PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ

FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍA

SECCIÓN INGENIERÍA MECÁNICA

TAREA ACADÉMICA N° 3

MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA [MEC299]

INTEGRANTES

20070502 Albert Einstein Villanueva Chávez 20074383 José Luis Heredia Lazos 20077043 Daniel Fernández Bardales 20077133 Bryan Ramos Gonzales 20079037 José Bringas Guiterrez 20080204 Carlos Busquets Elliot 20082129 Héndrick Maz Vargas 20082239 Juan Diego Rosales Flores 20084031 Edgar Mendoza Evangelista 20090437 Jhonatan Párraga Córdova

Lima, Septiembre del 2015

INTRODUCCIÓN

Un motor de combustión interna es una máquina de desplazamiento positivo que transforma la energía química que se produce al explotar el combustible dentro de la cámara de combustión en energía mecánica, estos motores son clasificados según el proceso de combustión, la forma del ciclo de trabajo, diseño básico del motor, presión de admisión y tipo de refrigeración.

Según el proceso de combustión, se puede distinguir al motor encendido por chispa (MECH) y el motor de encendido por compresión (MEC), conocidos también como motor de ciclo Otto y motor de ciclo Diesel. En el primero para iniciar la combustión es necesario el aporte de energía externa a través de una bujía, mientras que en el motor MEC debido al proceso de compresión, la combustión se inicia por medio de un autoencendido de la mezcla aire combustible, ya que se consiguen temperaturas altas en la cámara de combustión, al comprimirse el aire en una gran relación.

En estos dos tipos de motores se pueden diferenciar parámetros indicados que son los que se desarrollan dentro del cilindro del motor y los parámetros efectivos que se refiere a los que se desarrollan en el eje de motor, dentro de estos últimos ya se consideran las perdidas por bombeo, auxiliares y rozamiento.

Para una mayor comprensión del comportamiento del motor de combustión interna se desarrollará el siguiente trabajo que consiste en evaluar las características funcionales de un motor de encendido por chispa (MECH), es decir un motor de Gasolina, a partir de los siguientes parámetros:

Datos técnicos del motor Régimen de giro Torque efectivo Consumo de combustible Presiones

MARCO TEÓRICO

Motor de encendido por chispa (MECH)

En el funcionamiento de este tipo de motor se describen ciclos a volumen constante y baja relación de compresión generalmente entre 7.5 a 11, se utiliza combustibles ligeros como Gasolina, GLP, GN, biogás los cuales tienen un gran poder calorífico, el encendido se realiza por medio de los electrodos de una bujía.

Hace unos años, entre los elementos del motor se encontraba el carburador que es un pulverizador (gasificador) de combustible el cual cumplía con proporcionar la mezcla adecuada. Debido a la mejora continua de los motores destinados a la propulsión automotriz, los cuales requieren de facilidad arranque en frio, y caliente, esto llevo a que los carburadores cambien y se perfeccionen con el paso del tiempo.

Primero se dispuso de dispositivos de compresión para circunstancias particulares, (acelerador o compensador climático) posteriormente fueron reemplazados de manera paulatina por sistemas con menos complejidad, los cuales eran basados en la inyección del combustible a presión primero en el múltiple de admisión en un punto, luego en cada entrada al cilindro, y finalmente, directamente dentro de la cámara del cilindro, quedando así los carburadores relegados a motores muy pequeños, de 2 tiempos o de muy baja performance.

1. CUESTIONARIOParámetros Indicados

Régimen de giro [rpm] 1300

Torque efectivo [Nm] 97.4

Consumo de combustible [kg/h] 5.59

PCI del combustible [kJ/kg] 29148

Factor Lambda [-] 0.92

1.1. Análisis los parámetros geométricos del motor

Los factores geométricos del motor son de suma importancia, ya que nos ayudan a determinar en primera instancia la configuración del motor, volumen de cilindrada, entre otros. A continuación se adjunta una tabla con los factores geométricos más importantes.

Motor / Aplicación MECH 4T / Automóvil

Diámetro del pistón [m] 0.07496

Carrera del pistón [m] 0.077

Relación de compresión [-] 10.5

N° de cilindros 4

Longitud de la biela [m] 0.14025Tabla 1. Tabla con datos técnicos del motor

Sean:

S :Carreradel piston (m )

D :Diametro del piston(m)

En primer lugar, calculamos la relación carrera / diámetro:

S=0.077m

D=0.07496m

S/D=1.027

Podemos concluir de la relación lo siguiente:

Como 0.9< S/D < 1.1, se puede decir que se trata de un motor MECH 4T automóvil. Esta afirmación corrobora la aplicación especificada en la Tabla 1.

Como S/D> 1, tenemos un motor alargado. Destacan las siguientes características de este tipo de configuración de motor: cámara compacta, menores pérdidas de calor y el poco espacio para las válvulas.

