Informe N°2 MCI PDF

Preview

Summary

Universidad Nacional de IngenieríaFacultad de Ingeniería MecánicaCurso: MOTORES DE COMBUSTIONINTERNA (LABORATORIO)Segundo informe de LaboratorioIntegrantes:Tema: PROCESOS DE ADMISIÓN YFORMACIÓN DE LA MEZCLA DEL MOTOR DEENCENDIDO POR CHISPAProfesor: Toledo Paredes, Manuel SebesSección: F Fecha: 17 /0...

Description

Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica Curso: MOTORES DE COMBUSTION INTERNA (LABORATORIO) Segundo informe de Laboratorio Integrantes:

Tema: PROCESOS DE ADMISIÓN Y FORMACIÓN DE LA MEZCLA DEL MOTOR DE ENCENDIDO POR CHISPA

Profesor: Toledo Paredes, Manuel Sebes Sección: F

Fecha:17/07/2020 Lima-Perú

UNI-FIM DEPARTAMENTO DE MOTORES

ÍNDICE 1. OBJETIVOS................................................................................................. 3 2. FUNDAMENTO TEÓRICO .......................................................................... 3 3. PARÁMETROS A DETERMINAR................................................................ 5 4. CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR ............................................................. 8 5. EQUIPO UTILIZADO EN EL LABORATORIO (PRESENCIAL) ................... 9 6. METODOLOGIA ........................................................................................ 10 7. DATOS OBTENIDOS ................................................................................ 10 8. CALCULOS Y RESULTADOS ................................................................... 11 9. ANALISIS DE RESULTADOS ................................................................... 15 10.

CONCLUSIONES ................................................................................... 15

11.

BIBLIOGRAFIA....................................................................................... 15

12.

ANEXOS ................................................................................................ 17

2

UNI-FIM DEPARTAMENTO DE MOTORES

1. OBJETIVOS • •

•

Conocer y constatar la dinámica de los procesos de admisión y formación de la mezcla en el MCI. Determinar la influencia en los regímenes de funcionamiento y los parámetros que influyen en la eficiencia volumétrica y exceso de aire que se dan. Calcular los gastos de aire y de combustible que se producen en los procesos de funcionamiento de motor encendido por chispa.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO 2.1. Admisión Para realizar el ciclo de trabajo de un motor de combustión interna es preciso expulsar del cilindro los gases residuales e ingresar en éste la carga fresca del aire o mezcla aire-combustible. Los procesos de admisión y de escape están vinculados entre sí y en función del número de tiempos del motor, así como también del procedimiento de admisión. La cantidad suministrada de carga fresca depende de la calidad con que se limpia el cilindro del motor. Es por eso que el proceso de admisión se analiza tomando en cuenta el desarrollo del proceso de escape, estudiando todo el proceso de intercambio gaseoso. 2.2. Factores que influyen en el proceso de admisión de válvulas 2.2.1. Perdidas de presión en el sistema de admisión ΔPa = P0 – Pa Pa: Presión al final del proceso de admisión P0: Presión Atmosférica Se busca que la ΔPa sea lo mínimo posible para un mejor llenado de carga fresca en el cilindro. La existencia de resistencias en el sistema de admisión conduce a que la cantidad de carga fresca que entra al cilindro del motor disminuya, debido al decrecimiento de la densidad de la carga. Otro factor que influye es el área de paso de la válvula de admisión (AVA), el cual si esta aumenta entonces hay un mejor llenado. Caso contrario ocurre con las RPM, el cual si aumenta el ΔPa también aumenta. 2.2.2. Presencia de gases residuales Son los gases productos de la combustión que no pudieron ser desalojados en el proceso de escape. La cantidad de gases residuales Mr

3

UNI-FIM DEPARTAMENTO DE MOTORES

(en Kmol/ciclo), depende del procedimiento empleado para limpiar el cilindro. Aquí interviene el coeficiente de gases residuales 𝛾฀𝑟฀ = 𝑀฀𝑟฀฀ 𝑀฀1฀฀ (M1 es la mezcla fresca que ingresa al motor por ciclo) Es conveniente que Mr disminuya para que el γr disminuya. 2.2.3. Calentamiento de la mezcla fresca (ΔT) La carga fresca durante su movimiento por el sistema de admisión y dentro del cilindro entra en contacto con las paredes calientes, elevándose su temperatura en ΔT. El grado de calentamiento de la carga depende de la velocidad de su movimiento, de la duración de la admisión, así 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 admisión en el motor de carburador es conveniente hasta cierto límite correspondiente al calor necesario para la vaporización del combustible. El aumento de ΔT se debe a la temperatura de las paredes calientes del sistema de admisión, así como su tiempo de contacto. También influye la presencia de los gases residuales calientes.

2.2.4. Coeficiente de llenado ( nv ) El grado de perfección del proceso de admisión se acostumbra evaluar por el coeficiente de llenado o eficiencia volumétrica nv , 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 cierra la válvula de admisión, y aquella cantidad de carga fresca que podría llenar el cilindro (volumen de trabajo) en las condiciones de admisión (condiciones ambientales en los motores de aspiración natural). Los cálculos muestran que, para los motores con formación externa de mezcla, que funcionan con gasolina, la diferencia entre los coeficientes de llenado, calculados considerando la condición de que la carga fresca puede ser el aire o la mezcla aire combustible, es insignificante. Por eso en los motores de carburador (al igual que en los motores Diesel), se va a determinar nv por la cantidad de aire admitida al cilindro (despreciando la cantidad de combustible) según la definición

nv =

Ga G a, t

2.2.5. Coeficiente de exceso de aire (  ) Es la relación entre la cantidad real de aire para quemar un kilo de combustible y la cantidad de aire necesaria teóricamente para quemar la misma cantidad de combustible (cantidad estequiometria ).

