Motor Diesel
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA LABORATORIO Nº 3 Estudio de los procesos de admisió
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA
LABORATORIO Nº 3
Estudio de los procesos de admisión y de formación de la mezcla en los motores Diesel.
APELLIDOS Y NOMBRE: CÓDIGO: SECCIÓN:
COLLANTES QUISPE, Juan Pablo 20130351B A
DOCENTE:
ING. CUTY CLEMENTE, Eddy
FECHA DE ENTREGA:
07/11/2018
CICLO ACADEMICO:
2018 - 2
CONTENIDO
I.- OBJETIVOS............................................................................................................................... 2 II.- MOTORES RUDOLF DIESEL ............................................................................................... 3 III.- PROCESO DE ADMISION DE AIRE ................................................................................... 7 IV.- SISTEMAS DE SOBREALIMENTACIÓN ......................................................................... 12 V.- DESARROLLO DEL LABORATORIO ............................................................................... 17 1.- Prueba en régimen de velocidad parcial. ........................................................................ 18 2.- Prueba en régimen de carga ............................................................................................ 19 VI.- RESULTADOS Y ANALISIS .............................................................................................. 20 1.- Prueba en régimen de velocidad parcial ......................................................................... 20 2.- Prueba en régimen de carga. ........................................................................................... 23 VII.- CONCLUSIONES ............................................................................................................... 27 VIII.- ANEXO .............................................................................................................................. 28
I.- OBJETIVOS
1.- Determinar los parámetros que intervienen en los procesos de admisión y formación de la mezcla en los motores de encendido por compresión (MEC) sobrealimentado con turbo compresor. 2.- Obtener la dependencia de estos parámetros (coeficiente de llenado o eficiencia volumétrica y coeficiente de exceso del aire) en función de la frecuencia de rotación del motor y de la potencia efectiva. 3.- Comparar las curvas obtenidas con las curvas teóricas, para luego considerar conclusiones que nos permitan brindar un panorama real de estos factores, así como el entendimiento amplio de la importancia de estos.
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II.- MOTORES RUDOLF DIESEL 1.- Introducción El motor diesel es un motor de combustión interna alternativo de encendido por compresión. La combustión de la mezcla se inicia por el autoencendido del combustible que tras ser inyectado en la cámara de combustión al final de la fase de compresión se ha evaporado y mezclado con el aire. Pueden ser diseñados para trabajar con un ciclo de 2 o de 4 tiempos dependiendo de su aplicación. Los motores Diesel son los motores de combustión interna alternativos más eficientes, pudiendo sobrepasar un rendimiento del 50% en el caso de los grandes motores lentos. El menor consumo de combustible tiene como resultado un menor nivel de contaminación, esto destaca la importancia del motor diesel. 2.- Sistema de inyección El sistema de inyección es el responsable de suministrar el combustible al motor. Se compone de una etapa de baja presión y otra de alta, en la que se encuentra la bomba inyectora; ésta genera la presión de inyección requerida y suministra el combustible al circuito de alta presión. A su vez, la bomba inyectora es alimentada a través del circuito de baja presión, encargado de transportar el combustible desde el depósito y filtrarlo para garantizar que entre en el circuito de alta presión libre de impurezas y humedad. A.- Suministro de combustible (etapa de baja presión) La función del sistema de suministro de combustible (también denominado sistema de alimentación) es almacenar y filtrar el combustible requerido y abastecer de éste al sistema de inyección a la presión de operación requerida. Además se encarga del retorno del combustible
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sobrante al depósito de combustible y, en algunos casos, la refrigeración de éste antes de devolverlo al depósito. El sistema de alimentación puede variar dependiendo del tipo de sistema de inyección y las características de la bomba inyectora. A continuación de relacionan los componentes esenciales del sistema. Depósito de combustible El depósito de combustible debe ser resistente a la corrosión, además de a prueba de fugas para presiones superiores al doble de la de operación y de al menos 0.3 bar de sobrepresión y disponer de válvulas de seguridad para el escape de los gases en caso de que haya sobrepresión. El diseño debe tener en cuenta que no se produzcan fugas cuando el vehículo, en su caso, se incline y en caso de sacudidas y de impactos. Por último, debe ir separado del motor, en un lugar en el que se prevenga la ignición del combustible en caso de accidente. Líneas de transporte Compuestos por tubos de metal, flexibles e ignífugos. Así mismo tienen que estar preparados para no sufrir daños ante movimientos de torsión del bastidor, movimientos del motor o similares. Todos los elementos del sistema de transporte de combustible deben estar previstos para evitar daños en operación provocados por incrementos de temperatura. Filtro de combustible Su función es garantizar un nivel de pureza del combustible que evite daños en el sistema de inyección. Su diseño depende del tipo de sistema de inyección y de las condiciones de operación, es más exigente para sistemas que trabajen a presiones más elevadas como el Common-Rail.
