Informe de tarea de Motores de Combustión Interna

Introducción

En el presente informe se presentará los cálculos para determinar los parámetros

básicos de un motor de combustión interna, con lo cual se podrá aprender el

comportamiento real de un motor a través de su curvas p-v, Lnp vs LnV y p vs angulo

de giro.

Marco teórico

Los motores de combustión interna son un tipo de máquinas térmicas que permiten

transformar energía química (a partir de la combustión de los hidrocarburos derivados

del crudo como la gasolina o diesel) en energía mecánica.

Dentro de los motores de combustión se puede clasificar según su proceso de

combustión (por compresión o por chispa), ciclo de trabajo (de dos tiempos o cuatro

tiempos), diseño básico del motor (número de cilindros y disposición de los mismos),

presión de admisión (aspiración natural o sobrealimentado) y tipo de refrigeración

(refrigeración por aire o por agua).

En la actualidad los motores de combustión interna, a pesar de los problemas

asociados (crisis energéticas, dependencia del petróleo, contaminación del

aire, aumento de los niveles de CO2) son todavía imprescindibles y se fabrican según

diseños muy diferentes y una gama muy amplia de potencias que va desde pocos

vatios hasta miles de kW. Se hace uso de este tipo de máquinas en la industria textil,

alimentaria, minera, automotriz, naval e incluso en instalación hospitalarias como parte

de grupos electrógenos.

En Perú el uso de los motores de combustión interna está en desarrollo debido a que

si bien se importan y comercializan una gran cantidad de estas máquinas en la

industria minera, no se cuenta con la calidad de combustible (en algunos lugares se

encuentra 50 ppm de azufre y 5% de biodiesel) para el trabajo eficiente de los mismos

en cualquier parte de nuestro territorio.

Cálculos y resultados

A continuación se presentará el ejemplo de cálculo y algunos resultados del análisis

de datos experimentales se presentarán en tablas.

D (m) 0,07496

s (m) 0,077

rc=(vd/vc)+1 10,5

Lbiela (m) 0,14025

l cigüeñal (m) 0,0385

z (# cilindros) 4

Ap (m2) 0,00441315

Vd (m3) 0,00033981

Vtot (m3) 0,00135925

Vc (m3/cyl) 3,577E-05

N (rpm) 1300

Te (N.m) 97,5

mc (kg/h) 4,49

PCI (kJ/kg) 35130

Lambda (λ) 1,01

I (# ciclos/vuelta) 0,5

rc = relación de compresión

vc = volumen muerto o de la cámara de combustión

vd =Cilindrada unitaria

Ap= sección del pistón

Vt= cilindrada total

s = carrera del pistón

D= diámetro del pistón

(

)

Ahora para hallar los valores indicados se procederá a usar los valores de datos

experimentales dados por el profesor.

Angulo de giro del eje cigüeñal (°)

D-Piston desde el PMS (m)

Volumen del Cilindro (m3)

Presión en el interior del cilindro (bar)

Presión en el interior del cilindro (Pa)

-360 0 3,57698E-05 0,785333333 79573,9

-359 7,47328E-06 3,58028E-05 0,716333333 72582,475

-358 2,98895E-05 3,59017E-05 0,785333333 79573,9

-357 6,72377E-05 3,60665E-05 0,751 76095,075

-356 0,0001195 3,62971E-05 0,750666667 76061,3

-355 0,00018665 3,65935E-05 0,681666667 69069,875

-354 0,000268656 3,69554E-05 0,681666667 69069,875

-353 0,000365478 3,73827E-05 0,647333333 65591,05

-352 0,000477069 3,78752E-05 0,681666667 69069,875

-351 0,000603375 3,84326E-05 0,612666667 62078,45

-350 0,000744334 3,90546E-05 0,682 69103,65

-349 0,000899877 3,97411E-05 0,682 69103,65

-348 0,00106993 4,04915E-05 0,682 69103,65

-347 0,00125441 4,13057E-05 0,647 65557,275

Los datos dados por el profesor fueron ángulo de giro del eje cigüeñal y la presión en

el interior del cilindro (Bar), de los cuales se obtuvo la distancia del pistón desde el

PMS con la fórmula dada por Heywood, el volumen del cilindro en cada instante y se

convirtió a pascales la presión en el interior del cilindro.

Entonces para un ángulo cero la distancia recorrida por el pistón será:

s= L+l=0,17875m

Luego la distancia del pistón desde el PMS será:

( ( ) )

Dependiendo del ángulo se obtendrá una distancia respecto al PMS.

Luego para hallar el volumen en el interior del cilindro se usó la siguiente fórmula:

( ( )

)

Al reemplazar el ángulo de giro se obtendrá el volumen interior del cilindro en cada

instante de ángulo.

Ahora para hallar el trabajo se hará uso de métodos numéricos:

El término dP se obtiene a partir de la semisuma de un término i y otro término i+1, los

cuales se obtienen a partir de la tabla dada por el profesor, pero desarrollada para

cada punto o instante.