Figura 1. Tipos de relación de carrera entre diámetros. Fuente: Aficionados a la mecánica. http://www.aficionadosalamecanica.net/cur_mec_cilindrada.htm

Cabe resaltar que a menores pérdidas de calor, se aprovecha de mejor manera la energía de combustión. Además al tener una cámara compacta reducimos el peso del motor y volumen ocupado, pero teniendo en cuenta el rango de los ángulos para la disposición de las válvulas.

1.2. Cálculos

a) Velocidad lineal media del pistón (Cm)

Cm=2∗S∗n

Donde:

Cm=Velocidad mediadel piston (ms

)

S=Carrera(m)

n=Numeroderevoluciones delmotor (rps)

Cm=2∗0.077m∗(130060 rps)=3.34 msCm=3.34

ms

b) Dosado relativo (F r)

F r=1λ

Donde:

λ :Factor lambda

F r: Dosadorelativo

F r=10.92

=1.09

F r>1 :Mezclarica

Como Fr>1 estamos en el caso de una mezcla rica, es decir, tenemos menor cantidad de aire en la mezcla. Esto no es favorable, ya que para tener una mejor combustión y aprovechar mejor la liberación de energía por parte del combustible, se necesita un exceso de partículas de oxígeno para asegurar una correcta combustión, ya que en caso contrario se tendrían partículas no quemadas.

En clase se ha comentado que el valor habitual de dosado relativo para los motores MECH es de 1, lo cual se estaría cumpliendo aproximadamente.

c) Potencia Efectiva (Pe)Pe=T e∗ω

Donde:

T e :Torque efectivo(N−m)Pe :Potencia efectiva(kW )n :régimen de giro (rpm )

Pe=97.4N .m∗( 1300∗2∗π60

rads

)=13.26 kW

d) Presión Media Efectiva (pme)

pme=2.π .T eV D. i

V D=π D 2

4S=π (0.07496)2

40.077=3.398 x10−4m3

pme=2π T eV Di

=2π (97.4)

3.398 x10−4(1/2)=3602.01kPa

e) Rendimiento Efectivo (ƞe)

ƞe=( pme)(V D)P .C

= Potencia Efectiva(Consumo)(PCI )

= 13.26 x 103

( 5.593600

)(29148) x103=0.2929

N e=29.29%

f) Consumo Específico de Combustible (cec)

cec=Consumo deCombustiblePotencia Efectiva

=(5.7)(1000)13.26

=429.86 gkWh

g) Trabajo indicado

0.00E+00 5.00E-05 1.00E-04 1.50E-04 2.00E-04 2.50E-04 3.00E-04 3.50E-04 4.00E-040.000

10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

60.000

Presión vs Volumen

Grafico1: diagrama de presión-volumen

El Área se obtuvo a partir de la siguiente formula

W indicado= (Presion ) (Diferencial deVolumen )

Se empieza con el cálculo del Volumen Muerto (Vc):

Partiendo de los datos:

rc = 10.5 y Vd= 339.8 cm3

De la Expresion

rc = (Vd+Vc) / Vc

Reordenando

Vc= Vd / (rc -1)

Reemplazando los datos se obtiene que:

Vc=35.77 cm3

Calculamos la posición del pistón (s):

Se tiene:

Formula1:

Dónde: a = S / 2a = 0.077 / 2a = 0.0385 m

De los datos, la Longitud de la Biela (r ):

r = 0.14025 m

Entonces para cada ángulo del cigüeñal (-360° a 360°) se tendrá una posición determinada del pistón (s).

Se presentan algunos valores obtenidos de la posición de la biela en función del ángulo del cigüeñal.

Angulo del Cigüeñal (θ)Posición de la biela (s)

-360 0.179

-359 0.179

-358 0.179

-357 0.179

-356 0.178

-355 0.178

-354 0.178

-353 0.178

-352 0.178

-351 0.178

-350 0.178

-349 0.177

-348 0.177

-347 0.177

-346 0.177

-345 0.177

-344 0.176

-343 0.176

-342 0.176

-341 0.176

-340 0.175

Tabla 2. Posición de la biela en función al ángulo de giro del cigüeñal.

El Volumen para cada ángulo del cigüeñal estará en función de la posición del pistón(s) la cual variara y que ya fue hallado en el cuadro de la página anterior.