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Bomba de prealimentación Puede ser una bomba eléctrica o de accionamiento mecánico. Esta bomba aspira el combustible del depósito a través del filtro y lo envía por el circuito de baja presión, pasando por el filtro principal, hasta la bomba de alta presión. Bomba de alimentación Se compone de un motor eléctrico que acciona un elemento de bombeo. Se usa en los siguientes sistemas: Sistemas con bomba rotativa, sistemas de inyector unitario y sistemas Common Rail.
Figura 1. Sistema de inyección de combustible con bomba de inyección en línea.
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B.- Inyección (etapa de alta presión) El sistema de inyección se encarga de inyectar la cantidad adecuada de combustible a alta presión dentro de la cámara de combustión en el momento adecuado. Los principales componentes son la bomba de inyección, encargada de dar al combustible la presión adecuada, y los inyectores; ambos están unidos por la línea de alta presión (excepto en los sistemas con bombas de inyección individuales). En todos los casos la tobera de cada inyector sobresale dentro de la cámara de combustión de cada cilindro. En la mayoría de los sistemas, la tobera o boquilla del inyector deja pasar el combustible cuando se alcanza una determinada presión de apertura, y cierra cuando la presión cae por debajo de este valor. Sólo se controla de forma externa, mediante un controlador electrónico, en el caso de los sistemas Common-rail.
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III.- PROCESO DE ADMISION DE AIRE 1.- Introducción Para realizar el ciclo de trabajo de un motor de combustión interna es preciso expulsar del cilindro los gases residuales e ingresar en este la carga fresca del aire o mezcla aire combustible. Los procesos de admisión y de escape están vinculados entre sí y en función del número de tiempos del motor, así como también del procedimiento de admisión. La cantidad suministrada de carga fresca depende de la calidad con que se limpia el cilindro del motor. Es por eso que el proceso de admisión se analiza tomando en cuenta el desarrollo del proceso de escape, estudiando todo el proceso de intercambio gaseoso.
2.- Factores que influyen en el proceso de admisión A.- Perdidas de presión en el sistema de admisión La existencia de resistencias en el sistema de admisión conduce a que la cantidad de carga fresca que entra al cilindro del motor disminuya, debido al decrecimiento de la densidad de la carga. Otro factor que influye es el área de paso de la válvula de admisión (AVA), el cual si esta aumenta entonces hay un mejor llenado. Caso contrario ocurre con la frecuencia de rotación del motor (RPM). B.- Presencia de gases residuales Son los gases productos de la combustión que no pudieron ser desalojados en el proceso de escape. La cantidad de gases residuales depende del procedimiento empleado para limpiar el cilindro.
