor, y se mide la fuerza en el dinamómetro para dicha velocidad, además se toma el tiempo y la presión en el manómetro. 3. Se modifica la velocidad y se toman los datos correspondientes para distintas velocidades. 4. A partir de los pasos 2 y 3 se completa el protocolo de pruebas y se procede a realizar los cálculos y gráficas correspondientes.

CURVAS DE CARGA Se busca obtener las curvas de carga, por lo tanto hay q tener cuidado en los límites de operación. 1. Se arranca el motor y se espera que llegue a una temperatura óptima, se mantiene el valor de RPM constante, además se debe medir la temperatura y presión ambiental. 2. Se establece la posición de la cremallera del motor con ayuda del micrómetro, y se mide la fuerza en el dinamómetro para dicha posición, además se toma el tiempo y la presión en el manómetro. 3. Se modifica la apertura y se toman los datos correspondientes para distintos valores de apertura de la cremallera, basándonos en la lectura del micrómetro. 4. Se repiten los pasos 2 y 3 para un valor diferente de RPM y se completa el protocolo de pruebas y se procede a realizar los cálculos y gráficas correspondientes.

DATOS TOMADOS EN EL LABORATORIO Características de Velocidad Condiciones ambientales: P0 748.4 mmHg T0 22.2 °C Para una posición de la cremallera de: hc= 14.5 mm N°

n (RPM)

Te (°C)

Fe (N)

Δs (cm)

ΔP (mm)

ΔV (ml)

t (s)

1 2 3 4 5 6 7

800 1000 1300 1500 1700 1900 2100

70 70 70 70 70 70 70

82 90 95 95 94 89 82

4.9 6 7.5 8.5 9.3 10.5 11.5

35 48 60 75 86 99 108

3.4 4.3 5.6 6.7 8.9 10.2 11.1

15 15 15 15 15 15 15

Fe (N) 21.5 41 56.5 61.5 60.5 55.5 45.1

Δs (cm) 5.1 6.4 8.2 9.4 10.3 11.5 11.8

ΔP (mm) 38 50 75 80 99 106 114

ΔV (ml) 1.4 2.3 3.4 4.1 4.6 5.2 5.3

t (s) 15 15 15 15 15 15 15

Para una posición de la cremallera de: hc= 17 mm

N° 1 2 3 4 5 6 7

n (RPM) 800 1000 1300 1500 1700 1900 2100

Te (°C) 70 70 70 70 70 70 70

Características de Carga

Condiciones ambientales: P0 749 mmHg T0 22.4 °C

Para un valor de RPM, de: n = 1500 RPM

N°

hc (mm)

Fd (N)

ΔP (cm)

Δs (cm)

ΔV (ml)

t (s)

1 2 3 4 5 6 7 8

14.5 14.75 15 15.5 16 16.5 17 17.5

103 106 104 97 89.5 82 73 62.5

7.5 7.5 7.5 7.5 7.5 7.5 7.7 7.7

8.5 8.8 8.8 8.8 8.8 8.8 8.8 8.8

7 7.1 6.7 6 5.4 4.9 4.3 3.7

15 15 15 15 15 15 15 15

Fd (N) 94 94.5 92.5 88 77 74.5 66.5 55

ΔP (cm) 10.5 10.5 10.5 10.5 10.5 10.5 10.5 10.7

Δs (cm) 11 11 11 11 11 11 11 11.4

ΔV (ml) 10.6 10.4 10 8.7 7.2 6.4 5.8 5.3

Para un valor de RPM, de: n= 2000 RPM

N° 1 2 3 4 5 6 7 8

hc (mm) 14.5 14.75 15 15.5 16 16.5 17 17.5

t (s) 15 15 15 15 15 15 15 15

CALCULOS Y RESULTADOS Características de Velocidad Considerando los siguientes parámetros:

α ρc ρair

30 0.87 1.293

L

0.305

m

Ecuaciones a utilizar:

hc=14.5mm N°

n (RPM)