El término dV se obtiene de la resta de un término “i+1” y otro término “i”. También a

partir de la tabla dada por el profesor en cada punto.

En la siguiente tabla se muestra algunos valores calculados:

(Pi+Pi+1)/2 dv dWi(J)

76078,1875 3,2981E-08 0,00250911

76078,1875 9,8926E-08 0,00752612

77834,4875 1,6482E-07 0,01282894

76078,1875 2,3064E-07 0,0175467

72565,5875 2,9635E-07 0,02150447

69069,875 3,6191E-07 0,0249968

67330,4625 4,2729E-07 0,02876969

67330,4625 4,9247E-07 0,03315809

65574,1625 5,5741E-07 0,03655141

65591,05 6,2207E-07 0,0408024

69103,65 6,8644E-07 0,04743535

Una vez que se hace la suma de todas las multiplicaciones, se obtiene el trabajo

indicado.

Este es el trabajo realizado por un solo cilindro, pero como son 4 se obtendrá el

trabajo total indicado:

Tabla de resultados

S/D 1,02721

velocidad media (m/s) 1,66833

Fr 0,99010

Pe(kW) 13,27323

pme(kPa) 901,39413

ηe 0,30294

cec(kg/kW.h) 0,338274885

Wi (J) 364,7822601

pmi (Pa) 4293919,901

Pi (W) 15807,23127

Ppm (kW) 2,53400

ηi 0,360772825

ηm 0,839693475

Respuestas al cuestionario:

1. El motor es alargado debido a que su relación s/D es mayor que 1, además se

encontró que dicho valor también es típico en motores MECH de 4 tiempos con

aplicación en automóviles.

2. Los valores pedidos se encuentran en la tabla de resultados y los gráficos

serán presentados a continuación.

Gráfico Presión Vs ángulo de giro (Tetha)

0.000

4.000

8.000

12.000

16.000

20.000

24.000

28.000

32.000

36.000

40.000

44.000

48.000

52.000

56.000

60.000

-400-360-320-280-240-200-160-120 -80 -40 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400

Presión Vs Tetha

Gráfico presión Vs volumen interno del cilindro

0.000

4.000

8.000

12.000

16.000

20.000

24.000

28.000

32.000

36.000

40.000

44.000

48.000

52.000

56.000

60.000

0 0.00005 0.0001 0.00015 0.0002 0.00025 0.0003 0.00035 0.0004

P vs V

P vs V

Gráfico LnP vs LnV

A partir de esta gráfica se obtendrá los coeficientes politrópicos de expansión y de

compresión. Para ello, se buscará visualmente los puntos de inicio y final de

compresión y expansión, luego se dará una regresión lineal entre esos puntos y el

coeficiente de la variable independiente será el coeficiente politrópico. Además, se

ubicará visualmente los ángulos de inicio y fin de combustión para determinar la

duración de la combustión.

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

-11 -10.5 -10 -9.5 -9 -8.5 -8 -7.5 -7

LnP vs Ln V

LnP vs Ln V

y = -1.4196x - 11.47 R² = 0.9974

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

-12 -10 -8 -6 -4 -2 0

Compresión

El coeficiente poli trópico de expansión es 1,3188 mientras que el correspondiente al

de compresión es 1,4196.

Para el ángulo de inicio de la combustión se tiene -8° mientras que el ángulo de fin del

mismo es 24°.

Por lo tanto la duración angular de la combustión es de 32°.

y = -1.3188x - 9.0271 R² = 0.9994

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

-12 -10 -8 -6 -4 -2 0

Expansión

Expansión

Lineal (Expansión)

Comentarios De los datos experimentales tomados se puede determinar el trabajo realizado

por un pistón, el cual llegaría a ser el trabajo indicado de un solo pistón. Debido

a ello es necesario multiplicar por el número de pistones que existen. Este

trabajo ya incluye el factor “i”.

Conclusiones

Se logró determinar que el trabajo indicado (trabajo realizado por los pistones)

es mayor que el trabajo efectivo (trabajo en el eje), esto es debido a que existe

pérdida mecánica dentro de la máquina térmica.

Se concluye que el ciclo termodinámico real es muy distinto con respecto al

ideal, eso es debido a las pérdidas y debido a que el flujo interno es turbulento,

lo cual no permite procesos ideales como a volumen constante, pero lo que sí

se puede observar es que se aproxima a uno.

El coeficiente politrópico de compresión es mayor que correspondiente al

coeficiente politrópico de expansión, sin embargo el este coeficiente es mayor

que 1,4 por lo cual puedo decir que algún cálculo puede estar errado o puede

ser que los puntos tomados visualmente no fueron los adecuados..

Bibliografía

Heywood, J.B. “Internal Combustion Engine fundamentals”.1988.

McGraw-Hill.