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C.- Calentamiento de la mezcla fresca La carga fresca durante su movimiento por el sistema de admisión y dentro del cilindro entra en contacto con las paredes calientes, elevándose su temperatura. El grado de calentamiento de la carga depende de la velocidad de su movimiento, de la duración de la admisión, así como de la diferencia de temperaturas entre las paredes y la carga. Al aumentar la temperatura de la carga su densidad disminuye, por eso el calentamiento especial del sistema de admisión en el motor de carburador es conveniente hasta cierto límite correspondiente al calor necesario para la vaporización del combustible. 3.- Coeficiente de llenado (𝒏𝒗 ) El grado de perfección del proceso de admisión se acostumbra evaluar por el coeficiente de llenado o rendimiento volumétrico (𝑛𝑣 ) que es la razón entre la cantidad de carga fresca que se encuentra en el cilindro al inicio de la compresión real, es decir, al instante en que se cierran los órganos del intercambio de gases, y aquella cantidad de carga fresca que podría llenar la cilindrada (volumen de trabajo del cilindro) en las condiciones de admisión. Los cálculos muestran que para los motores con formación externa de la mezcla, que funcionan con combustible líquido, la diferencia entre los coeficientes de llenado, calculando considerando la condición de la carga fresca puede ser el aire o la mezcla aire – combustible, es insignificante. Por eso en lo sucesivo, para estos motores así como para los de tipo Diesel, vamos a determinar el 𝑛𝑣 de la cantidad de aire admitida al cilindro.
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Sabemos
𝑮𝒂 = 3600(𝐴)(𝐶𝑑 )√2𝑔(𝑝)(𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎 )(𝜌𝑜 ) Dónde:
𝐺𝑎 : Flujo másico de aire (Kg/h) 𝐴: Área de la sección del conductor de admisión (m2). 𝐶𝑑 : Coeficiente de descarga (𝐶𝑑 = 0.60) 𝑃𝑘 : Diferencia de presiones del flujo por efecto de la obstrucción (m). 𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎 : Densidad del agua (𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎 = 1000 Kg/m3). 𝜌𝑜 : Densidad del aire atmosférico (Kg/m3). Según la definición:
𝒏𝒗 = 𝑮𝒂 /𝟑𝟎(𝑽𝑯 )(𝒏)(𝝆𝒌 ) Dónde:
𝑉𝐻 : Cilindrada total del motor (m3). 𝑛: Frecuencia de rotación del motor (rpm). 𝜌𝑘 : Densidad del aire corregido a la condición de 𝑃𝑘 y 𝑇𝑘 (Kg/m3).
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4.- Coeficiente de exceso de aire (𝝀) En el motor de automóvil la cantidad de aire realmente consumida puede ser, en función del tipo de formación de la mezcla, de las condiciones de encendido y combustión, así como del régimen de funcionamiento, mayor, igual o menor que la necesaria teóricamente para la combustión completa. La relación entre la cantidad real de aire que ingresa al cilindro del motor y la cantidad de aire teóricamente necesaria para la combustión de 1 Kg de carburante se denomina coeficiente de exceso de aire que caracteriza la calidad de la mezcla formada y se designa con la letra (𝝀):
𝝀=
𝑮𝒂 /𝑮𝒄 𝒍𝒐
Dónde:
𝑙𝑜 : Relación estequiometria de la mezcla ( 𝑙𝑜 = 14.3 Kg de aire / Kg de combustible). 𝐺𝑐 = Consumo de combustible (Kg/h). 𝐺𝑎 : Consumo de aire real (Kg/h). Además:
𝑮𝒄 = 3.6 (
𝑉𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 ) 𝜌𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑡
Dónde:
𝑉𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 : Variación del volumen del combustible (cm3) 𝑡 = Tiempo de consumo (s). 𝜌𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 : Densidad del combustible (𝜌𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 = 0.81 Kg/L)
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Por lo tanto se concluye:
𝝀 = 1 mezcla estequiometria. 𝜆 < 1 (insuficiencia de oxígeno), la mezcla se denomina rica. 𝜆 > 1 (exceso de oxigeno), la mezcla se denomina pobre. 5.- Niveles de lambda en motores Diesel Las zonas en las que hay una mezcla rica son las responsables de la formación de partículas durante la combustión. Para prevenir esto, en los motores Diesel (al contrario de lo que ocurre en los de gasolina) tienen que funcionar con un exceso de aire. Los niveles de lambda en motores sobrealimentados a plena carga se encuentran entre 1,15 y 2,0. El factor de exceso de aire es el principal responsable del autoencendido y de la formación de gases contaminantes. Los motores Diesel operan con formación de mezcla heterogénea y autoencendido. No es posible lograr una mezcla completamente homogénea de combustible y aire antes o durante la combustión. Dentro de esa mezcla heterogénea el factor de exceso de aire puede variar de forma localizada desde λ=0 (solo combustible) en el chorro cerca del inyector, hasta λ=∞ (solo aire) en el otro extremo del chorro. Alrededor de una gota de líquido envuelta en vapor, los niveles de λ se encuentran entre 0,2 y 1,5. Por esto, se puede deducir que mejorando la atomización (alto número de gotas muy pequeñas), con alto exceso de aire y el movimiento adecuado del flujo de aire, se consigue reducir las zonas localizadas con bajo lambda. Esto da como resultado menos formación de partículas durante la combustión.
