LABORATORIO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA: PROCESO DE ADMISION Y FORMACION DE LA MEZCLA DE UN MOTOR ECHI) OBJETIVO: Determinar la influencia de los regmenes de funcionamiento eficiencia volumtrica y exceso de aire, que son los parmetros que caracterizan el proceso de admisin y de formacin de la mezcla. Realizar un estudio experimental del comportamiento del motor Ford (gasolinero) en funcin de la carga y la velocidad. Estudio de las curvas caractersticas de coeficiente de llenado y exceso de aire vs la carga y las RPM. Para ello se realizar un ensayo con h=cte. y luego RPM=cte.II) FUNDAMENTO TEORICOGENERALIDADESPara realizar el ciclo de trabajo en un motor de combustin interna a pistn, es preciso expulsar delcilindro losproductos dela combustin formados enel ciclo anteriore introducir en l la carga fresca del aire (motores diesel) o de la mezcla aire combustible (motores con carburador). Los procesos de admisin y escape estn vinculados entre s y en funcin del nmero de tiempos del motor. La cantidad de carga fresca suministrada depende de la calidad con que se limpia el cilindro del motor. Por eso el proceso de admisin de debe analizar tomando en consideracin los parmetros que caracterizan el desarrollo del proceso de escape, examinando todo el complejo de fenmenos que se refieren al proceso de intercambio de gases en conjunto.PARAMETROS DEL PROCESO DE ADMISINLa cantidad de carga fresca que ingresa en el proceso de admisin, es decir, el llenado del cilindro, depende de los siguientes factores:Resistencia hidrulicaen el sistema de admisin, que hace disminuir la presin de la carga suministrada en la magnitud Pa;ExistenciadeciertacantidadMrdeproductos quemados (gases residuales) enel cilindro, que ocupan parte de su volumen;Calentamiento de la carga por las superficies de las paredes del sistema de admisin y del espaciointerior del cilindroenlamagnitudT, comoconsecuenciadelacual disminuye la densidad de la carga introducida.La influencia que ejerce cada uno de los factores indicados puede aclararse analizndolos por separado.Presin en el cilindro en el periodo de llenado. La existencia de resistencias en el sistema de admisin conduce a que la cantidad de carga fresca que entra en el cilindro del motor, disminuye debido al decrecimiento de la densidad de la carga. La disminucin de la presin en el sistema de admisin y en el cilindro depende del rgimen de velocidad del motor, de las resistencias hidrulicas en todos los elementos del sistema, del rea de las secciones de paso por donde se desplaza la carga fresca y de su densidad.Utilizando la ecuacin de Bernoulli podemos escribir.aadadadaaKKKKgZw w PgZw P+ + + + +2 2 22 222 Donde:K : densidad de la carga en la entrada del cilindro.a: densidad de la carga en el cilindro.Kw : velocidad del aire en la entrada del sistema de admisin.adw: velocidad media del aire en todo el proceso de admisin (medida en la vlvula por ser la seccin ms estrecha del sistema de admisin) en m/s.KZ : altura de nivel desde el eje del sistema de admisinaZ: altura de nivel desde el eje de la vlvula de admisin.ad: Coeficiente de resistencia del sistema de admisin referida a su seccin ms estrecha.cw: velocidad media del aire en la seccin examinada del cilindro.adcww :(coef. de amortiguacin de la velocidad de la carga en la seccin examinada del cilindro).Asumiendo:, , , 0a k a k kZ Z w Reemplazando en la ecuacin anterior se obtiene:kadad a k awP P P 2) (22+ aP : perdidas hidrulicas en el sistema.Para las secciones ms estrechas del sistema de admisin y del cilindro la ecuacin de continuidad es:p mx ad adF Cp f w adf:rea de la seccin de paso de la vlvula (o de la seccin ms estrecha)..mxCp:velocidad mxima del pistn.pF:rea de la cara del pistn.21 + R Cpmxn 2 : (n, frecuencia de rotacin del cigeal).LR , relacin entre el radio de la manivela R y la longitud de la biela L.ad ad adpms adfnAfDRnfFCp w122)1)(4( 1 2 + Reemplazando wad en la ecuacin de perdidas hidrulicas se obtiene:22222 21 2)1)(2)( (adkadad afnAfn AP + En los motores de automvil modernos de