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INFORME DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

LABORATORIO N° 3: “ESTUDIO DE LOS PROCESOS DE FORMACION DE LA MEZCLA

Y ADMISION DE UN MOTOR DIESEL”

Alumnos:

CONTRERAS DIAZ ALEXANDER 20124538GESPIRITU PALACIN JOSEHP LINCEY 20121058DZEGARRA MORALES MIGUEL 19961179H

Profesor:

Dr. LIRA CACHO JUAN GUILLERMO

2015-II

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAFacultad de Ingeniería Mecánica – FIM

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CONTENIDO

1. INTRODUCCION ………………………………………………………………………………………………2

2. OBJETIVOS …………………………………………………………………………………………………………3

3. FUNDAMENTO TEÓRICO …………………………………………………………………………………..4

4. INSTRUMENTOS Y/O EQUIPOS UTILIZADOS ……………………………………………………………9

5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ……………………………………………………………………..10

6. CÁLCULOS REALIZADOS Y FORMULAS EMPLEADAS ………………………………………………11

7. CUESTIONARIO ………………………………………………………………………………………….15

8. OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES ………………………………………………………….30

9. CONCLUSIONES ……………………………………………………………………………………………31

10. BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………………………………………………......32

11. ANEXOS ………………………………………………………………………………………………………..33

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1. INTRODUCCION

El presente trabajo muestra los resultados de la experiencia de laboratorio que lleva por título “Estudio de los procesos de formación de la mezcla y admisión de un motor diésel”, en esta experiencia se hace hincapié de cómo se puede determinar el coeficiente de llenado o también llamado eficiencia volumétrica y del coeficiente de exceso de aire, que en nuestro caso fue el motor PERKINS.

En el desarrollo de esta experiencia se tomaron mediciones de diferentes parámetros, que a continuación mencionaremos dichas mediciones:

n: velocidad [RPM]

Δhc: posición de la apertura de la cremallera

Fd: fuerza en el dinamómetro [N]

W:Fuerza de las contrapesas

ΔS: Caída de presión en el manómetro inclinado [cm H2O]

ΔV: Volumen de combustible

Δt: tiempo de consumo de combustible [s]

ΔPK: caída de presión en el manómetro en U [cm H2O]

Tagua : temperatura de ingreso del refrigerante [°C]

TPK: temperatura de salida del refrigerante [°C]

Tac: temperatura del aceite [°F]

Pac: Presión del aceite [PSI]

Opacidad [m-1]

V: Voltaje del banco de ensayo de freno eléctrico [V]

A: Amperaje del banco de ensayo de freno eléctrico [A]

Por otra parte es importante mencionar que en este laboratorio las mediciones se realizaron para los regímenes de velocidad y carga, teniendo lo siguiente:

1. Manteniendo fija la posición de la cremallera en 3.8

2. Manteniendo la velocidad constante 1600 RPM

En tanto, para concluir el trabajo se realizaran cálculos donde se utilizaran las formulas los cuales mencionaremos más adelante, dichos cálculos serán el sostén para el desarrollo y desenvolvimientos de las conclusiones en comparación con lo teórico, es decir al finalizar el presente entenderemos y determinaremos la influencia de los regímenes de funcionamiento y los parámetros constructivos del motor sobre la eficiencia volumétrica y el coeficiente de llenado de aire.

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2. OBJETIVOS

Determinar los parámetros de formación de la mezcla y del proceso de admisión mediante los valores obtenidos en la toma de datos en el laboratorio y la comprensión de las mismas.

Comparar gráficamente las relaciones de los valores de eficiencia volumétrica y coeficiente de exceso para un motor PERKINS.

Familiarizarnos con los conceptos, apreciaciones, así como también observaciones, en el funcionamiento del motor disel, que pueden ofrecer el desarrollo del presente informe.

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3. FUNDAMENTO TEÓRICO

3.1 GENERALIDADES

La energía necesaria para operar un motor proviene proceso de combustión. Para mejorar el proceso de combustión, es necesario que exista una relación adecuada entre la cantidad de moléculas de combustible y de aire Por eso si deseamos mejorar la combustión, es necesario que entendamos como se produce el proceso de admisión en el motor, en nuestro caso, para un motor encendido por compresión, la regulación de la mezcla es de tipo cualitativa es decir, la cantidad de aire suministrado al cilindro es aproximadamente constante, y sólo se incrementa o disminuye la alimentación de combustible que se inyecta en el cilindro. En nuestra experiencia observaremos como varia la eficiencia volumétrica y el coeficiente de exceso de aire para diversos regímenes.