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IV.- SISTEMAS DE SOBREALIMENTACIÓN 1.- Introducción La aparición de la sobrealimentación dentro del motor ha conseguido mantener la potencia en condiciones adversas en donde la presión es más baja y la cantidad de mezcla que se introduce al motor es menor. Así pues, solo se conseguirá aumentar el par y la potencia colocando en el interior del cilindro un volumen de aire (motores diésel) o de mezcla (aire y gasolina para los motores de gasolina) mayor que el que entra en una aspiración normal o natural. Un motor sobrealimentado puede conseguir hasta un 40% más de potencia que un motor de iguales características no sobrealimentado. Este aumento de potencia se debe tener en cuenta a la hora de fabricar los motores con el objetivo de evitar sobrecalentamientos del motor o presiones y temperaturas excesivas de encendido en la cámara de combustión provocados por la alta capacidad de entrega de aire y presión. Para realizar la sobrealimentación se necesita una máquina capaz de tomar el aire a la presión atmosférica y comprimirlo para conseguir una sobrepresión. Este trabajo se encomienda a los compresores. Los compresores se pueden clasificar de la siguiente forma: Turbocompresores. Son de tipo centrífugo. Se suelen denominar como turbo y son accionados por los gases de escape. Compresores volumétricos. Son accionados de forma mecánica por el cigüeñal del motor por medio de correas o engranajes.
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Figura 2. A) Turbocompresor y B) Compresor volumétrico.
2.- El turbocompresor El turbocompresor es una bomba de aire diseñada para operar con la energía que normalmente se pierde en los gases de escape del motor. Estos gases impulsan la rueda de turbina (lado escape) que va acoplada a la rueda de compresor (lado admisión). Cuando giran, aportan un gran volumen de aire a presión, aumentando la presión en las cámaras de combustión del motor. El turbocompresor es el más utilizado porque no consume potencia del motor y puede girar a más de 100 000 rpm. A.- Turbocompresor de geometría fija El conjunto turbocompresor está formado principalmente por una turbina y un compresor que se encuentran introducidos en sus respectivas carcasas de forma opuesta y unida ambas por un eje común.
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Tanto la turbina como el compresor contienen álabes para conseguir aumentar la presión de alimentación. En una parte anexa al turbo también se encuentra la válvula de descarga wastegate, que se encarga de limitar la presión de sobrealimentación del turbo desviando una cantidad de gases de escape directamente al escape sin pasar por la turbina. La carcasa del compresor tiene el mismo aspecto que la turbina, pero sus condiciones de utilización son menos extremas en cuanto a temperaturas, pero son iguales en cuanto a la presión que se produce en ellas. .
Figura 3. 1) Compresor 2) Turbina 3) Eje común 4) Válvula de descarga.
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B.- Turbocompresor de geometría variable Los turbocompresores de geometría variable tienen la característica de que a bajas revoluciones del motor se nota su efecto, eliminando el gran inconveniente de los turbocompresores de geometría fija. Son los más implantados en vehículos modernos. Su funcionamiento es similar a los de geometría fija, pero con la salvedad de que estos no necesitan de una válvula de descarga, puesto que el sistema puede hacer disminuir el giro de la turbina y, por tanto, rebajar la presión a los valores preestablecidos en determinados modos de funcionamiento del motor. Para conseguir los efectos anteriormente expuestos se ha dispuesto en la turbina de escape del turbocompresor una corona con un número de álabes móviles en su periferia. La corona, a su vez, se encuentra unida a una varilla y está a una cápsula neumática dividida en dos cámaras. Teniendo en cuenta que la presión que ejercen los gases de escape está relacionada con el número de revoluciones del motor, se podrán obtener diferentes regímenes de funcionamiento de la turbina según la orientación que tomen las paletas o álabes móviles, es decir, se variará la sección de paso de los gases de escape. Ventajas – Mantienen la presión de sobrealimentación casi constante en todos los regímenes de funcionamiento. – Permiten conseguir un aumento de la potencia y del par entre un 10 y un 20%. – Mejoran el consumo de combustible y disminuyen la contaminación al tener una combustión más completa en todos los regímenes.