cuatro tiempos con las vlvulas dispuestas enla parte superior la posibilidad de aumentar la superficie fadest limitada por condiciones de ubicacin de las vlvulas en la culata.Siendo Vh=constante encasode disminuir la carrera del pistn ser necesario aumentar respectivamente el dimetro D del cilindro, lo que permitir instalar vlvulas con mayor seccin de sus gargantas de paso.Lasuperficiedelaseccindepasoenlas vlvulas puedeincrementarseutilizando cmaras de combustin en las cuales las vlvulas van dispuestas inclinadamente.Segndatosexperimentalesobtenidosal investigar motoresdeautomviles, parala apertura completa de la vlvula en el rgimen nominal, la velocidad de movimiento de la carga en la seccin de paso es 50 130 m/s, los coeficientes de resistencia estn entre los valores de 2.5 4.En los motores de cuatro tiempos sin sobrealimentacin los datos experimentales muestran que Pa = (0.8 0.9)Po, mientras que para los que emplean sobrealimentacin Pa = (0.9 0.96)Pk.Cantidad de gases residuales. En el proceso de escape no se logra desalojar por completo del cilindro los productos de la combustin, ocupando stos cierto volumen a presin Pr y temperatura Tr respectivas.En el proceso de admisin los gases residuales se expanden y mezclndose con la carga fresca que ingresa, hacen disminuir el llenado del cilindro, La cantidad de gases residuales Mr depende del procedimiento empleado para limpiar el cilindro, as como de la posibilidad del barrido del cilindro por la carga fresca.La cantidad de gases residuales se caracteriza por una magnitud relativa denominada coeficientes de gases residuales.1MMrr En los motores de cuatro tiempos, que tiene traslapo de vlvula (no mayor de 30 40), el cual excluye la posibilidad de barrido, puede considerarse que al final de la carrera de escape los gases residuales ocupan el volumen de la cmara de combustin Vc=Vh/(-1), y por lo tanto, su cantidad:r vc rrT RV PMLa magnitud Pr queda definida por la presin del medio ambiente al cual se expulsa los gases, es decir, por la presin Po en caso en caso de escape a la atmsfera o Pp cuando enelescapeseinstalaunsilenciadorouncolector, habiendosobrealimentacinpor turbocompresor.La temperatura Tr depende de la composicin de la mezcla del grado de expansin y del intercambiode calor en la expansin y en el escape. En los motores de gasolina, en los cuales lacomposicinde lamezcla vara entrelmites relativamente pequeos, la temperatura Tr, decrece insignificativamente al disminuir la carga. La temperatura Tr en los motores Diesel es considerablemente menor (en 200 300 K), comparada con la de losmotoresagasolina, debidoalasrelacionesdecompresinyrespectivamentede expansin ms altas y a las temperaturas ms bajas en este ltimo proceso.Esmuy importante sealarque elaumento dela relacindecompresin siempre va acompaado de la disminucin de Mr.El nmero de moles de la carga fresca M1 se caracteriza por las condiciones de llenado y regulacin de la carga. Al disminuir la carga en los motores a gasolina mediante la reduccin de los gases la magnitud M1decrece. Al haber sobrealimentacin M1 aumenta.Enlosmotoresagasolinael coeficiente resmayor, queenlosmotoresDiesel, debidoamenoresrelacionesdecompresin. Aldisminuirlacargaenlosmotoresa gasolina raumenta.Al introducir la sobrealimentacin el coeficienterdisminuye como resultado de una mayor cantidad de M1.En los motores a gasolina r= 0.06 ..0.10; en los motores diesel r= 0.03 ..0.06;rT=900 1000K para motores a gasolina, rT=700 900K para motores diesel,En los motores de cuatro tiempos el coeficiente r puede ser disminuido utilizando la sobrealimentacin y aumentando en cierta medida el traslapo de las vlvulas.Coeficiente de barridos: rsM M M+11Temperatura de calentamiento de la carga.La carga fresca durante su movimiento por el sistema de admisin y dentro del cilindro entra en contacto con las paredes calientes, elevndose su temperatura en T. EL grado de calentamiento de la carga depende de la velocidad de su movimiento, de la duracin de la admisin, as 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 admisin