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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENÍERÍA

MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL TICOMÁN

INGENIERÍA AERONÁUTICA

FUNDAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA

POTENCIA EN ALTITUD

ALUMNOS:

CASTAÑEDA ROJAS ADRIÁN

CASTILLO LUNA EDWIN GIOVANNI

DÍAZ GUADIÁN GUSTAVO ADOLFO

GALLEGOS ARREDONDO EDGAR GUADALUPE

GARCÍA MANCERA NERI ALBERTO

GODINEZ ROQUE OMAR

VELARDE VAZQUEZ LUIS ÁNGEL

GRUPO: 5AV1-O

PROFESOR: ING. LUNA LINARES EDGAR

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INDICE

GENERAL

Objetivo 3

Introducción 4

Justificación 5

Nomenclatura 7

Contenido 8

Principio de funcionamiento 8

Reseña de León Foucault 8

Aplicaciones de las corrientes 9

Funcionamiento 10

Aplicaciones: frenado de flujo 12

Dinamómetro de corrientes parásitas comerciales 13

Selección del dinamómetro 14

Anexo figuras 15

Conclusiones 18

Referencia bibliográfica 19

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OBJETIVO

- Aclarar algunos conceptos sobre la generación de potencia en el motor de

aviación alternativo, como así también su uso adecuado para poder obtener los

mejores rendimientos.

- Otro de los objetivos es estudiar el efecto de la altitud sobre la potencia en

motores de aspiración natural y turbo sobrealimentados sin sistemas

correctores, en función de la presión ambiental.

Para ello debemos saber que la altitud sobre el nivel del mar tiene un notable

efecto sobre la densidad del aire y su composición. Dado que los motores de

combustión interna tienen sistemas de admisión y de inyección de combustible

volumétricos, la altitud modifica el ciclo termodinámico de operación, y en

consecuencia las prestaciones, así como las condiciones locales de

combustión, y por tanto la formación de contaminantes. Se ha obtenido una

expresión que permite calcular el incremento de relación de compresión de los

turbocargadores, necesario para evitar cualquier pérdida de potencia al

aumentar la altitud.

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INTRODUCCIÓN Sabido es que la mayoría de los aviones para uso deportivo, recreativo y

comercial de pequeño porte utilizan motores de cuatro tiempos, de cuatro a seis

cilindros, con potencias de hasta 350 HP; pudiendo ser estos con carburador,

con inyección de combustible, simplemente aspirados o sobrealimentados.

Como tenemos entendido la disminución de la presión y la temperatura

atmosférica afecta a la densidad del aire y su composición, y en consecuencia,

a las prestaciones de toda máquina térmica. Este problema es más acentuado

en máquinas térmicas de desplazamiento volumétrico como los motores de

combustión interna alternativos, y dentro de ellos, aún más en los de aspiración

natural.

La medida de las presiones en el cilindro así como en los conductos de

admisión y escape son importantes desde el punto de vista del control de los

datos teóricos del motor, de la puesta a punto y de la investigación

experimental; además de ayudar a realizar la medición de la potencia o el

trabajo realizado en unidad de tiempo de una maquina térmica; para nuestra

carrera el estudio de la misma a diferentes condiciones atmosféricas es muy

importante debido a que como ya se ha mencionado los motores de combustión

interna tendrán diferentes parámetros de funcionamiento a diferentes altitudes y

debido a que los aviones modifican frecuentemente su altura de vuelo es

necesario conocer como se modifica la potencia.

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NOMENCLATURA

Potencia: cantidad de trabajo realizado en una unidad de tiempo.

Potencia dinámica: es la potencia cuando se realiza en ambiente fluido y

no estático.

Freno.-se le conoce como freno a otra denominación del dinamómetro.

Foucault.- Jean Bernard Léon Foucault, fue un físico francés, que

desarrollo el Principio de corrientes parásitas.