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– Consiguen una curva de potencia muy progresiva. – Aumentan la velocidad de los gases de escape que llegan a la turbina a altos regímenes. – Consiguen un mayor par motriz a bajos regímenes. – Consiguen una mayor potencia máxima a altos regímenes
Figura 4. Turbocompresor de geometría variable
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V.- DESARROLLO DEL LABORATORIO
Especificaciones del motor: Diesel de 4 tiempos, sobrealimentado con turbocompresor. Marca: PERKINS. Cilindrada (𝑉𝐻 ) = 3885 cm3 Número de cilindros: 4 Relación de compresión: 16 a 1. Freno dinamométrico: Hidráulico. Especificaciones del combustible: Petróleo Diesel.
𝜌𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 = 0.81 Kg/Lt 𝐻𝑢 = 42.5 MJ/Kg Especificaciones ambientales
𝑃𝑜 = 744.6 mmHg 𝑇𝑜 = 23 ºC Corrección de la densidad del aire. 𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒 = (1.293) (
𝑃𝑜
760
𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒 = (1.293) (
744.6
273
760
273 + 23
)(
)(
273 273 + 𝑇𝑜
)
) → 𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒 = 1.1684 Kg/m3
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1.- Prueba en régimen de velocidad parcial. Para esta prueba se tuvo en consideración las siguientes condiciones:
El micrómetro permaneció en la misma posición durante los ensayos. Durante el primero ensayo en el valor de h = 8.2 mm y el segundo ensayo en el valor de h = 8.5 mm.
La frecuencia de rotación del motor tuvo un rango de 2200 rpm a 1200 rpm, esto se hizo posible por medio del freno hidráulico.
Nº 1 2 3 4 5 6
n(rpm) pk(mmHg) 2200 4 2000 10 1800 18 1600 22 1400 16 1200 12
Tk (C) 38.0 38.0 38.5 38.5 38.5 38.5
t(s) 14.11 12.89 12.18 11.77 13.03 12.37
V(cm3) 25 25 25 25 25 25
P1 (Lb) 50 75 100 125 150 175
P2 (Lb) 37 27 18 10 43 42
Tabla 1: Muestra los datos de laboratorio en régimen de velocidad (h = 8.2 mm).
Nº 1 2 3 4 5 6
n(rpm) pk(mmHg) 2200 14 2000 26 1800 34 1600 38 1400 30 1200 24
Tk (C) 39.5 40.0 40.0 40.0 40.5 40.5
t(s) 12.33 14.51 10.83 10.76 11.44 10.95
V(cm3) 25 25 25 25 25 25
P1 (Lb) 50 75 100 125 150 175
P2 (Lb) 45 40 31 23 6 4
Tabla 2: Muestra los datos de laboratorio en régimen de velocidad (h=8.5 mm).
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2.- Prueba en régimen de carga Para esta prueba se tuvo en consideración las siguientes condiciones:
La frecuencia de rotación del motor permaneció constante en cada uno de los ensayos. Durante el primero ensayo su valor fue de 1500 rpm y en el segundo ensayo su valor fue de 1700 rpm.
El micrómetro tuvo un rango de acción en el primer ensayo de 7.3 mm a 8.8 mm y durante el segundo ensayo de 7.5 mm a 9 mm esto se hizo posible regulando la cremallera de dicho instrumento.
Nº 1 2 3 4 5
h(mm) pk(mmHg) 7.3 14 7.5 2 8.0 10 8.4 34 8.8 74
Tk (C) 39.0 39.5 39.5 40.0 41.8
t(s) 28.95 20.00 14.56 11.08 8.05
V(cm3) 25 25 25 25 25
P1 (Lb) 50 75 100 125 150
P2 (Lb) 22 22 26 30 33
Tabla 3: Muestra los datos de laboratorio en régimen de carga (n = 1500 rpm).
