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• André Soria Amancha

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ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA TERMODINÁMICA APLICADA TEMA: MOTOR CON FUNCIONAMIENTO EN CICLO OTTO Objetivo: Determinar la potencia indica y la eficiencia de un motor a partir de diagramas de indicador para condiciones particulares de funcionamiento así como también su eficiencia mecánica. Marco teórico: Motores de ciclo Otto El ciclo Otto es el ciclo termodinámico que se aplica en los motores de combustión interna de encendido provocado (motores de gasolina). Se caracteriza porque en una primera aproximación teórica, todo el calor se aporta a volumen constante. Ciclo de cuatro tiempos (4T)

El ciclo consta de seis procesos, dos de los cuales no participan en el ciclo termodinámico del fluido operante pero son fundamentales para la renovación de la carga del mismo: 

E-A: admisión a presión constante (renovación de la carga)



A-B: compresión isentrópica



B-C: combustión, aporte de calor a volumen constante. La presión se eleva rápidamente antes de comenzar el tiempo útil



C-D: fuerza, expansión isentrópica o parte del ciclo que entrega trabajo



D-A: Escape, cesión del calor residual al ambiente a volumen constante



A-E: Escape, vaciado de la cámara a presión constante (renovación de la carga)

Explicación del proceso Admisión (1) El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de mezcla (aire + combustible) en la cámara. Esto se modela como una expansión a presión constante (ya que al estar la válvula abierta la presión es igual a la exterior). En el diagrama PV aparece como la línea recta E→A. Compresión (2) El pistón sube comprimiendo la mezcla. Dada la velocidad del proceso se supone que la mezcla no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiabático. Se modela como la curva adiabática reversible A→B, aunque en realidad no lo es por la presencia de factores irreversibles como la fricción. Combustión Con el pistón en su punto más alto, salta la chispa de la bujía. El calor generado en la combustión calienta bruscamente el aire, que incrementa su temperatura a volumen prácticamente constante (ya que al pistón no le ha dado tiempo a bajar). Esto se representa por una isócora B→C. Este paso es claramente irreversible, pero para el caso de un proceso isócoro en un gas ideal el balance es el mismo que en uno reversible. Expansión (3) La alta temperatura del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él. De nuevo, por ser un proceso muy rápido se aproxima por una curva adiabática reversible C→D.

Escape (4) Se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una temperatura mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en la siguiente admisión. El sistema es realmente abierto, pues intercambia masa con el exterior. No obstante, dado que la cantidad de aire que sale y la que entra es la misma podemos, para el balance energético, suponer que es el mismo aire, que se ha enfriado. Este enfriamiento ocurre en dos fases. Cuando el pistón está en su punto más bajo, el volumen permanece aproximadamente constante y tenemos la isócora D→A. Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, empleamos la isobara A→E, cerrando el ciclo. En total, el ciclo se compone de dos subidas y dos bajadas del pistón, razón por la que se le llama motor de cuatro tiempos.

Ciclo de dos tiempos (2T) 1. Admisión - Compresión). Cuando el pistón alcanza el PMI (Punto Muerto Inferior) empieza a desplazarse hasta el PMS (Punto Muerto Superior), creando una diferencia de presión que aspira la mezcla de aire y gasolina por la lumbrera de admisión hacia el cárter de precompresión .(Esto no significa que entre de forma Gaseosa). Cuando el pistón tapa la lumbrera, deja de entrar mezcla, y durante el resto del recorrido descendente el pistón la comprime en el cárter inferior, hasta que se descubre la lumbrera de transferencia que lo comunica con la cámara de compresión, con lo que la mezcla fresca precomprimida ayuda a expulsar los gases quemados del escape (renovación de la carga) 2. (Expansión - Escape de Gases). Una vez que el pistón ha alcanzado el PMS y la mezcla está comprimida, se la enciende por una chispa entre los dos electrodos de la bujía, liberando energía y alcanzando altas presiones y temperaturas en el cilindro. El pistón se desplaza hacia abajo, realizando trabajo hasta que se descubre la lumbrera de escape. Al estar a altas presiones, los gases quemados salen por ese orificio. El rendimiento de este motor es inferior respecto al motor de 4 tiempos, ya que tiene un rendimiento volumétrico menor y el escape de gases es menos eficaz. También son más contaminantes. Por otro lado, suelen dar más par motor en a unidad de tiempo (potencia) para la misma cilindrada, ya que este hace una explosión en cada

revolución, mientras el motor de 4 tiempos hace una explosión por cada 2 revoluciones, y cuenta con más partes móviles. En el pasado fueron sumamente populares por sus elevadas prestaciones en las motocicletas hasta una cierta cilindrada, ya que al aumentar ésta su consumo era excesivo. Éste tipo de motores se utilizan mayoritariamente en motores de poca cilindrada (ciclomotores, desbrozadoras, cortasetos, motosierras, etc), ya que es más barato y sencillo de construir, y su emisión de contaminantes elevada es muy baja en valor absoluto. Equipo Utilizado:

1) TEQUIPMENTTD-110 MOTOR: DIÁMETRO: CARRERA: rc : VELOCIDAD MÁXIMA

Honda G 200 - 4'tiempos 67 mm 56 mm 6.5 3800 rpm

2) Sistema electrónico indicador de motores: e32 Tecquipment amplificador 3) Transductor piezoeléctrico 4) Cámara fotográfica: shakman 7000 polaroid 5) 1 rollo polaroid: TIPO 667 (8.3 x 10.8 cm) Procedimiento: 1) Asegúrese de que el dinamómetro y su correspondiente torquímetro estén calibrados en cada banco de pruebas. 2) Chequear cuidadosamente las conexiones entre el banco de pruebas y el equipo indicador, conforme al esquema de bloques de la figura 1

Fig1. 1. BANCO DE PRUEBAS 2. SISTEMA DE AMIPLIFICACION 3. OSCILOSCOPIO 4. GENERADOR DE FUNCIONES (R.F.G.)

3) Abrir totalmente la llave que controla el flujo de agua hacia el banco de pruebas. Asegúrese de que existe un flujo continuo de la misma a través del transductor. 4) Encender todos (os sistemas eléctricos y electrónicos.' "Arrancar" el motor y permitir su estabilidad de funcionamiento durante 10 minutos, a una velocidad de 2000 rpm y con aceleración parcial. 5) Preparar cuidadosamente el equipo fotográfico a usarse. 6) Establecer la velocidad y aceleración particulares a las cuales se va a hacer la prueba. 7) Regular los controles del amplificador, osciloscopio y generador de funciones, hasta obtener en la pantalla respectiva un diagrama correcto y nítido. 8) Proceda a tomar la fotografía correspondiente. Anote las posiciones de velocidad y diafragma, así como también las escalas elegidas en el osciloscopio. 9) Cambiar todo el sistema indicador al otro banco de pruebas. 10)

Repetir el proceso.

Datos:  Motor de 4 tiempos (Gasolina) o Diámetro del pistón: D=67mm o Carrera: L=56mm o Relación de compresión: 6.5 o Cilindrada: 1.976 *10^-4L o nMAX=3600 RPM TEST

N

Tq

T,

h0

t

V

No. 1 2 3 4 5

GASOLIN A GASOLIN A GASOLIN A GASOLIN A GASOLIN A

r.p.m.

N.m

°C

mm H2O

seg

cm3

3000

7.0

680

3.0

47

8

2600

7.5

660

2.0

53

8

2200

6.5

640

3.0

63

8

1800

6.5

580

3.0

81

8

1400

5.0

480

1.0

106

8

Cuadro 1: Motor Tipo Otto

Ejemplos de Cálculos: LA = 0,00019242 (m3) Vcomb= 0,000008 (m3)

Constante de transformación de unidades

K 3  50472103( N / m 3 )

Presión media efectiva

PEM  K 3 .

Ap L

0,000231 0,043 PEM  271140,8324 (Pa) PEM  50472103. *

Potencia Indicada

Ap: Area del gráfico generado por el transductor piezoeléctrico (osciloscopio) L: Distancia real medida, longitud física del diagrama.