3.2 PROCESO DE ADMISIÓN

Podemos citar unos párrafos de libro JOVAJ que nos menciona que para realizar el ciclo de trabajo en un motor de combustión interna, es necesario expulsar los productos de la combustión formado en el ciclo anterior, e introducir en el la carga fresca de aire (PETTER), los procesos antes mencionados (admisión y escape) están vinculados entre sí. La cantidad de carga fresca suministrado depende de la calidad con la que se limpia el cilindro del motor, por eso el proceso de admisión se debe analizar tomando en consideración los parámetros que caracterizan el desarrollo del proceso de escape, examinando todo el complejo de fenómenos que se refieren al proceso de intercambio de gases en conjunto .

Fig. 1 Diferentes cámaras de combustión en motores Diésel.

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3.3 FORMACIÓN DE LA MEZCLA

La formación de la mezcla en un motor DIESEL se produce entre el final de carrera de comprensión e inicio de la carrera de expansión y transcurre en un corto intervalo de tiempo, correspondiente a 20-60° del ángulo de rotación del cigüeñal. La mezcla aire combustible se forma en el periodo del retraso a la inflamación y en las diversas fases del proceso de combustión Es necesario tener en cuenta que hay cierta contradicción en los requisitos que se plantean ante la formación de la mezcla durante el periodo de retraso a la inflamación y en el proceso de combustión. Durante este periodo no es una cuestión indispensable que haya una distribución uniforme del combustible en el volumen del aire, es más las mezclas homogéneas poseen mayores periodos de retraso a la inflamación que las heterogéneas. Debido a la distribución irregular del combustible en la cámara de combustión del motor DIESEL resulta posible la inflamación de las mezclas cuyo coeficiente de exceso de aire total es mayor que cuando el motor funciona en vacío.

3.4 PULVERIZACIÓN DEL COMBUSTIBLE Y SUS PARÁMETROS

En un motor DIESEL la formación de la mezcla sea volumétrica y mixta, el chorro de combustible que sale del pulverizador deberá descomponerse en finas gotas, cuyas dimensiones se encuentran entre los límites de 5-40 µm (*) para asegurar una rápida combustión. Las gotas más grandes, que generalmente se forman al final de la inyección, pueden demorar el proceso de combustión y contribuir a la formación de carbonilla. Las gotas demasiadas pequeñas (hasta 10 µm(*)) se evaporan cerca de la boquilla del inyector, lo que dificulta la utilización del aire en los puntos más alejados de la cámara de combustión La pulverización del combustible tiene lugar por acción de las perturbaciones iniciales que surgen durante el movimiento del combustible en los canales de pulverización y por las fuerzas de resistencia aerodinámica del medio gaseoso, hacia el cual se inyecta combustible.

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Fig. 2 Disgregación de una gota por acción de las fuerzas de resistencia aerodinámicas

Fig.3 chorro de combustible en estado de disgregación

El chorro al fraccionarse se disgrega en partículas separadas, en películas y en hilos delgados, los cuales moviéndose en el medio gaseoso se deforman por efecto de las fuerzas aerodinámicas y la tensión superficial, adquiriendo la forma de una esfera (gota), en la Fig.2 podemos observar un chorro de combustible en estado de disgregación que se derrama en la tobera del pulverizador al final del proceso de inyección, cuando la salida es a bajas velocidades (v<30m/s) Si las velocidades de salida son elevadas, el proceso de disgregación del chorro (denominado en este caso pulverización o atomización) transcurre con mayor intensidad en la cercanía de la tobera, formándose una gran cantidad de gotas finas. El fraccionamiento de las gotas continúa hasta que las fuerzas de la tensión superficial resulten mayores que las fuerzas totales que originan la disgregación del chorro en el libro de JOVAJ también nos proporciona una ilustración en donde podemos observar cómo es que una gota de combustible se disgrega por acción de las fuerzas (Fig. 3)

3.5 PARÁMETROS DE PÉRDIDAS DEL PROCESO DE ADMISIÓN

La cantidad de carga fresca que ingresa en el proceso de admisión, es decir el llenado del cilindro, depende de los siguientes factores:

1) La resistencia hidráulica en el sistema de admisión, que hace disminuir la presión de la carga suministrada en la magnitud ∆p;

2) De la existencia de cierta cantidad Mr de productos quemados (gases residuales) en el cilindro, que ocupan parte del volumen;

3) Del calentamiento de la carga por las superficies de las paredes del sistema de admisión y del espacio interior del cilindro en la magnitud ∆T, como consecuencia del cual disminuye la densidad de la carga introducida.

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3.6 COEFICIENTE DE LLENADO O EFICIENCIA VOLUMÉTRICA (NV).