Nº 1 2 3 4 5
h(mm) pk(mmHg) 7.5 10 7.7 2 8.2 18 8.6 42 9 84
Tk (C) 40 40 40 41 42
t(s) 24.99 18.12 13.22 10.67 7.82
V(cm3) 25 25 25 25 25
P1 (Lb) 50 75 100 125 150
P2 (Lb) 21 15 18 22 28
Tabla 4: Muestra los datos de laboratorio en régimen de carga (n = 1700 rpm)
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VI.- RESULTADOS Y ANALISIS
1.- Prueba en régimen de velocidad parcial Con la ayuda del Excel calcularemos el coeficiente de llenado (𝑛𝑣 ), coeficiente de exceso de aire (𝜆) y el grafico de sus respectivas variaciones con respecto a la frecuencia de rotación del motor (𝑛) cuando la posición del micrómetro es 8.2 mm. Nº 1 2 3 4 5 6
n(rpm) 2200 2000 1800 1600 1400 1200
Tk (K) 311.0 311.0 311.5 311.5 311.5 311.5
Ta (K) 335.1 335.1 335.6 335.6 335.6 335.6
nv 0.9280 0.9280 0.9282 0.9282 0.9282 0.9282
Tabla 5: Coeficiente de llenado en régimen de velocidad (h = 8.2 mm). Nº 1 2 3 4 5 6
n(rpm) 2200 2000 1800 1600 1400 1200
𝜌k (Kg/m3) 1.1146 1.1235 1.1336 1.1396 1.1306 1.1247
Ga (Kg/h) Gc(Kg/h) 265.2209 5.1665 243.0424 5.6555 220.7359 5.9852 197.2388 6.1937 171.2332 5.5948 145.9994 5.8933
𝜆 3.5898 3.0052 2.5790 2.2269 2.1403 1.7324
Tabla 6: Coeficiente de exceso de aire en régimen de velocidad (h = 8.2 mm).
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Coeficiente de llenado (nv)
Coeficiente exceso de aire (λ) 4.5
Coeficiente de llenado
3.5898 3.5
3.5
3.0052 2.5790 2.1403
2.2269
0.9282
0.9282
0.9282
0.9282
0.9280
0.9280
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2.5
2.5
1.7324 1.5
0.5 1000
1.5
0.5 2400
Coeficiente de exceso de aire
4.5
Frecuencia de rotacion del motor (rpm)
Grafico 1: Variación de parámetros específicos respecto a la frecuencia de rotación del motor.
Además con la ayuda del Excel calcularemos el coeficiente de llenado (𝑛𝑣 ), coeficiente de exceso de aire (𝜆) y el grafico de sus respectivas variaciones con respecto a la frecuencia de rotación del motor (𝑛) cuando la posición del micrómetro es 8.5mm. Nº 1 2 3 4 5 6
n(rpm) 2200 2000 1800 1600 1400 1200
Tk(K) 312.5 313.0 313.0 313.0 313.5 313.5
Ta (K) 336.5854 337.0732 337.0732 337.0732 337.5610 337.5610
nv 0.9284 0.9286 0.9286 0.9286 0.9287 0.9287
Tabla 7: Coeficiente de llenado en régimen de velocidad (h = 8.5 mm).
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Nº 1 2 3 4 5 6
n(rpm) 2200 2000 1800 1600 1400 1200
𝜌k (Kg/m3) 1.1241 1.1400 1.1519 1.1578 1.1441 1.1352
𝜆 3.7585 3.4346 2.3311 2.0693 1.9026 1.5489
Ga (Kg/h) Gc (Kg/h) 267.5953 5.9124 246.7590 5.0241 224.3886 6.7313 200.4813 6.7751 173.3770 6.3724 147.4577 6.6575
Tabla 8: Coeficiente de exceso de aire en régimen de velocidad (h = 8.5 mm).