Estator: Es la parte fija de una máquina rotativa y uno de los dos

elementos fundamentales para la transmisión de potencia (siendo el otro

su contraparte móvil, el rotor). El término aplica principalmente a la

construcción de máquinas eléctricas.

Rotor: Es el componente que gira (rota) en una máquina eléctrica, sea

ésta un motor o un generador eléctrico. Junto con su contraparte fija,

el estator, forma el conjunto fundamental para la transmisión de potencia

en motores y máquinas eléctricas en general.

Reóstato: Es un resistor de resistencia variable.

CONTENIDO EFECTO DE LA ALTITUD

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El rendimiento global, si bien, predominan global depende de dos valores: el

rendimiento de la propulsión y el rendimiento térmico o del motor.

La altura motiva unos efectos contradictorios en el rendimiento global, si bien

predominan las ventajas sobre los inconvenientes.

Ventajas de la altura:

a) A mayor altura existiría menor resistencia al avance, aumentando pues la

velocidad del avión y, como resultado, aumentara el rendimiento de la

propulsión, y por consiguiente el rendimiento global.

b) El incremento de la velocidad con la altura hace aumentar la presión

dinámica, aumentando la compresión adiabática y, por lo tanto, la

energía mecánica total obtenida en el motor, aumentando por lo tanto el

rendimiento global.

c) No obstante la desventaja de la disminución de aire admitido por menor

densidad, como dicha disminución de densidad del aire se manifiesta por

igual delante del compresor como detrás de la tobera, mejorara la

expansión de los gases, y con ello el rendimiento de la turbina,

obteniéndose un rendimiento global mayor.

d) El aire, aun siendo menos denso, al estar a mas baja temperatura

necesita menos energía para la compresión, que se manifiesta de forma

indirecta también en un mayor rendimiento global.

Inconvenientes de la altura:

a) Al disminuir la densidad del aire, disminuirá la masa del fluido a través del

motor, disminuyendo el empuje y la energía comunicada al compresor

por la turbina.

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b) Si se mantiene el consumo de combustible, al disminuir la densidad del

aire aumentara la temperatura de entrada del gas a la turbina, y con ello

el rendimiento térmico, pero al verse incrementada la velocidad de salida

de gases, disminuirá el rendimiento de la propulsión.

Con objeto de que esto no ocurra, las unidades de regulación automática

de combustible mantienen constante la relación aire/combustible para el

aire primario que pasa a las cámaras de combustión, disminuyendo de

esta forma el incremento de la velocidad de salida.

Por lo expuesto se observa que predominan las ventajas sobre los

inconvenientes y, por lo tanto, el rendimiento global se mantiene en régimen

creciente hasta una determinada altura, a partir de la cual aumentaran los

efectos perjudiciales al disminuir el rendimiento de propulsión por descenso de

empuje. La altura máxima de operación del avión se obtendrá cuando se

igualen la máxima tracción disponible con la resistencia al avance del avión.

El rendimiento indicado disminuye con la altitud debido principalmente a que la

presión en el cilindro es menor a lo largo de todo el ciclo del motor, si bien otros

efectos relacionados con la incorporación del combustible también influyen.

Todo ello provoca una pérdida de potencia indicada. Aunque la potencia de

pérdidas mecánicas se reduce ligeramente con la altitud debido a que la

potencia de pérdidas de bombeo y la de rozamiento se reducen por la

disminución de la contrapresión de escape y de presión en el cilindro

respectivamente, esta disminución es mucho menos significativa que la de la

potencia indicada. Por lo tanto, la pérdida relativa de potencia efectiva es

incluso mayor que la indicada y creciente al disminuir el rendimiento mecánico

del motor. MOTOR ASPIRADO EQUIPADO

CON CARBURADOR

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La mezcla nafta/aire en los cilindros del motor, es transformada en energía

térmica mediante el sistema de encendido en el proceso de la combustión,

generando a la vez trabajo mecánico y potencia transmitidos a la hélice por el

movimiento de los pistones, bielas y cigüeñal .

