análisis motor otto

Eficiencia motor Otto: Guamn, Mogrovejo, Pugo, Siguenza

Resumen: En el presente trabajo se analiz la eficiencia de un ciclo termodinmico de

Otto utilizando al aire y helio como flujo de

trabajo, para la obtencin de datos nos

ayudamos de la herramienta de

diagnstico (scanner), al ltimo realizamos

una tabla comparativa en la cual podemos

observar con que fluido de trabajo el motor

de nuestro vehculo sera ms eficiente.

Palabras clave: Eficiencia, helio, revoluciones, entropa, isotrpico.

Abstract: In this paper the efficiency of a thermodynamic cycle Otto was analyzed

using air and helium as workflow, for

obtaining data we help the diagnostic tool

(scanner), the last conducted a

comparative table in which we can observe

that working fluid drive our vehicle would

be more efficient.

1. OBJETIVOS

Objetivo General

Determinar la eficiencia de un

motor Otto

Objetivos Especficos

Comparar la eficiencia del motor

Otto con el aire y helio como fluido

de trabajo

Obtener los datos reales del

vehculo para el calculo

Identificar los factores que influyen

en la eficiencia del motor Otto

2. INTRODUCION

Un ciclo Otto ideal es una aproximacin terica al comportamiento de un motor de explosin. El presente trabajo se trata de una comparacin de la eficiencia de un motor Otto perteneciente a un vehculo Mazda 3 (2.0Lf). Sacando sus eficiencias y comparndolas con el aire y el helio como fluidos de trabajo, para ver con cul de estos fluidos el motor es ms eficiente en las diferentes condiciones de trabajo. Para proceder al clculo de la eficiencia primero debemos recopilar los datos necesarios tales como: temperaturas, presiones, coeficientes, constantes de gases y especificaciones del vehculo.

3. MARCO TEORICO

El ciclo de Otto es el ciclo ideal para las mquinas reciprocantes de encendido por chispa. Recibe ese nombre en honor a Nikolaus A. Otto, quien en 1876, en Alemania, construy una exitosa mquina de cuatro tiempos utilizando el ciclo propuesto por Frenchman Beau de Rochas en 1862. En la mayora de las mquinas de encendido por chispa el mbolo ejecuta cuatro tiempos completos (dos ciclos mecnicos) dentro del cilindro, y el cigeal completa dos revoluciones por

UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA Anlisis de eficiencia de un motor Otto usando aire y helio

Guamn Velzquez Juan Fernando; Mogrovejo Pasato Christian Santiago

Pugo Calle Kevin Jacinto; Siguenza Cabrera Luis Miguel [email protected] [email protected]

[email protected] [email protected]


Cada ciclo termodinmico. Estas mquinas son llamadas mquinas de combustin interna de cuatro tiempos. [1]

Fig. 1 Ciclos real e ideal en motores de encendido por chispa y sus diagramas P-v.

El mbolo se mueve hacia arriba y comprime la mezcla de aire y combustible. Un poco antes de que el mbolo alcance su posicin ms alta (PMS), la buja produce una chispa y la mezcla se enciende, con lo cual aumenta la presin y la temperatura del sistema. Los gases de alta presin impulsan al mbolo hacia abajo, el cual a su vez obliga a rotar al cigeal, lo que produce una salida de trabajo til durante la carrera de expansin o carrera de potencia. [1] Al final de esta carrera, el mbolo se encuentra en su posicin ms baja (la terminacin del primer ciclo mecnico) y el cilindro se llena con los productos de la combustin. Despus el mbolo se mueve hacia arriba una vez ms y evacua los gases de escape por la vlvula de escape (carrera de escape), para descender por segunda vez extrayendo una mezcla fresca de aire y combustible a travs de la vlvula de admisin (carrera de admisin). [1] En las mquinas de dos tiempos, las cuatro funciones descritas anteriormente se ejecutan slo en dos tiempos: el de

potencia y el de compresin. En estas mquinas el crter se sella y el movimiento hacia fuera del mbolo se emplea para presurizar ligeramente la mezcla de aire y combustible en el crter, como se muestra en la fig. 2. Adems, las vlvulas de admisin y de escape se sustituyen por aberturas en la porcin inferior de la pared del cilindro.