Coeficiente de llenado (nv)
Coeficiente de exceso de aire (λ)
4.5
4.5
Coeficiente de llenado
3.4346 3.5
3.5
2.3311
2.5 1.9026
2.5
2.0693
1.5489 1.5
0.5 1000
1.5 0.9287
0.9287
0.9286
0.9286
0.9286
0.9284
1200
1400
1600
1800
2000
2200
Coeficiente de exceso de aire
3.7585
0.5 2400
Frecuencia de rotacion del motor (rpm)
Grafico 2: Variación de parámetros específicos respecto a la frecuencia de rotación del motor.
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2.- Prueba en régimen de carga. Sabemos: 𝑀𝑒 = 𝑎𝑏[(𝑊𝑜 − 50) + 𝐹𝑑 ] Dónde: 𝑀𝑒 : Momento efectivo (KN-m). 𝑊𝑜 : Tara en libras. 𝐹𝑑 : Fuerza del dinamómetro, en libras. 𝑎: Factor de conversión de libras a kN. 𝑏: Brazo de palanca (b=0.36 m). 2𝜋
Además: 𝑁𝑒 = 𝑀𝑒 (
60
𝑛)
𝑁𝑒 : Potencia efectiva (KN-m). 𝑛: Frecuencia de rotación del motor (rpm) Considerando: 1 𝐿𝑏 = (4.45)(10−3 )𝑘𝑁
Con la ayuda del Excel y las formulas conocidas procederemos a calcular el momento y la potencia efectiva para cada uno de los casos anteriormente mencionados. Nº 1 2 3 4 5
P1 (Lb) P2 (Lb) Me (KN-m) 50 22 0.0352 75 22 0.0753 100 26 0.1218 125 30 0.1682 150 33 0.2131
Ne (kW) 5.5361 11.8272 19.1248 26.4224 33.4684
Tabla 9: Parámetros efectivos de momento y potencia (n = 1500 rpm).
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Nº 1 2 3 4 5
P1 (Lb) P2 (Lb) Me (KN-m) 50 21 0.0336 75 15 0.0641 100 18 0.1089 125 22 0.1554 150 28 0.2051
Ne (kW) 5.9891 11.4078 19.3932 27.6639 36.5049
Tabla 10: Parámetros efectivos de momento y potencia (n = 1700 rpm).
Además con la ayuda del Excel calcularemos el coeficiente de llenado (𝑛𝑣 ), coeficiente de exceso de aire (𝜆) y el grafico de sus respectivas variaciones con respecto a la potencia (𝑁𝑒 ) cuando la frecuencia de rotación del motor es 1500 rpm.
Nº 1 2 3 4 5
Ne (kW) 5.5361 11.8272 19.1248 26.4224 33.4684
Tk (K) 312.0 312.5 312.5 313.0 314.8
Ta (K) 336.0976 336.5854 336.5854 337.0732 338.8293
nv 0.9283 0.9284 0.9284 0.9286 0.9291
Tabla 11: Coeficiente de llenado en régimen de carga (n = 1500 rpm). Nº 1 2 3 4 5
Ne (kW) 5.5361 11.8272 19.1248 26.4224 33.4684
𝜌k (Kg/m3) 1.0843 1.1003 1.1181 1.1519 1.2041
Ga (Kg/h) 175.9721 178.6032 181.4893 186.9905 195.5781
Gc (Kg/h) 2.5181 3.6450 5.0069 6.5794 9.0559
𝜆 4.8868 3.4265 2.5348 1.9874 1.5103
Tabla 12: Coeficiente de exceso de aire en régimen de carga (n = 1500 rpm).
Motores de combustión interna FIM-UNI
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Coeficiente de llenado (nv)
5.5
4.8868
4.5
4.5 3.4265
3.5
3.5 2.5348 1.9874
2.5
2.5 1.5103
1.5
0.9283
0.9284
0.9284
0.9291 1.5
0,9286
0.5
0.5 0
5
10
15
20
25
30
35
Coeficiente de exceso de aire
Coeficiente de llenado
5.5
Coeficiente de exceso de aire (λ)
Potencia efectiva del motor (kW)
Grafico 3: Variación de parámetros específicos respecto a la potencia efectiva del motor.