Es entendible por cierto que una buena carburación es de suma importancia

para obtener los resultados esperados en el funcionamiento del motor, y debe

caracterizarse por ofrecer un fácil arranque, corto tiempo de calentamiento,

excelente aceleración y potencia en los regímenes de despegue y ascenso

y bajos consumos específicos en los regímenes de crucero (Kg. de

combustible/HP/Hora), además de una marcha pareja y segura en las

condiciones de descenso a bajas potencias.

El carburador a su vez está comunicado con los cilindros mediante el múltiple

de admisión y sus ductos o tubos de admisión, los cuales conducen la mezcla

nafta/aire desde el carburador, ingresando a través de las válvulas de admisión

a cada uno de los cilindros.

Es de suma importancia para obtener un buen rendimiento del motor, que el

proceso de la combustión sea el óptimo, para lo cual es necesario que la

relación de mezcla sea la adecuada. Esta relación de mezcla en las

operaciones normales suele variar entre 1/12 a 1/15 proporciones en peso de

nafta/aire.

Visto estos conceptos veamos que pasa con el aire que ingresa al carburador.

El mismo es aspirado por el movimiento descendente de los pistones en su

carrera de admisión actuando como bomba de vacío. El caudal en peso de esta

corriente de aire es controlado por la válvula del carburador conocida como

"mariposa", cuya abertura es a su vez controlada por el piloto mediante el

acelerador o comando de gases. En su paso a través del Venturi del carburador

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aspira el combustible dosificado por surtidores calibrados, comenzando el

proceso de mezcla de ambos elementos (nafta/aire).

El caudal de aire que pasa por la válvula mariposa es de fundamental

importancia, ya que determina la cantidad de gasolina que quemará en la

cámara de combustión de cada cilindro y en consecuencia cuanta potencia se

podrá obtener.

Expresándonos técnicamente caudal de combustible y potencia del motor

dependen de la masa de aire que ingresa a los cilindros y específicamente de

su densidad.

Es por esta razón que al aumentar nuestro nivel de vuelo o altitud se debe

corregir la relación nafta/aire, dado que la densidad del aire disminuye. En

consecuencia, se deberá disminuir la cantidad de combustible para mantener

esta relación en sus valores óptimos. Caso contrario la misma se enriquecería

en combustible, disminuyendo el rendimiento de la combustión, no trabajando

en el rango de potencia deseado, aumentando el consumo específico y

empobreciendo las performances del avión.

Una forma indirecta y elemental de medir potencia sería medir la densidad del

flujo de aire que pasa por la mariposa del carburador, pero esto además de no

ser fácil no es una forma práctica.

Mucho más práctico es medir la presión de la mezcla que va ingresando a los

cilindros. Esto es lo que se conoce como presión absoluta del múltiple de

admisión. En algunos textos lo encontraremos como MAP que en inglés

significa Manifold Absolute Pressure. Generalmente esta presión se mide en

pulgadas de una columna de mercurio, por medio de un instrumento cuyo

comportamiento es similar al de un altímetro.

Estando el motor en marcha con la válvula mariposa prácticamente cerrada, es

decir en la condición de relentí o regulando a baja potencia, la cantidad de aire

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aspirada por los pistones en su carrera de admisión es poca, generando un

vacío parcial en el múltiple de admisión y en consecuencia

una MAP del orden de las 10 pulgadas, siendo la presión externa

aproximadamente de 30 pulgadas (exactamente 29.92 pulgadas de Hg) en

condiciones de atmósfera estándar a nivel del mar.

En estas condiciones solamente 1/3 de la presión atmosférica es aplicada en el

múltiple de admisión y en consecuencia la potencia obtenida es muy baja.

Cuando el piloto abre el acelerador la válvula mariposa es accionada

permitiendo mayor paso de aire, la presión en el múltiple aumenta y tiende a

igualarse con la atmosférica y el motor genera su máxima potencia en esas

condiciones.