 LAN    K2 

Pi  PEM * 

 2600 * 2 *    60 * 2  

Pi  271140,38 * 0.00019242 * 

 N .m  Pi  7169.03   7169.03( J )  s 

Potencia de freno

Pf  T *  2600 * 2 *    60   Pf  2042.04( J ) Pf  7.5 * 

Perdidas

Perdidas  Pi  Pf Perdidas  7169.03  2042.04 Perdidas  5126.99( J )

Eficiencia Mecánica

n( mecánica) 

Pf Pi

2042.04 *100% 7169.03  28.48%

n( mecánica)  n( mecánica)

* 100%

Masa de aire

P *V R *T ( P  Patm ) *V m R *T (70.756  101080) * 0.00019242 m 0287 * 293 *1000 m  0,24842( Kg ) m

Volumen de combustible por revolución

Vol / rev  0.000008 / Re v _ com Vol / rev  0.000008 / 75.1691 Vol / rev  1.06427 *10  7 (m 3 )

Masa de combustible

masa _ com  vol / rev *  com  kg  masa _ com  1.064227 *10 7 * 880 3   m  5 masa _ com  9.36555 *10 (kg)

Relación aire-combustible

masa _ de _ aire masa _ de _ combustible 0.004381025 A/C  9.36555 * 10 5 A / C  46.7781011 A/C 

Análisis de Resultados: Cuadro 3: Resultados: Ciclo Otto TE ST

rpm PMEf

No.

N/m2

1

3000

2

2600

3

2200

4

1800

5

1400

271140. 83 174891. 71 199594. 23 154857. 59 154857. 59

PMI N/m2 513889,67 29 483297,00 9 516495,15 42 428990,38 85 352451,39 78

Pot. I Pot. F N*m/se N*m/s g (J) eg (J)

Perdida s

Efic. Mecanic a

J

%

8271.96 2199,11

6072,85

26,585

7169.03 2042,04

5126,99

28,484

6066.10 1497,49

4568,61

24,686

4963.18 1225,22

3737,96

24,686

3860.25

3127,22

18,989

733,03

Gráficos:

PMI - rpm Polynomial () f(x) = 0x^3 - 0.55x^2 + 1473.2x - 827491.57

PMI (Pa) 1500

1700

1900

2100

2300

rpm

2500

2700

2900

3100

Masa comb- rpm 0 Masa combustible (Kg)

f(x) = 2385.37 x^-2.56 0 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Power ()

rpm

Masa aire - rpm 0 Masa aire (Kg)

f(x) = - 0x^2 + 0x + 0

0 0 1500

Polynomial () 1700

1900

2100

2300

2500

2700

2900

3100

rpm

Perdidas - rpm 14000 perdidas

f(x) = - 0x^2 + 9.64x - 7418.52 Polynomial ()

12000 10000 1500

1700

1900

2100

2300

2500

2700

2900

3100

rpm

Análisis de graficas Ciclo Otto  La grafica de PMI - rpm nos indica que la presión media efectiva para el ciclo Otto no es un indicador confiable puesto que no tiene una variación establecida.  En la gráfica Masa – rpm, se aprecia que el consumo de combustible va disminuyendo, por lo tanto se dice que el consumo es directamente proporcional a la velocidad del motor. Afirmación que se releja en la relación directamente proporcional del tiempo con el consumo de combustible.





La grafica Masa aire – rpm, se puede apreciar y afirmar lo mismo que en la gráfica masa com. – rpm, es decir que la velocidad del motor tiene una relación directamente proporcional al consumo de combustible, masa de combustible y masa de aire. La pérdida de energía de un motor es directamente proporcional a la velocidad del mismo, tendiendo esta relación a ser una línea recta.

Conclusiones  Los dos motores no se encuentran en perfecto estado ya que su eficiencia no es la apropiada.  La presión media efectiva es un indicador muy confiable para determinar el trabajo neto realizado en el ciclo Diesel, puesto que para el ciclo Otto este indicador varía constantemente.  En este motor a gasolina claramente se puede apreciar que a bajas velocidades se obtiene un mayor torque y viceversa.  El motor a gasolina que cumple con el ciclo Otto tiene una relación de compresión y aire-combustible bajas respecto a las del ciclo Diesel.  La relación de compresión es un factor con dependencia directamente proporcional respecto a la cilindrada del motor, en este caso, al ser motores de tamaños y proporciones parecidas, se verá mayor consumo de combustible en el motor que tenga mayor relación de compresión. Recomendaciones  No se debe confundir el volumen con las masa de un mismo elemento, ya que la densidad de dicho elemento es diferente entre substancias, podemos ver esto en la relación de aire combustible, y las densidades de la gasolina y del diesel.  Es importante controlar el caudal de agua, puesto que el freno hidráulico que nos sirve para calcular la potencia de freno es muy sensible a los cambios de flujo. Bibliografía  Termodinámica, Cengel.  http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_Diesel  http://www.cie.unam.mx/~ojs/pub/Termodinamica/node48.html