en el motor de carburador es conveniente solo hasta cierto lmite correspondiente al calor necesario para la vaporizacin del combustible. El calentamiento excesivo influye negativamente sobre el llenado del cilindro.vap c lT T T . .. .c lT : Incremento de la temperatura de la carga fresca debido al intercambio de calor.vapT : Disminucin de la temperatura de la carga fresca, debido a la vaporizacin del combustible.El clculo de T se dificulta debido a la ausencia de datos suficientes para elegir el coeficiente de transmisin de calor y la temperatura media de las superficies, as como a la complejidad en determinar la parte de combustible que se ha evaporado durante el proceso de admisin (en los motores de gasolina). Como resultado de esto, durante el clculotrmicodelmotorlatemperaturaTseadoptabasndoseenlosresultados experimentales y en clculos indirectos. Si el sistema de intercambio de gases ha sido diseadocorrectamente, lacargafrescaqueingresaal cilindrodel motorDiesel sin sobrealimentacin, serT2040C. Paraelmotorconformacinexternadela mezcla T= 0 20C.Temperatura al terminar la admisinLa temperatura aT puede calcularse sobre la base del balance trmico, compuesto para la carga fresca y para los gases residuales antes y despus de su mezcla.Asumiendo que el proceso de transferencia de calor se realiza a presin constante y que Cp=Cp. a r p r r p k pT M M c T M c T T M c ) ( ) (1 1+ + + De donde: rr r kaM MT M T T MT++ +11) ( Puesto que:) 1 (1 1 r rM M M + +Entoncesrr r kaT T TT ++ +1Coeficiente de llenado (V)El grado de perfeccin del proceso de admisin se acostumbra evaluar por el coeficiente de llenado o rendimiento volumtrico nv que es la razn entre la cantidad de carga fresca que se encuentra en el cilindro al inicio de la compresin real, es decir, al instante en que se cierran los rganos del intercambio de gases, y aquella cantidad de carga fresca que podra llenar la cilindrada (volumen de trabajo del cilindro) en las condiciones de admisin.Los clculos muestran que para los motores con formacin externa de la mezcla, que funcionanconcombustible lquido, la diferencia entrelos coeficientes dellenado, calculando considerando la condicin de la carga fresca puede ser el aire o la mezcla airecombustible, esinsignificante. Poresoenlosucesivo, paraestosmotoresas como para los de tipo Diesel, vamos a determinar la nv la cantidad de aire admitida al cilindro. Segn la definicin: nv=Gar / (Vh*k)=Vk / Vhdonde Gares la cantidad msica real de carga fresca que se encuentra en el cilindro al inicio de la compresin, en Kg; Vk, el volumen ocupado por la carga fresca y reducido a las condiciones de admisin (Pk y Tk), en m3.En los motores de cuatro tiempos con barrido del cilindro en el periodo de traslapo de las vlvulas y en los motores de dos tiempos parte de la carga fresca suministrada se pierde en el barrido y no participa en los procesos de compresin y combustin.

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+krskakkvPPPPT T T 111Segn datos experimentales:2121kkvvTTDiversos factores que influyen sobre el coeficiente de llenadoSe puede decir que sobre el valor del coeficiente de llenado influyen la presin Pa y la temperatura Taal final de la admisin, el calentamiento de la carga, el coeficiente de gases residuales, latemperaturaTrylapresinPr, larelacindecompresin, los coeficientes de recarga y de barrido. A su vez, dichas magnitudes dependen de una serie de factores y, adems, estn relacionadas entre s.Relacin de compresinSi los dems parmetros se mantiene constantes, entonces para mayores valores de , el coeficientedellenadoaumentara. Enlarealidad, al crecervarantambinotros parmetros (disminuye el coeficiente y temperatura de los gases residuales, aumenta el calentamiento de la carga y otros). Adems influye sobre nv de barrido de la cmara de combustin. Sepuedemostrar analticamentequesiendoel barridocompletodela cmara con el aumento de el coeficiente nv disminuye. Sin embargo, al elevar , nv puede tanto aumentar como disminuir, en funcin del factor que ejerza mayor influencia.Presin al final