Tabla 3

Volumen del cilindro en función al ángulo de cigüeñal

Asimismo también se tiene los datos de la presión para cada ángulo del cigüeñal:

Angulo de giro del eje cigüeñal [°] sVolumen del cilindro en m3

-360 0.179 3.59E-05

-359 0.179 3.61E-05

-358 0.179 3.63E-05

-357 0.179 3.66E-05

-356 0.179 3.70E-05

-355 0.179 3.74E-05

-354 0.178 3.79E-05

-353 0.178 3.84E-05

-352 0.178 3.91E-05

-351 0.178 3.97E-05

-350 0.178 4.05E-05

-349 0.178 4.13E-05

-348 0.178 4.22E-05

-347 0.177 4.31E-05

-346 0.177 4.41E-05

-345 0.177 4.52E-05

-344 0.177 4.63E-05

-343 0.177 4.75E-05

-342 0.176 4.88E-05

-341 0.176 5.01E-05

-340 0.176 5.14E-05

Angulo de giro del eje cigüeñal [°]Presión en el interior del cilindro [bar]

-360 0.972

-359 0.972

-358 0.937

-357 0.972

-356 1.007

-355 0.799

-354 0.903

-353 0.972

-352 0.869

-351 0.799

-350 0.834

-349 0.800

-348 0.869

-347 0.834

-346 0.834

-345 0.834

-344 0.800

-343 0.765

-342 0.799

-341 0.731

-340 0.869

Tabla 4. Presión en el interior del cilindro en función al ángulo del cigüeñal.

A partir de estos datos, se tiene la siguiente gráfica Presión vs Volumen:

0 0.00005 0.0001 0.00015 0.0002 0.00025 0.0003 0.00035 0.00040.000

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000

45.000

50.000

55.000

Presión vs Volumen

Presión vs Volumen

Gráfica 2. Diagrama presión vs volumen

El trabajo indicado se halla calculando el área encerrada:

La sumatoria de las presiones internas multiplicado por la diferencia de volúmenes entre dos posiciones del ángulo del cigüeñal, obteniéndose así:

Presión Indicada (kPa)

Dif Volumen m3 Wi (W)

75.6 3.5902E-05 2.71E+00

79.5 1.65E-07 1.31E-02

76.4 2.31E-07 1.76E-02

77.0 2.96E-07 2.28E-02

74.7 3.62E-07 2.70E-02

73.3 4.27E-07 3.13E-02

72.7 4.92E-07 3.58E-02

72.9 5.57E-07 4.06E-02

70.4 6.22E-07 4.38E-02

70.7 6.86E-07 4.85E-02

70.8 7.50E-07 5.32E-02

71.3 8.14E-07 5.81E-02

70.4 8.77E-07 6.18E-02

72.6 9.40E-07 6.83E-02

72.0 1.00E-06 7.22E-02

72.7 1.06E-06 7.74E-02

70.7 1.13E-06 7.96E-02

72.0 1.19E-06 8.54E-02

70.6 1.25E-06 8.81E-02

71.7 1.31E-06 9.37E-02

70.6 1.37E-06 9.64E-02

71.1 1.42E-06 1.01E-01

70.7 1.48E-06 1.05E-01

70.9 1.54E-06 1.09E-01

69.4 1.60E-06 1.11E-01

69.8 1.65E-06 1.15E-01

70.9 1.71E-06 1.21E-01

71.3 1.76E-06 1.25E-01

70.8 1.81E-06 1.28E-01

71.0 1.86E-06 1.32E-01

70.8 1.92E-06 1.36E-01

71.6 1.97E-06 1.41E-01

69.0 2.02E-06 1.39E-01

71.1 2.06E-06 1.47E-01

70.7 2.11E-06 1.49E-01

71.8 2.16E-06 1.55E-01

71.5 2.20E-06 1.58E-01

73.5 2.25E-06 1.65E-01

73.5 2.29E-06 1.68E-01

74.2 2.33E-06 1.73E-01

73.5 2.38E-06 1.75E-01

74.8 2.42E-06 1.81E-01

75.1 2.46E-06 1.84E-01

76.4 2.49E-06 1.90E-01

75.9 2.53E-06 1.92E-01

76.1 2.57E-06 1.95E-01

76.1 2.60E-06 1.98E-01

77.7 2.63E-06 2.05E-01

74.6 2.67E-06 1.99E-01

75.9 2.70E-06 2.05E-01

74.7 2.73E-06 2.04E-01

76.7 2.76E-06 2.11E-01

Trabajo indicado (Wi) 388.434

Tabla 5. Trabajo indicado

Efectuada la sumatoria de todos los trabajos parcial se obtiene un Valor de 388.43 W.

h) Pérdidas por bombeamiento

De la gráfica de la representación de las pérdidas (no químicas):

-12 -11 -10 -9 -8 -7 -6

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4LN(P) VS LN(V)

Series2

Gráfica 3. Perdidas por bombeamiento

La zona de la gráfica encerrada con rojo es la que nos da el valor de las perdidas por bombeamiento del motor.

i) Presión media indicada

Pmi=W i

V d

Donde:

Pmi : presionmedia indicada(kPa)W i : trabajo indicado(kJ )V d : cilindradaunitaria

Pmi :1143.08kPa

j) Potencia consumida por perdidas mecánicas

Se requiere el cálculo de la potencia indicada

Donde

Luego se procede a obtener el valor de la potencia indicada

Finalmente, se procede al cálculo de la potencia consumida por pérdidas mecánicas

Donde

Luego se procede a obtener el valor de la potencia consumida por perdidas mecánicas

k) Rendimiento indicado

Se define como

Donde

Luego se procede a obtener el valor del rendimiento indicado

l) rendimiento mecánico

Se define como

Luego se procede a obtener el valor del rendimiento mecánico

n) Duración angular de la combustión

-12 -11 -10 -9 -8 -7 -6

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0.0667236320429081

2.96186520404241

3.97994330191213

1.42206361200349

LNP VS LNV

Series2

Gráfica 4. Diagrama de comparación entre ciclos teóricos y reales

Los procesos de compresión y expansión en el cilindro siguen un comportamiento poli trópico el cual mediante la gráfica 4 se puede deducir el inicio de la expansión y el final de la compresión. Al localizar estos datos en nuestra tabla de datos podemos conocer los grados angulares que son tomados para el proceso de combustión.

En la tabla 6 se muestra que los grados para la combustión son 27°.

-6 19.334 0.178 3.69554E-05 2.96187 -10.205799-5 19.635 0.179 3.65935E-05 2.9773 -10.2156403-4 20.140 0.179 3.62971E-05 3.00269 -10.2237716-3 20.756 0.179 3.60665E-05 3.03285 -10.2301461-2 21.531 0.179 3.59017E-05 3.06951 -10.2347265-1 22.436 0.179 3.58028E-05 3.11068 -10.23748580 23.560 0.179 3.57698E-05 3.15956 -10.23840741 24.958 0.179 3.58028E-05 3.21719 -10.23748582 26.608 0.179 3.59017E-05 3.28121 -10.23472653 28.511 0.179 3.60665E-05 3.3503 -10.23014614 30.631 0.179 3.62971E-05 3.42201 -10.22377165 32.958 0.179 3.65935E-05 3.49524 -10.21564036 35.454 0.178 3.69554E-05 3.56825 -10.2057997 38.059 0.178 3.73827E-05 3.63915 -10.1943038 40.732 0.178 3.78752E-05 3.70702 -10.18121539 43.434 0.178 3.84326E-05 3.77123 -10.1666056

10 46.066 0.178 3.90546E-05 3.83007 -10.150549111 48.574 0.178 3.97411E-05 3.88309 -10.133125512 50.836 0.178 4.04915E-05 3.9286 -10.114417613 52.759 0.177 4.13057E-05 3.96573 -10.094510714 54.302 0.177 4.21831E-05 3.99455 -10.073491215 55.401 0.177 4.31233E-05 4.0146 -10.051446116 56.060 0.177 4.4126E-05 4.02642 -10.028461517 56.285 0.177 4.51906E-05 4.03043 -10.004622418 56.101 0.176 4.63165E-05 4.02716 -9.9800120419 55.535 0.176 4.75033E-05 4.01701 -9.9547110420 54.669 0.176 4.87504E-05 4.0013 -9.9287971921 53.514 0.176 5.00572E-05 3.97994 -9.90234505

Tabla 6. Tabla de datos

o) Coeficiente politrópico de la compresión

Gracias al Análisis realizado en la gráfica 4 y mediante el uso del logaritmo neperiano a la ecuación del proceso politrópico como se detalla a continuación

ln (PV n )=cte

ln (P )=−n∗ln (V )+cte

-10.5 -10 -9.5 -9 -8.5 -8 -7.5 -70

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

f(x) = − 1.37074404389657 x − 11.0027689096321

Coeficiente de compresión (LNP VS LNV)

Series2Linear (Series2)Linear (Series2)

Gráfica 5. Coeficiente de compresión

Se obtiene el coeficiente poli trópico mediante la ecuación de la recta en la Gráfica 5.

nc=1.3707

o) Coeficiente politrópico de la expansión

De la misma forma de la Gráfica se determina:

ne=1.3365

CONCLUSIONES

Si bien son pequeñas existen perdidas por bombeo en un motor MECH que no tiene aspiración forzada; de tener un turbocompresor la figura sería distinta.

Se observa que si bien el coeficiente politrópico se acerca mucho al ideal de 1.4, nunca lo supera, quedando siempre encima de 1,3.

Al tener un dosado relativo de 1.09 (mayor a 1) el motor se encuentra funcionado con “mescla enriquecida”

En los motores MECH se producen perdidas por bombeo cuando el motor realiza un esfuerzo al momento de la succión, generando un mayor consumo de combustible.