El grado de perfección del proceso de admisión se evalúa por el coeficiente de llenado o rendimiento volumétrico ηv que es la razón entre la cantidad de carga fresca que se encuentra en el cilindro al inicio de la compresión real, es decir, al instante en que se cierran los órganos del intercambio de gases, y aquella cantidad de carga fresca que podría llenar la cilindrada en las condiciones de admisión. Las condiciones de admisión para los motores de cuatro tiempos sin sobrealimentación son Pk = P0 y la temperatura Tk = T0 del medio ambiente, para los motores sobrealimentados de dos y cuatro tiempos, la presión Pk y la temperatura Tk después de compresor.

3.7 FACTORES QUE INFLUYEN SOBRE EL COEFICIENTE DE LLENADO.

Sobre el valor del coeficiente de llenado influyen la presión y la temperatura al final de la admisión, el calentamiento de la carga, el coeficiente de gases residuales, la temperatura y presión de los gases residuales y la relación de compresión, los coeficientes de recarga y barrido.

3.9 RELACIÓN DE COMPRESIÓN.

Si los demás parámetros se mantienen constantes, entonces para mayores valores de ε, el coeficiente ηv aumenta. En realidad, al crecer ε varían también otros parámetros; además influye sobre ηv la calidad del barrido de la cámara de combustión. Siendo el barrido completo de la cámara con el aumento del coeficiente ηv disminuye. Sin embargo, al elevar ε, ηv puede tanto aumentar como disminuir; esto muestra que la relación de compresión no influye prácticamente sobre ηv.

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Fig.4 Motor sobrealimentado

4. INSTRUMENTOS Y/O EQUIPOS UTILIZADOS

Para el desarrollo de la experiencia se utilizó:

ESPECIFICACIONES TECNICAS

Marca del motor PERKINS

Tipo de Motor Diésel, de cuatro tiempos, sobrealimentado con turbocompresor.

Modelo C4.236V

Número de cilindros 4 cilindros, en línea

Refrigeración por líquido

Potencia nominal 61 kW (82 HP) a 2800 rpm

Momento máximo 256 N.m a 1450 rpm

Diámetro x carrera 98,43 x 127,0 mm

Cilindrada 3,865 L

Relación de compresión 16 a 1

Máxima presión de sobrealimentación

0,76-0,93 bar-g (manométrico)

Freno dinamométrico Hidráulico, Froude

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5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1. Comprobar el estado del banco de ensayos y del motor (sin arrancar éste): Agua en el sistema de refrigeración, nivel de aceite en el cárter, cantidad de combustible en el tanque, etc.

2. Arrancar el motor, previamente abriendo la válvula que permite circular el agua para el freno, (freno hidráulico, froude), esto se hace con el fin de calentar el motor para luego iniciar con la experiencia. (Durante la experiencia se debe verificar la temperatura y presión adecuada de trabajo del motor)

3. Para una posición fija de la cremallera, realizar variaciones de velocidad, tomando los datos correspondientes.

4. Estableciendo un régimen de velocidad constante, ir variando la posición de la valvular de la cremallera del motor. Realizar variaciones de la carga, tomando los datos correspondientes.

5. Mediciones a efectuar

- Fuerza en el dinamómetro.

- Velocidad de rotación del cigüeñal.

- Tiempo de consumo de combustible.

- Temperatura de salida del agua de refrigeración

- Caída de presión en el manómetro inclinado

- Caída de presión en el manómetro en U

- Temperatura atmosférica.

- Presión atmosférica.

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6. CÁLCULOS REALIZADOS Y FORMULAS EMPLEADAS

6.1. FLUJO MASICO DE AIRE (Ga)

Ga=Cd⋅A⋅√2⋅g⋅ΔS⋅senoθ⋅ρ0⋅ρH 2O⋅3 .600 ; (kg/h )

Donde:

Cd=0,60 (de la placa orificio)

D: Diámetro de la placa orificio= 54,5 mm

A: Área del medidor, en m2 (¿ π ∙ D2

4)

ΔS : Lectura del manómetro inclinado, en m

g=9,81m/s2

θ : Angulo de inclinación del manómetro (30º)

ρ0 : Densidad del aire atmosférico, en kg/m3

ρH 2O=1.000 kg/m3

6.2 FLUJO MÁSICO DE COMBUSTIBLE (Gc)

Gc=3,6 ∆V∆t

ρc (kgh

)

Donde:

∆V = Volumen de combustible consumido, en cm3.

∆ t= Tiempo de consumo de combustible, en s.

ρc= Densidad del combustible, en kg/L (=0,81 kg/L).