de la admisinLa presin Pa es la que ejerce mayor influencia sobre nv. Se puede concluir que la Pa dependedelasresistenciasenel sistemadeadmisinyvaraproporcionalmenteal cuadradodelavelocidadmediadelacargaenlaseccinmnimadelatuberade admisin.Al aumentar la velocidad de la carga en la seccin mnima de admisin, el coeficiente de llenado disminuye, lo cual debe tenerse en cuenta al disear el sistema de admisin cuando se requiere aumentar la velocidad de la carga.Presin y temperatura en la entradaLapresindelacargaenlaentradaejerceciertainfluenciasobrelamagnituddel coeficiente de llenado. Al aumentar Pk, sin variar la presin de escape, la relacin Pa/Pk crece. Lo que conduce al incremento de nv.El aumento de nv cuando crece Pk es una consecuencia de la disminucin relativa de las perdidashidrulicas, ascomotambindeciertadisminucindelcalentamientoT, debido al enfriamiento ms intenso de las superficies que intercambian calor durante el barrido del cilindro.Conel aumentodelatemperaturaTk, por efectodelamenor diferenciaentrelas temperaturas delasparedes ydel aire, laintensidaddel intercambiodecalor yla magnitud T disminuyen, mientras nv crece. En los motores de carburador, siendo la temperaturaTkelevada, mayor cantidaddecalor, introducidaconel aire, segasta tambin en el calentamiento y vaporizacin del combustible, as como para recalentar sus vapores.Presin de los gases residualesLapresinPrtambininfluyesobrenv. El aumentodelapresinPrmanteniendo constantelatemperaturaTr, correspondealapresenciademayorcantidaddegases residuales en el cilindro. En este caso gran parte de la carrera del pistn desde el P.M.S. se gasta para la expansin de los gases residuales y la admisin comienza ms tarde, como consecuencia de lo cual el coeficiente nv disminuye.La resistencia del sistema es proporcional al cuadrado de la velocidad de salida del gas enlaseccinmnima depasoy, por lotanto, es proporcional al cuadradodela frecuenciaderotacindel cigeal del motor. Tomandoenconsideracinlamenor influencia de Pr sobre nv, en algunas estructuras de motores disminuyen las secciones de pasode las vlvulas de escape en cierta medida aumentando respectivamente las secciones de paso de las vlvulas de admisin, obteniendo de esta manera el incremento de nv. Temperatura de los gases residualesPuedeconsiderarsequeTrnoinfluyesobrenv,yaquelamezcla suministrada al calentarse se expande tanto como se comprimen los gases residuales al ceder el calor a la mezcla admitida o al aire.Calentamiento de la cargaEn los motores con formacin externa de la mezcla parte del calor introducido con el aire se gasta en calentar y evaporar la gasolina. Sin embargo, en la mayora de los casos la cantidad de calor del aire, empleado para los fines indicados, no puede garantizar la completa vaporizacin.Por eso, para este tipo de formacin de la mezcla, est se calienta adicionalmente en los conductos de admisin. Hay que tener en cuenta que el calentamiento excesivo del sistema de admisin, en caso del cual a la mezcla aire combustible se le suministrara ms calor del necesario para la vaporizacin del combustible, conduce a un incremento injustificado de la magnitud de T y a la correspondiente disminucin del coeficiente nv y de la carga msica.Llenado del motor a n = constante variando la cargaAl disminuir la carga del motor de carburador y cerrar respectivamente la mariposa de gases, las prdidas hidrulicas se incrementan, lo que conduce a la variacin del carcter con que transcurre el proceso de intercambio gaseoso.Al cerrar demasiadolamariposadegases, el coeficientedegasesresidualescrece. Debido a la menor temperatura de la superficie, a causa de disminuir la carga decrece un poco. Sin embargo, la variacin de T es en este caso insignificante. Como resultado delaaccinconjuntadeestosfactores, al reducirlacargael coeficientenvtambin disminuye.Influencia de la variacin de n sobre el llenado de los motores de cuatro tiemposCuandoel motor funcionacambiandolafrecuenciaderotacinyamximacarga (segn la caractersticaexterna de velocidad) sobre la calidad del llenado influyen la