Finalmente calcularemos el coeficiente de llenado (𝑛𝑣 ), coeficiente de exceso de aire (𝜆) y el grafico de sus respectivas variaciones con respecto a la potencia (𝑁𝑒 ) cuando la frecuencia de rotación del motor es 1700 rpm. Nº 1 2 3 4 5
Ne (kW) 5.9891 11.4078 19.3932 27.6639 36.5049
Tk (K) 313 313 313 314 315
Ta (K) 337.0732 337.0732 337.0732 338.0488 339.0244
nv 0.9286 0.9286 0.9286 0.9289 0.9291
Tabla 13: Coeficiente de llenado en régimen de carga (n = 1700 rpm).
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Nº 1 2 3 4 5
Ne (kW) 5.9891 11.4078 19.3932 27.6639 36.5049
𝜌k (Kg/m3) 1.0868 1.0986 1.1282 1.1600 1.2180
Ga (Kg/h) 199.9465 202.1240 207.5677 213.4822 224.2338
𝜆 4.7931 3.5133 2.6323 2.1851 1.6821
Gc (Kg/h) 2.9172 4.0232 5.5144 6.8322 9.3223
Tabla 14: Coeficiente de exceso de aire en régimen de carga (n = 1700 rpm).
Coeficiente de llenado (nv)
Coeficiente de exceso de aire (λ) 5.5
Coeficiente de llenado
4.7931 4.5
4.5 3.5133
3.5
3.5
2.6323 2.1851
2.5
2.5 1.6821
1.5
0.9286
0.9286
0.9286
0.9289
1.5
0.9291
0.5
Coeficiente de exceso de aire
5.5
0.5 0
5
10
15
20
25
30
35
40
Potencia efectiva del motor (kW)
Grafico 4: Variación de parámetros específicos respecto a la potencia efectiva del motor.
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VII.- CONCLUSIONES
1.- En los motores Diesel sobrealimentados con turbocompresor el coeficiente de llenado permanece casi constante en ambos ensayos, durante la frecuencia de rotación y la potencia efectiva. 2.- Respecto al coeficiente de exceso de aire, en el régimen de carga tienen un considerable decrecimiento mientras que en el régimen de velocidad un considerable crecimiento, esto debido al mayor consumo de aire por parte del motor originado por el turbo.
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VIII.- ANEXO Sabemos para motores de combustión interna sobrealimentados:
𝐺𝑎 =
(𝑉𝐻 )(𝑛)(𝜌𝑘 )(𝑇𝑘 ) 𝑇𝑎
Dónde:
𝐺𝑎 : Flujo másico de aire (Kg/h). 𝑉𝐻 : Cilindrada total del motor (m3). 𝑛: Frecuencia de rotación del motor (rpm). 𝜌𝑘 : Densidad del aire corregido a la condición de 𝑃𝑘 y 𝑇𝑘 (Kg/m3). 𝑇𝑘 : Temperatura absoluta a la salida del compresor (K). 𝑇𝑎 : Temperatura absoluta al final de la admisión (K). Además:
𝑇𝑎 =
𝑇𝑘 + ∆𝑇 + (𝛾𝑟 )(𝑇𝑟 ) 1 + 𝛾𝑟 Motores de combustión interna FIM-UNI
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Dónde:
∆𝑇: Calentamiento por contacto de las paredes (∆𝑇 = 15 𝐾). 𝛾𝑟 : Coeficiente de gases residuales (𝛾𝑟 = 0.025 ). 𝑇𝑟 : Temperatura de gases residuales (𝑇𝑟 = 700 𝐾). Por lo tanto la eficiencia volumétrica 𝑛𝑣 :
𝑛𝑣 =
𝐺𝑎 (𝑉𝐻 )(𝑛)(𝜌𝑘 )(𝑇𝑘 ) 𝑇𝑘 = → 𝑛𝑣 = (𝑉𝐻 )(𝑛)(𝜌𝑘 ) (𝑇𝑎 )(𝑉𝐻 )(𝑛)(𝜌𝑘 ) 𝑇𝑎
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