6.3 EFICIENCIA VOLUMETRICA (ηV )

ηV=Ga

30V H n ρk100(% )

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Donde:

VH: Cilindrada, en m3

n: rpm

ρk: Densidad del aire a las condiciones pk y Tk

6.4 COEFICIENTE DE EXCESO DE AIRE (λ óα)

λ=

GaGcl0

Donde:

l0: relación estequiométrica (=14,3 kg/kg)

6.5 POTENCIA EFECTIVA (Ne)

Ne=Meω=Me( 2πn60 )(kW )

Donde:

Me: Momento efectivo, en kN.m

ω: Velocidad angular, en rad/s

A su vez:

Me=(W 0−F ¿¿d )b¿

Donde:

Fd: Fuerza del dinamómetro, en kN

W0: Tara, en kN.

b: brazo de palanca, en m ( 0,36 m).

6.6 COEFICIENTE DE ABSORCIÓN (k-1) Y OPACIDAD DEL HUMO (H)

k-1=-1/0,43*ln(1-0,01*H) (m-1)

Donde:

k-1: coeficiente de absorción, m-1.

H: Opacidad del humo, en %

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7 OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES

Se debe realizar de manera adecuada la toma de datos, sino las gráficas no tendrán una tendencia común. Es decir se debe procurara q las mediciones sean aceptables.

Las medidas tomadas debe ser para un mismo tiempo ósea deben de tomarse todos a la ves a si para reducir errores de calculo

Se recomienda usar las orejeras ya que si no se utilizan se podrían ensordecer.

Cuando controlas las RPM tienes que mantenerlo para que así tomen los valores y también debes de esperar a que estabilice el sistema.

8 CONCLUSIONES

Se observó que para realizar cualquier medición el motor tiene que primero alcanzar una cierta temperatura de operación.

Se pudo conocer el procedimiento para obtener los principales parámetros de la formación de la mezcla y su influencia en el proceso de admisión del motor.

Se entendió las causas que hacen variar los parámetros analizando y comparando las gráficas en función de la velocidad y la carga del motor.

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9 BIBLIOGRAFIA

Motores de Automóvil, JOVAJ, Editorial MIR, Moscú 1982.

Manual del Automóvil, ARIAS PAZ Editorial Dossat, Madrid 2001.

APUENTES DE CLASE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA -ING. LIRA

Gráficos de Internet.

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10 ANEXOS

CUESTIONARIO

1. ¿Por qué el coeficiente de exceso de aire desciende cuando aumenta la carga del motor?

2. ¿Por qué la eficiencia volumétrica del motor disminuye ligeramente al aumentar la carga del motor?

3. ¿Cómo es posible que el motor Perkins se acelere sin variar la posición del acelerador de la bomba de inyección (hc)?

4. Generalmente, la tendencia de la eficiencia volumétrica con la velocidad de rotación es creciente- decreciente (cóncava hacia abajo), alcanzando el valor máximo a una velocidad intermedia entre la velocidad mínima y la nominal. Explicar la razón de esta tendencia. ¿Cómo varía la eficiencia volumétrica del motor Perkins con la velocidad?Explique la razón de esta tendencia

5. ¿Qué factor determina la tendencia del coeficiente de exceso de aire en función de la velocidad del motor?

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6. ¿Qué relación hay entre el consumo de combustible Gc (kg/h) y la posición del acelerador (hc) de la bomba de inyección (con n=cte.)?

7. ¿Qué es la opacidad del humo y el coeficiente de absorción? ¿Qué relación hay entre estos dos parámetros?

8. ¿Por qué el coeficiente de absorción del humo (en m-1) aumenta a medida que aumenta a altas velocidades del cigüeñal? ¿Por qué la opacidad también puede aumentar a bajas velocidades?

9. ¿Por qué el coeficiente de absorción (en m-1) aumenta cuando aumenta la carga del motor?

10. ¿Hay alguna relación entre la opacidad del humo y el coeficiente de exceso de aire (con n=cte.)?

11. Hacer esquemas (uno de c/u) de los sistemas de alimentación del aire y del combustible

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12. Hacer los siguientes gráficos: Coeficiente de exceso de aire en función de la velocidad (f(n)) Coeficiente de exceso de aire en función de la carga (f(Ne)) Eficiencia volumétrica en función de la velocidad Eficiencia volumétrica en función de la carga Coeficiente de absorción (en m-1) en función de la velocidad Coeficiente de absorción (en m-1) en función de la carga Coeficiente de absorción (en m-1) en función del coeficiente de exceso de

aire (a n=cte) Coeficiente de absorción (en m-1) en función del coeficiente de exceso de

aire (a hc=cte) Consumo de combustible (en kg/h) en función de la posición del acelerador

de la bomba de inyección (f(hc))

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