resistenciaenelsistemadeadmisin, el calentamiento de la carga y la presenciade gases residuales.Cuando la frecuencia de rotacin aumenta la resistencia del sistema crece proporcionalmenteal cuadradodelamisma, comoresultadodeestoPatambin crece, en tanto que la presin Pa disminuye. A pesar de que la temperatura media de la superficie transmisora de calor se eleva, la temperatura de calentamiento de la carga T disminuye, debido a que el tiempo de intercambio de gases decrece. El coeficiente de gases residuales aumenta un poco.Al aumentar la frecuencia de rotacin, nval principio crece y luego, despus de alcanzar su valor mximo valor, decrece.COEFICIENTE DE EXCESO DE AIREEn el motor de automvil la cantidad de aire realmente consumida puede ser, en funcin del tipo de formacin de la mezcla, de las condiciones de encendido y combustin, as como del rgimen de funcionamiento, mayor, igual o menor que la necesaria tericamente para la combustin completa.La relacin entre la cantidad real de aire que ingresa al cilindro del motor (l, en Kg o L, en Kmol) y la cantidad de aire tericamente necesaria para la combustin de 1 Kg de carburante, se denomina coeficiente de exceso de aire y se designa con la letra :=L/LoSiendo la mezcla estequiometrica L = Lo (l = lo) el coeficiente de exceso de aire = 1; si < 1 (insuficiencia de oxgeno), la mezcla se denomina rica; cuando > 1 (exceso de oxigeno), la mezcla se denomina pobre.En los motores de gasolina con encendido de la mezcla homognea por chispa y con regulacincombinada, cuandolamariposadegases estcompletamenteabierta, la mayor economicidad y el transcurso suficientemente estable del proceso de combustin se logra siendo = 1.1 1.3.La mxima potencia de estos motores se obtiene enriqueciendo ligeramente la mezcla ( = 0.85 0.9). Para alcanzar un trabajo estable del motor a bajas cargas y en vaco se necesitaunmayor enriquecimientodelamezcla. Encasode1 si disminuimos Ne. Al aumentar Ne se llega hasta un min y luego tiende a subir nuevamente. En el Motor Petter:Conlaposicindela cremallera constante (14mm), laeficiencia volumtricaV decrece a medida que aumentan las RPM, ya que al aumentar la velocidad se incrementan las prdidas hidrulicas Pa y la cantidad de gases residuales.A velocidad constante (1600 rpm),la eficiencia volumtrica Vdecrece a medida que aumentalacarga (se acorta msla posicin de la cremallera), ya que al aumentar la carga se incrementa el consumo de combustible, entonces aumenta el calentamiento de la mezcla fresca (T).Con la posicin de la cremallera constante (14 mm), el coeficiente de exceso de aire decrece amedida queaumentanlas RPM, ya queel consumodecombustible se incrementa en mayor proporcin que la cantidad de mezcla fresca. A velocidad constante (1600 rpm), el coeficiente de exceso de aire decrece a medida que aumenta la carga (se acorta ms la posicin de la cremallera), debido al incremento de la cantidad de combustible en mayor proporcin que la cantidad de mezcla fresca. El coeficiente de exceso de aire varade 0.85 a 2.05 aprox., lo que quiere decir que hay defectode aire(mezclarica),ascomo tambin,exceso de aire (mezcla pobre), para distintas condiciones de trabajo.El coeficientedellenadooeficienciavolumtricanosresult, parael motorDiesel, result en un rango de 65% - 89%con h=35% (apertura de la mariposa), mientras que para el motor gasolinera,result en un rango de 45% -57%, para un h=14mm (posicin delacremallera). Seobservaentonces claramenteunmejor llenadoollenadoms eficiente de lo real respecto a lo terico en los Diessel.VIII) RECOMENDACIONESEn el Motor Ford:Tomar rpidamente los datos, habiendo esperado a que se mantengan establesChequear constantementelatemperaturadel lquidorefrigeranteytratar dequese mantengaalrededor de70C. Si vasubiendo, entoncesmediantelavlvuladeagua manipular (haciendo ingresar agua fra por la que est caliente) para conseguirlo. IX) BIBLIOGRAFIA1.- JVAJ, M. S. Motores de automvil , Edit. Mir, Mosc2.- LUKANIN V.N., Motores de combustin interna, Edit. MIR, Mosc3.- HTTEManual del Ingeniero Tomo II, Edit Gili, Barcelona