Fig. 2 Diagrama de un motor de 4 tiempos

Durante la ltima parte de la carrera de potencia, el mbolo descubre primero el puerto de escape permitiendo que los gases de escape sean parcialmente expelidos, entonces se abre el puerto de admisin permitiendo que la mezcla fresca de aire y combustible se precipite en el interior e impulse la mayor parte de los gases de escape restantes hacia fuera del cilindro. [1] Esta mezcla es entonces comprimida cuando el mbolo se mueve hacia arriba durante la carrera de compresin y se enciende subsecuentemente mediante una buja. [1] Las mquinas de dos tiempos son generalmente menos eficientes que sus contrapartes de cuatro tiempos, debido a la expulsin incompleta de los gases de escape y la expulsin parcial de la mezcla fresca de aire y combustible con los gases


de escape. Que se espera que vuelvan a aparecer en el futuro cercano. El anlisis termodinmico de los ciclos reales de cuatro y dos tiempos antes descritos no es una tarea simple. Sin embargo, el anlisis puede simplificarse de manera significativa si se utilizan las suposiciones de aire estndar, ya que el ciclo que resulta y que es parecido a las condiciones de operacin reales es el ciclo de Otto ideal, el cual se compone de cuatro procesos reversibles internamente: 1-2 Compresin isentrpica 2-3 Adicin de calor a volumen constante 3-4 Expansin isentrpica 4-1 Rechazo de calor a volumen constante

Fig. 3 Diagrama T-S para el ciclo Otto

La ejecucin del ciclo de Otto en un dispositivo de mbolo y cilindro junto a un diagrama P-v se ilustra en la figura 9-13b. El diagrama T-s del ciclo de Otto se presenta en la fig. 3. El ciclo de Otto se ejecuta en un sistema cerrado, y sin tomar en cuenta los cambios en las energas cintica y potencial, el balance de energa para cualquiera de los procesos se expresa, por unidad de masa, como:

( ) + (

) = (/) [1]

No hay trabajo involucrado durante los dos procesos de transferencia de calor porque ambos toman lugar a volumen constante. Por lo tanto, la transferencia de calor hacia y desde el fluido de trabajo puede expresarse como:

= 3 2 = (3 2) [1]

= 4 1 = (4 1) [1]

Entonces, la eficiencia trmica del ciclo de Otto ideal supuesto para el aire estndar fro es:

. =

= 1

=

1 41

32=

1(4/11)

2(3/22 [1]

Los procesos 1-2 y 3-4 son isentrpicos, y 2 = 3y 4 = 1. Por lo tanto,

1

2= (

2

1)

1= (

3

4)

1=

4

3 [1]

Sustituyendo estas ecuaciones en la relacin de la eficiencia trmica y simplificando, se obtiene:

. = 1 1

1 [1]

Donde:

=

=

1

2=

1

2 [1]

Que es la relacin de compresin, y k es la relacin de calores especficos

/ [1] Para k =1.4, el cual es el valor de la relacin de calores especficos del aire a temperatura ambiente. Para una relacin de compresin dada, la eficiencia trmica de una mquina real de encendido por chispa ser menor que la de un ciclo de Otto ideal debido a irreversibilidades como la friccin y a otros factores, como la combustin incompleta.


Mejora en la eficiencia trmica Las mejoras en la eficiencia trmica de mquinas de gasolina mediante el uso de relaciones de compresin ms altas (hasta aproximadamente 12) sin que se enfrenten problemas de autoencendido, ha sido posible usando mezclas de gasolina que tienen buenas caractersticas de antidetonante, como la gasolina mezclada con tetraetilo de plomo. [1] El tetraetilo de plomo se ha agregado a la gasolina desde 1920 debido a que es el mtodo ms econmico para elevar el ndice de octano u octanaje, que es una medida de la resistencia de un combustible al golpeteo del motor. [1] Sin embargo, la gasolina con plomo tiene un efecto colateral muy indeseable: forma compuestos durante el proceso de combustin que contaminan el ambiente y son muy peligrosos para la salud. En un esfuerzo por combatir la contaminacin del aire, a mediados de la dcada de los setenta, el gobierno de Estados Unidos adopt una poltica que origin la discontinuacin eventual de la gasolina con plomo. Imposibilitados de emplear plomo, las refinadoras desarrollaron tcnicas ms elaboradas para mejorar las caractersticas antidetonantes de la gasolina. [1] La mayor parte de los automviles fabricados a partir de 1975 se han diseado para usar gasolina sin plomo, y las relaciones de compresin se han reducido para evitar el golpeteo del motor. La disponibilidad de combustibles de alto octano hizo posible elevar nuevamente las proporciones de compresin en los aos recientes. Tambin, gracias a mejoras en otras reas (reduccin en el peso total del automvil, diseo aerodinmico mejorado, etc.) los automviles actuales ofrecen una mejor economa de combustible y en consecuencia permiten recorrer ms kilmetros por litro de combustible.