Ga (kg/h)

Gc (kg/h)

alfa

Gat (kg/h)

ηv

Me (N-m)

Ne (kW)

ge (gr/kW-h)

1

800

16.24

0.71

1.53

18.62

87.22%

25.01

2.10

338.85

2

1000

19.63

0.90

1.46

23.28

84.31%

27.45

2.87

312.36

3

1300

24.23

1.17

1.39

30.26

80.06%

28.98

3.94

296.45

4

1500

27.03

1.40

1.29

34.92

77.41%

28.98

4.55

307.39

5

1700

29.23

1.86

1.05

39.57

73.86%

28.67

5.10

364.12

6

1900

32.54

2.13

1.02

44.23

73.57%

27.15

5.40

394.36

7

2100

35.29

2.32

1.02

48.89

72.19%

25.01

5.50

421.43

Ga vs n

Gc vs n

40.00

3.00

35.00

2.50

30.00 2.00

25.00 20.00

1.50

15.00

1.00

10.00 0.50

5.00 0.00

0.00 0

500

1000

1500

2000

2500

0

500

Coeficiente de exceso de aire vs n

1000

1500

2000

2500

Coeficiente de llenado vs n

1.80

90.00%

1.60

85.00%

1.40 1.20

80.00%

1.00

75.00%

0.80 0.60

70.00%

0.40

65.00%

0.20

60.00%

0.00

0

500

1000

1500

2000

0

2500

500

Me vs n

1000

1500

2000

2500

Ne vs n

29.50 29.00 28.50 28.00 27.50 27.00 26.50 26.00 25.50 25.00 24.50

6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 0

500

1000

1500

2000

2500

0

500

1000

1500

2000

2500

g e vs n 500.00 400.00 300.00 200.00 100.00 0.00 0

500

1000

1500

2000

2500

hc=17 mm N°

n (RPM)

Ga (kg/h)

Gc (kg/h)

alfa

Gat (kg/h)

ηv

Me (N-m)

Ne (kW)

ge (gr/kW-h)