En la práctica, estando el acelerador completamente abierto (válvula mariposa

abierta para el mayor caudal de aire), la presión en el múltiple no alcanza a

igualar a la atmosférica, debido a una pérdida de carga y en consecuencia de

presión en su recorrido en el sistema de admisión.

Normalmente esta pérdida de presión suele ser de aproximadamente 2

pulgadas. Esto quiere decir que en condiciones de Atmósfera Estándar y a nivel

del mar, la MAP en el motor de nuestro avión sería de 28 pulgadas cuando la

válvula mariposa está totalmente abierta.

Sabemos que a mayor altura la presión atmosférica desciende, lo mismo

sucede con la densidad del aire, en consecuencia, a medida que el avión

asciende, la MAP también disminuye y esto en detrimento de la potencia.

En los motores turboalimentados el aire de inducción es comprimido, elevando

la MAP y aumentando la potencia en relación a un motor simplemente aspirado,

en estos motores la altitud crítica es la mayor altitud en la cual se puede

mantener la máxima presión de admisión permisible.

La MAP es la indicación del peso de mezcla combustible/aire que se introduce

en los cilindros y generalmente es tomada como una medida de potencia

aunque en realidad esto no es así.

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La potencia de un motor alternativo de explosión depende de dos variables

fundamentales que son las siguientes: MAP y RPM.

Ahora bien, fijados estos valores mediante los mandos correspondientes existe

otro parámetro de importancia en la obtención de la potencia requerida y que es

la riqueza de mezcla, es decir la relación nafta/aire, la que también es

controlada por el piloto mediante el comando respectivo.

El control de mezcla nos permite un control fino de la potencia, adecuándola a la

altitud de densidad y al porcentaje de potencia requerida, permitiendo a la vez

un óptimo consumo de combustible.

Es necesario tener en cuenta que a cada motor le corresponde un modo de

operar específico, determinado por el fabricante. Ahora bien, además de las

normas generales para la operación de un motor, es en particular su Manual de

operaciones el que proporciona los rangos, parámetros y limitaciones.

Los cambios a realizar en las prestaciones del motor, ya sean en ascenso,

descenso o vuelo recto y nivelado, deben efectuarse operando sobre los

mandos tan suave como sea posible, evitando que el motor se vea sometido a

cambios bruscos en su funcionamiento, reduciendo en consecuencia su vida

útil. Esto no se aplica al caso de aviones acrobáticos, en los cuales las

variaciones de potencia suelen ser instantáneas para permitirle al piloto realizar

las distintas maniobras de vuelo. En estos casos los motores están sometidos a

tratamientos especiales en su mantenimiento.

Los aumentos de potencia, por ejemplo para volar a mayor altitud, deben

hacerse aumentando primero las RPM y luego la MAP. Téngase en cuenta que

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en un motor no turboalimentado, mientras el avión asciende, la MAP va

disminuyendo en la medida que va disminuyendo la presión atmosférica y es

necesario abrir mas el acelerador para mantener el régimen de ascenso.

Como regla general, la presión barométrica desciende aproximadamente una

pulgada de columna de mercurio por cada mil pies de aumento de altitud.

Volando a una determinada altitud, la potencia necesaria es la que nos permite

volar nuestro avión con una velocidad y pesos determinados.

La potencia disponible es la potencia total que dispone el avión volando en esas

mismas condiciones y la diferencia entre ambas es la capacidad que tiene el

avión para ganar altura.

Es decir, el régimen de ascenso es directamente proporcional a la diferencia

entre Potencia Disponible y Potencia necesaria e inversamente proporcional al

peso total del avión. Dicho de otra forma, el máximo régimen ascensional es

directamente proporcional al exceso de potencia disponible por encima de lo

necesario para mantener la altitud, e inversamente proporcional al peso total del

avión.

Va = ( Pd - Pn ) / W

Siendo Va velocidad ascensional, Pd potencia disponible, Pn potencia necesaria

y W peso total del avión.