Esto es un ejemplo de cmo las decisiones de ingeniera implican compromisos, y la eficiencia es nicamente una de las consideraciones en el diseo final. [1]

Fig. 4 Eficiencia trmica del ciclo de Otto aumenta con la relacin de calores especficos K del fluido de trabajo

Razones que diferencian al ciclo de funcionamiento real y terico del motor Otto Las razones por las que el funcionamiento real es diferente al funcionamiento terico, y que ocasionan menor eficiencia del motor Otto son las siguientes: Perdidas de calor: En el ciclo terico son nulas, pero bastante importantes, por el contrario, en el ciclo real. Como el cilindro est refrigerado para asegurar el buen funcionamiento del pistn, una cierta parte del calor de la mezcla se transfiere las paredes del cilindro. Las fases de compresin y expansin no son, por consiguiente, adiabticas, sino politropicas. Como la mezcla experimenta una prdida de energa en forma calor se tiene por tanto, una prdida de trabajo til. [2]


Fig. 5 Prdidas de trabajo til en ciclo Otto

Tiempo de apertura cierre de las vlvulas de admisin y escape: En el ciclo terico se supone que tanto la vlvula de admisin como la de escape se abren y se cierran sbitamente. En el ciclo real, es fsicamente imposible que esto ocurra, causando una prdida de tiempo considerable. Con el objetivo de solucionar este problema y mejorar as el llenado y vaciado del cilindro, las vlvulas de admisin y escape se abren con anticipacin (menos rea de expansin) causando una prdida de trabajo til). Sin embargo est perdida es menor que la que se obtendra si no existiera al adelanto de la apertura de las vlvulas. [2] Combustin no instantnea: La combustin se efecta a volumen constante y es instantnea en el ciclo terico mientras que en el ciclo real la combustin dura un lapso de tiempo para este caso si el encendido tuviese lugar precisamente en el P.M.S, la combustin ocurrira mientras el pistn se aleja de dicho punto (mayor volumen) y el valor de la presin y temperatura serian inferiores,

con la correspondiente perdida de trabajo til. [2] Por esta razn es conveniente anticipar el encendido de tal forma que la combustin pueda tener lugar, mayoritariamente cuando el pistn se encuentre prximo al P.M.S. esta introduccin de calor a menor presin produce una prdida de trabajo til, sin embargo esta prdida es la menor que la que se tendra sin adelantar el encendido. [2] Perdidas por bombeo: En el ciclo terico el ingreso de los gases desde la atmosfera se efecta sin rozamiento, con lo que no existe perdidas de carga y la presin dentro del cilindro en la fase de admisin es igual a la atmosfera y se mantienen constante. [2] En el ciclo real por existir estrangulamiento al paso de aire (rozamiento) durante la carrera de admisin se obtiene una prdida de carga manifestado con una presin de admisin menor a la presin atmosfrica mientras que durante la carrera de escape la presin es superior. Esta prdida causa una notable perdida energtica, el esfuerzo efectuado por el motor para realizar la aspiracin y el escape se llama trabajo de bombeo y est determinado generalmente por el trabajo perdido rozamientos. [2] Consideraciones elementales para el anlisis de ciclos de potencia de gas Las idealizaciones y simplificacin de complejidades empleadas en el anlisis de los ciclos de potencia, son las siguientes:

El ciclo no implica ninguna friccin, por esta razn el fluido de trabajo no experimenta ninguna cada de presin cuando fluye en tuberas o dispositivos como los intercambiadores de calor. [2]


Todos los procesos de expansin y compresin ocurren en la forma de cuasi equilibrio.

Las tuberas que conectan a las diferentes componentes de un sistema estn muy bien aisladas y la transferencia de calor atreves de ella es insignificante.