1 2 3 4 5 6 7

800 1000 1300 1500 1700 1900 2100

16.85 20.89 26.08 29.73 31.92 35.37 35.97

0.29 0.48 0.71 0.86 0.96 1.09 1.11

3.85 2.91 2.46 2.32 2.22 2.18 2.17

18.62 23.28 30.26 34.92 39.57 44.23 48.89

90.50% 89.74% 86.16% 85.15% 80.66% 79.96% 73.58%

6.56 12.51 17.23 18.76 18.45 16.93 13.76

0.55 1.31 2.35 2.95 3.28 3.37 3.02

532.15 366.76 302.64 290.57 292.41 322.40 365.86

Ga vs n

Gc vs n

40.00

1.20

35.00

1.00

30.00 25.00

0.80

20.00

0.60

15.00

0.40

10.00

0.20

5.00 0.00

0.00 0

500

1000

1500

2000

2500

0

500

Coeficiente de exceso de aire vs n

1000

1500

2000

2500

Coeficiente de llenado vs n

5.00

95.00%

4.00

90.00% 85.00%

3.00

80.00%

2.00

75.00% 70.00%

1.00

65.00%

0.00

60.00% 0

500

1000

1500

2000

0

2500

500

Me vs n

1000

1500

2000

2500

Ne vs n

20.00

4.00 3.50

15.00

3.00 2.50

10.00

2.00 1.50

5.00

1.00 0.50

0.00

0.00 0

500

1000

1500

2000

2500

0

500

1000

1500

2000

2500

g e vs n 600.00 500.00 400.00 300.00 200.00 100.00 0.00

0

500

1000

1500

2000

2500

Características de Carga Considerando los siguientes parámetros: α ρc ρair

30 0.87 1.293

L

0.305

m

n = 1500 RPM N° 1 2 3 4 5 6 7 8

hc (mm) 14.5 14.75 15 15.5 16 16.5 17 17.5

Ga (kg/h) 27.03 27.99 27.99 27.99 27.99 27.99 27.93 27.93

Gc (kg/h) 1.46 1.48 1.40 1.25 1.13 1.02 0.90 0.77

alfa 1.24 1.26 1.34 1.49 1.66 1.83 2.08 2.42

Gat (kg/h) 34.92 34.92 34.92 34.92 34.92 34.92 34.92 34.92

ηv 77.41% 80.14% 80.14% 80.14% 80.14% 80.14% 79.97% 79.97%

Me (N-m) 31.42 32.33 31.72 29.59 27.30 25.01 22.27 19.06

Ne (kW) 4.93 5.08 4.98 4.65 4.29 3.93 3.50 2.99

ge (gr/kW-h) 296.21 291.94 280.79 269.60 262.97 260.45 256.74 258.03

Gc vs hc

Ga vs hc 30.00

2.00

28.00

1.50

26.00

1.00

24.00

0.50

22.00 20.00

0.00 14

15

16

17

18

14

Coeficiente de exceso de aire vs hc

3.00

15

16

17

18

Coeficiente de llenado vs hc 85.00%

2.50

80.00%

2.00

75.00%

1.50

70.00%

1.00

65.00%

0.50

60.00%

0.00 14

15

16

17

14

18

15

Me vs hc

16

17

18

Ne vs hc

35.00

6.00

30.00

5.00

25.00

4.00

20.00

3.00

15.00

2.00

10.00

1.00

5.00

0.00

0.00 14

15

16

17

18

14

15

16

17

18

g e vs hc 300.00 290.00 280.00 270.00 260.00 250.00 14

15

16

17

18

n = 2000 RPM N° 1 2 3 4 5 6 7 8

hc (mm) 14.5 14.75 15 15.5 16 16.5 17 17.5

Ga (kg/h) 33.87 33.87 33.87 33.87 33.87 33.87 33.87 35.03

Gc (kg/h) 2.21 2.17 2.09 1.82 1.50 1.34 1.21 1.11

alfa 1.02 1.04 1.08 1.25 1.51 1.69 1.87 2.12

Gat (kg/h) 46.56 46.56 46.56 46.56 46.56 46.56 46.56 46.56

ηv 72.75% 72.75% 72.75% 72.75% 72.75% 72.75% 72.75% 75.23%

Me (N-m) 28.67 28.82 28.21 26.84 23.49 22.72 20.28 16.78

Ne (kW) 6.00 6.04 5.91 5.62 4.92 4.76 4.25 3.51

ge (gr/kW-h) 368.62 359.75 353.40 323.18 305.67 280.82 285.11 315.00

Ga vs hc

Gc vs hc

40.00 35.00 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00

2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 14

15

16

17

14

18

Coeficiente de exceso de aire vs hc

15

16

17

18

Coeficiente de llenado vs hc

2.50

76.00% 74.00%

2.00

72.00% 70.00%

1.50

68.00% 1.00

66.00% 64.00%

0.50

62.00% 60.00%

0.00 14

15

16

17

14

18

15

Me vs hc

16

17

18

Ne vs hc

35.00

7.00

30.00

6.00

25.00

5.00

20.00

4.00

15.00

3.00

10.00

2.00

5.00

1.00

0.00

0.00 14

15

16

17

18

14

15

16

17

18

g e vs hc 400.00 350.00 300.00 250.00 200.00 150.00 100.00 50.00 0.00 14

15

16

17

18

OBSERVACIONES, CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES  Se recomienda que la variación de los parámetros de control sea gradual, a fin de que las otras variables tengan un comportamiento similar y se pueda observar mejor su desarrollo en la experiencia evitando los cambios bruscos.  Se recomienda verificar siempre el valor de temperatura del refrigerante. BIBLIOGRAFIA  JOVAJ M.S., “Motores de Automóvil”, Editorial MIR, Moscú 1982.  Experimentación y Calculo de MCI, LASTRA, IMCI - UNI, Lima 1995.