Para finalizar digamos que en la mayoría de los aviones con motor alternativo,

el máximo régimen ascensional está dado aproximadamente a una velocidad

indicada del 60 % superior a la velocidad de pérdida sin motor, sin flaps y con

peso máximo y el máximo ángulo de ascenso a una velocidad indicada

alrededor del 20 % por encima de la velocidad de pérdida en las mismas

condiciones.

En donde por definición, la máxima velocidad ascensional es aquella condición

del vuelo en la cual se consigue mayor altitud en la unidad de tiempo, y el

máximo ángulo de ascenso es la condición de vuelo en la cual se consigue

mayor altitud por unidad de distancia recorrida.

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JUSTIFICACIÓN MATEMÁTICA En motores de encendido provocado con lazo de control cerrado, el

requerimiento de dosado estequiométrico obliga a la unidad de control

electrónico del motor a inyectar menos cantidad de combustible a medida que

aumenta la altura sobre el nivel del mar (menor disponibilidad de aire

atmosférico). La menor temperatura exterior obliga a avanzar el ángulo de

encendido ya que disminuye la velocidad de combustión. Olin y Maloney (1999)

desarrollaron un algoritmo de cálculo basado en las ecuaciones de flujo a través

de válvulas, que permite corregir los parámetros de la unidad de control

electrónico en función de la presión barométrica.

Con el fin de establecer una base de comparación común es necesario aplicar

factores de corrección para convertir la potencia en el terreno a potencia en

condiciones estándar y viceversa. Esta corrección suele ser del tipo:

…(1)

Donde Ni, p y T son la potencia indicada, presión y temperatura del lugar de

operación respectivamente, el subíndice 0 indica condiciones de referencia.

Los valores de los exponentes a y b varían según el tipo de motor y las

condiciones de operación. Éstos no provienen de un análisis teórico de las

ecuaciones, sino que obedecen a un ajuste experimental para correlacionar el

tipo de motor y las condiciones atmosféricas. El exponente a suele tomar el

valor de la unidad para motores diesel y de encendido provocado (MEP) de

aspiración natural, tanto de aplicación estacionaria como de automoción. En la práctica, los valores más usados en la literatura para motores de

aspiración natural son a=1 y b=-0.5, justificado por la dependencia directa entre

la potencia y el gasto admitido, el cual depende del producto

.

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La altura de restablecimiento del compresor para motores turbo

sobrealimentados de aviación como aquella a la cual el compresor está siendo

utilizado a su capacidad máxima, con la misión de mantener la densidad igual a

la de referencia, y por lo tanto la potencia desarrollada. Para lograr esto último

es necesario mantener el gasto de aire independiente de las condiciones a la

salida del compresor (padm,0 y Tadm,0), lo que hace necesario mantener la

relación constante. Relacionando este término con los datos de

presión y temperatura de remanso de la toma dinámica y la velocidad de vuelo

de diseño de la aeronave, existen métodos para determinar la relación de

compresión en el compresor necesaria para recuperar el gasto másico de

admisión, y por tanto la potencia del motor.

En vista de lo anterior, los fabricantes de motores han desarrollado diversos

métodos para compensar el efecto de la altitud en sus motores, tales como la

implementación de la turbo alimentación o el uso de sensores barométricos que

retroalimentan a la unidad de control electrónico para que actúe corrigiendo los

parámetros de la inyección de combustible. Se han implementado algunos

métodos de corrección por presión barométrica que no requieren el uso de

sensores adicionales. Estos utilizan algoritmos de cálculo basados en las

ecuaciones de flujo compresible a través de una restricción. Las entradas al

algoritmo se obtienen de los sensores existentes en el motor.