Presin media efectiva: Otro trmino empleado en las maquinas reciprocantes es la presin media efectiva (PME), una presin ficticia que, si actuara sobre el embolo durante toda la carrera de potencia, producira la misma cantidad de trabajo neto que el producido durante el ciclo real. [1] La presin media efectiva puede ser usada como parmetro para comparar el desempeo de mquinas reciprocantes de igual tamao la mquina que tiene un valor mayor de PME entregara ms trabajo neto por ciclo por lo tanto se desempear mejor. [1]

4. PROCESO DE OBTENCION DE DATOS

Para realizar nuestro clculo necesitamos obtener los datos de las temperaturas de entrada (T1) a la cmara de combustin, de salida de los gases de escape (T4), la presin atmosfrica (P1), la relacin de volmenes (), el dimetro de pistn (), volumen total (V).

De la ficha tcnica del vehculo a analizar sacamos la relacin de compresin de motor y su cilindraje:

Fig. 6 Ficha tcnica del vehculo [3]

La presin atmosfrica en la ciudad de cuenca el da viernes 24 de julio de 2015 es:

Fig. 7 Datos meteorolgicos [4]

El dimetro del pistn lo obtuvimos del manual de taller:

Fig. 8 Dimetro de pistn [3]


Ingresando la herramienta de diagnstico (scanner) pudimos obtener las siguientes temperaturas para el clculo: La Temperatura 1 la obtuvimos con el funcionamiento del motor por medio del sensor IAT:

Fig. 9 Obtencin de la T1 [5]

La Temperatura 4 la obtuvimos con el funcionamiento del motor por medio del sensor del catalizador:

Fig. 10 Obtencin de la T4 [5]

De la tabla A-2 del libro Calores especficos de gas ideal de varios gases comunes obtuvimos:

Fig. 11 Tabla A-2 Calores especficos de gas

ideal de varios gases comunes [1]

5. DESARROLLO

Clculo de la eficiencia usando el

aire como fluido de trabajo:

Datos:

T1 = 26C Temperatura IAT

T4 = 532C Temperatura de

salida de los gases combustionados

rv = 10: 1 Catalogo

piston = 87,465 mm Catalogo

Vtotal = 2000 cm3 Catalogo

P1 = 753.3 hPa = 75,33 KPa

Tablas:

= 0,2870 [

]

= 1.4

= 0,718 [

. ]


Diagrama P-V

Fig. 12 diagrama P-V de un ciclo Otto [1]

Diagrama T-S

Fig. 13 diagrama T-S de un ciclo Otto [1]

rea del cilindro:

=2

4

=(8,7465 )2

4

= , [] = , []

Volumen unitario

=

=2000 3

4

= []

Volumen de la cmara de

combustin :

=

1

=500 3

10 1

= = , []

Volumen del punto muerto

inferior:

Suposiciones de aire

estndar:

=

=

= 10 55,55 3

= , []

= , []

Masa de aire

=1

1

=75.33 [] 0,000555 [3]

0,2870 [ 3

] 299[]

= , []

Temperatura de compresin

2 = 1 1

2 = (26 + 273) 101.41

= , []

Temperatura de expansin


1. Primera forma de obtener la

temperatura de expansin

Dado que los procesos de compresin

y expansin son isentrpicos, y 2 =

3 y 4 = 1, por lo tanto

12

= (21

)1

= (34

)1

=43

Se suprimen:

(21

)1

= (34

)1

Nos queda la siguiente ecuacin:

12

=43

Despejamos 3 y nos queda:

3 =4 2

1

3 =805 [] 751,05[]

299 []

= , []

2. Segunda forma de obtener

la temperatura de

expansin

Proceso isentrpico:

43

= (34

)1

3 =4

(34

)1

Se sabe que:

(34

) = (1

)

Sustituimos en la ecuacin:

3 =4

(1

)1

3 =805 []

(1

10)1.41

= , []

Trabajo 1-2

12 = (2 1)

12 = 4,82 4 []

0,718 [

. ]

(751,05

299)[]

= , []

Trabajo 3-4

34 = (3 4)

34 = 4,82 104 []

0,718 [

. ]

(2022,06

805)[]

= , []

= (3 2)

= 4,82 104 []

0,718 [

. ]

(2022,06

751,05)[]

= , []

= (4 1)


= 4,82 104 []

0,718 [

. ]

(805 299)[]

= , []

=

= 0,43 [] 0,1751 []

= , []

Presin media efectiva (PME)

=

=0.2559 [ 3]

(0.00055 0.000056) [3]

= . []

Eficiencia trmica

=

=0,2559 []

0,43 [] 100%

= . %

Clculos usando helio como fluido

de trabajo

Tablas:

= 2,0769 [

]

= 1.667

= 3.1156 [

. ]

Clculos

Masa de aire

=1

1

=75.33 [] 0,000555 [3]

2,0769 [ 3

] 299[]

= , []

Temperatura de compresin

2 = 1 1

2 = (26 + 273)[] 101.6671

= , []

Temperatura de expansin

1. Primera forma de obtener la

temperatura de expansin 3

Dado que los procesos de compresin

y expansin son isentrpico, y 2 = 3

y 4 = 1, por lo tanto

12

= (21

)1

= (34

)1

=43

Se suprimen:

(21

)1

= (34

)1

Nos queda la siguiente ecuacin:

12

=43


Despejamos 3 y nos queda:

3 =4 2

1

3 =805 [] 1388.9[]

299 []

= , []

2. Segunda forma de obtener la

temperatura de expansin 3

Proceso isentrpico:

43

= (34

)1

3 =4

(34

)1

Se sabe que:

(34

) = (1

)

Sustituimos en la ecuacin:

3 =4

(1

)1

3 =805 []

(1

10)1.6671

= . []

Trabajo 1-2

12 = (2 1)

12 = 6,7 5 []

3.1156 [

. ]

(1388,9

299)[]

= , []

Trabajo 3-4

34 = (3 4)

34 = 6,7 5 []

3.1156 [

. ]

(3739,35

805)[]

= , []

= (3 2)

= 6,7 5 []

3.1156 [

. ]

(3739,35

1388,9)[]

= , []

0

= (4 1)

= 6,7 5 []

3.1156 [

. ]

(805 299)[]

= , []

=

= 0,4906 []

0,1056 []

= , []


Presin media efectiva

(PME)

=

=0.385 [ 3]

(0.00055 0.000056) [3]

= . []

Eficiencia trmica

=

=0,385 []

0,4906 [] 100%

= , %

A continuacin se muestra una tabla de

comparacin de eficiencias a diferentes

revoluciones y fluido de trabajo:

COMPARACION DE EFICIENCIAS

Rpm AIRE HELIO

w neto[KJ]

Eficiencia trmica[%]

w neto[KJ]

Eficiencia trmica[%]

ralent 0.2161 60.04 0.2485 74.48

2000 0.2422 60.18 0.3469 78.32

4000 0.2559 61.55 0.385 78.47

6. CONCLUSIONES Se pudo concluir que la eficiencia

trmica de un motor Otto vara con respecto al nmero de revoluciones y el fluido de trabajo que se utilice para su funcionamiento.

Existen diferentes factores que influyen en los valores calculados

con los valores reales, si se consideraran la prdida de calor, tiempo de apertura cierre de las vlvulas de admisin y escape, combustin no instantnea, perdidas por bombeo ,si se considera todo los factores anteriormente mencionados la eficiencia tiende a disminuir.

Para una mayor precisin al obtener los datos se puede utilizar una termocupla tipo K, de esta manera tendremos clculos ms exactos.

La presin media efectiva (PME) utilizando helio como un fluido de trabajo incrementa de la misma manera que incrementa la eficiencia trmica, entonces entregara ms trabajo neto por ciclo.

Un parmetro importante que afecta en la eficiencia trmica de un

ciclo Otto es la relacin de calores

especficos K ya que si se emplea

un gas monoatmico como es el

caso del helio este tendr una

eficiencia trmica ms alta.

7. REFERENCIAS

[1] M. B. Yunus A. Cengel, Termodinamica, septima edicion, Mexico.

[2] I. F. P. O. JAIRO DARIO CASTILLO CALDERON, DISENO E IMPLEMENTACION DE UN MODELO MATEMATICO PARA EL CALCULO DEL CICCLO OTTO DEL MOTOR ARMFIELD VOLKSWAGEN CM11-306. ECUADOR 07 2013.

[3] Mazda, Mazda, 28 07 2015. [En lnea]. Available: http://www.mazda.com/.


[4] UPS, Informacion meteorologica, [En lnea]. Available: http://redenti.ups.edu.ec:8086/iner/.

[5] Scanner, CARMAN, NPI, 2014.

análisis motor otto

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