La altitud sobre el nivel del mar, z, tiene un importante efecto sobre las

condiciones en las que se encuentra el aire y sobre su composición. Además de

las variaciones de temperatura propias de las distintas capas de la atmósfera, la

presión del aire disminuye a medida que crece la altitud del punto de medida,

debido a la reducción del peso de la columna que soporta por encima, reducción

que se debe tanto a la menor altura de la columna como a la menor densidad, r,

del aire que la ocupa. Más concretamente, la variación de la presión a lo largo

de un elemento diferencial de altura es debida al peso del aire que ocupa ese

elemento por unidad de sección, es decir:

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(2)

Este doble efecto de la disminución de la presión y de la densidad no es la única

consecuencia de la altitud que pueda afectar al desarrollo de actividades

humanas. Además, debido al diferente peso molecular de los componentes del

aire, éste varía también su composición. En un elemento diferencial de volumen,

este cambio de composición es causado por la variación de la presión parcial de

cada componente i, generada como consecuencia de su diferencia de peso con

respecto al de la mezcla de gases. Siendo ni el número de moles y PMi el peso

molecular del componente i:

(3)

En esta figura se aprecia un efecto más notable al variar la presión con la altitud

que al variar la temperatura.

Fig. 1: Efecto de la altitud sobre la presión

atmosférica. Columna isoterma (¾) y columna

triangular (---) con T(z=0) = 20ºC

De otro lado, la fracción molar del nitrógeno aumenta ligeramente al ser algo

más ligero que el aire. La compensación de estos dos efectos hace que las

variaciones del peso molecular del aire seco sean muy pequeñas.

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Fig. 2: Efecto de la altitud sobre la fracción molar de

oxígeno. Columna isoterma (¾) y columna triangular

(---) con T(z=0) = 20ºC

La concentración másica de oxígeno en el aire (CO2) disminuye con la altitud,

tanto porque se reduce su fracción molar en el aire como porque cae la

densidad de éste. En efecto:

(11)

La Fig. 3 muestra que a medida que la altitud aumenta la concentración de

oxígeno disminuye, cualquiera que sea la temperatura ambiental. En la figura

las líneas continuas representan la columna isoterma a -20, -10, 0, 10 y 20ºC

respectivamente de arriba hacia abajo. La reducción en la concentración de

oxígeno es menos pronunciada al aplicar la hipótesis de columna triangular.

En cualquier caso, de los dos efectos que contribuyen a la disminución de la

concentración de oxígeno con la altitud, el más importante es, con diferencia, el

efecto de la presión. Pero además, es necesario indicar que los cambios de

fracción molar (consecuencia de un proceso de difusión molecular) son

normalmente inapreciables, debido a la preponderancia de los movimientos

conectivos macroscópicos que desplazan los gases verticalmente.

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Fig. 3: Efecto de la altitud sobre la concentración

de oxígeno. Columna isoterma (¾) y columna

triangular (---) con T(z=0) = 20ºC

VARIACIÓN DE LA POTENCIA Y P. de A:

CON LA ALTITUD EN MOTORES DE ASPIRACIÓN NORMAL Y EN LA CONDICIÓN DE FULL ACELERADOR.

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Altitud (pies) Potencia (%) P.de A. (pulg.Hg.)

Nivel del Mar 100.0 28.7

1000 96.8 27.7

2000 93.6 26.6

3000 90.5 25.6

4000 87.5 24.6

5000 84.6 23.7

6000 81.7 22.8

7000 78.9 21,9

8000 76.2 21.0

9000 73.5 20.2

10.000 70.8 19.4

11.000 68.3 18.6

12.000 65.8 17.8

13.000 63.4 17.1

14.000 61.0 16.4

15.000 58.7 15.7

16.000 56.5 15.0

17.000 54.3 14.4

18.000 52.1 13.7

19.000 50.0 13.1

20.000 48.0 12.6

CONCLUSIONES

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REFERENCIA

BIBLIOGRÁFICA

- Giocosa Dante, Motores endotérmicos, 3ra Edición. Editorial Cientifica-Medica

- Edward F. Obert, Motores de Combustión Interna: Análisis y aplicaciones, 2ª

Edición. Editorial Continental

- ABB, Guía Técnica No 8, Frenado eléctrico.

http://www05.abb.com/global/scot/scot201.nsf/veritydisplay/92546f2be5281d93c

1256d280041534a/$file/technical_guide_no_8_es.pdf