4

UNI-FIM DEPARTAMENTO DE MOTORES

La cantidad de aire que participa en el proceso de combustión puede ser mayor o menor que la cantidad teóricamente necesaria para la combustión completa del combustible, por lo que se dan los siguientes casos: • Mezcla rica: (  1) (exceso de oxígeno)

Hay más aire de lo que teóricamente se necesita para la combustión completa del combustible. En los motores Diesel siempre se utilizan mezclas pobres. En motores con encendido por chispa se utilizan mezclas pobres y ricas. Consideraciones para motor ECH, Diesel: Para motor ECH: α (0.6 – 1.15) Para motor Diesel: α (1.4 – 6) > 1

3. PARÁMETROS A DETERMINAR •

Densidad del aire corregido ( 0* ): Se define como la densidad real del aire, tomando en consideración los factores climáticos actuales.

 0* = 1.293*

273 p0 * ...[kg / m3 ] 760 T0 + 273

Donde: 𝑝0: Presión barométrica, en mm Hg. 𝑇0: Temperatura atmosférica, en °C. •

Consumo horario de combustible ( Gc ): Flujo másico de combustible consumido por hora.

Gc = 3.6* comb *

 Vcomb ...[kg / h ] t

Donde: Δ𝑉𝑐𝑜𝑚𝑏: Volumen de combustible consumido, en cm3.

5

UNI-FIM DEPARTAMENTO DE MOTORES

𝜌𝑐𝑜𝑚𝑏: Densidad del combustible, en g/cm3. 𝜌𝑐𝑜(𝑔𝑎𝑠𝑜𝑙𝑖𝑛𝑎)= 0,72−0,74 g/cm3. Δ𝑡: Tiempo de consumo del combustible desde la bureta de medición (entre placa y placa), en s. •

Consumo horario de aire teórico ( Ga ,t ): Flujo másico de aire consumido por hora, en términos teóricos.

Ga ,t =

120



*Vh *i *  0* * n ...[kg / h ]

Donde: 𝜏: Numero de tiempos. 𝑖: Numero de cilindros. 𝑉ℎ: Volumen útil de trabajo (cilindrada unitaria), en m3. 𝜌0∗: Densidad del aire corregido, en kg/m3. 𝑛: Numero de vueltas del cigüeñal expresado en rpm. •

Consumo horario de aire real ( Ga ): Flujo másico real consumido en el proceso.

Ga = 3600*(Cd * A)* 2gS * sen( )* *0 * H 2O ...[kg / h] Donde: 𝐴: Área de la sección de estrangulamiento del aire en el medidor, en m2. 𝐴=

 d2 4

, donde d es el diámetro de la tobera.

𝐶𝑑: Coeficiente de descarga de la tobera. 𝘨: Aceleración de la gravedad (𝘨= 9,81 m/s2). Δ𝑆: Lectura del manómetro de tubo en U inclinado, en mH2O. 𝜃: Angulo de inclinación del manómetro de tubo en U, en radianes.

 *0 : Densidad del aire corregido, en kg/m3.  H O : Densidad del agua, en kg/m3. 2

6

UNI-FIM DEPARTAMENTO DE MOTORES

•

Cantidad teórica de aire necesaria para la combustión de 1 kg de combustible ( l0 )

l0 = •

1 8 ( C + 8H − O c )...[kg aire / kg comb ] 0.23 3

Coeficiente de exceso de aire ( ): Los procesos de combustión en motores reales no son perfectos, pueden producirse tanto defecto como excesos de aire, denotando así si una mezcla es rica ( 1) respectivamente.

= •

Ga Gc * l0

Relación aire combustible: Relación presente en los cilindros del motor.

l r = l0 * ...[kg aire / kg comb ] •

Eficiencia volumétrica del motor ( nv ) : Valor adimensional que señala el grado de perfección del proceso de admisión.

nv = •

Ga Ga, t

Par motor ( M e ):se puede definir como la fuerza necesaria para que el cigüeñal del motor gire.

M e = Fd *L ...[N .m ] Donde: 𝐹𝑑: Fuerza aplicada en el dinamómetro, en N. 𝐿: Brazo del freno, en m. •

Potencia del motor ( Ne ):es el par motor por las revoluciones por minuto (tiempo).

Ne =

Me * n ...[kW ] 9550

Donde: 𝑀𝑒: Par motor efectivo, en N. 𝑛: Frecuencia de rotación del motor, en rpm.

7

UNI-FIM DEPARTAMENTO DE MOTORES

4. CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR Marca: Daihatsu Modelo: CB-20 Cilindrada: 993 cm3 Número de cilindros: 3 Orden de encendido: 1-2-3 Diámetro x carrera: 76,0 x 73,0 mm Relación de compresión: 9,0:1 Potencia máxima: 40,5 kW a 5.500 rpm Momento máximo: 76,5 N.m a 2.800 rpm Velocidad de ralentí: 900 rpm Adelanto de la chispa: 10ºa PMS a 900 rpm Sistema de combustible: a carburador con 02 gargantas

Fig.1 Motor Daihatsu

FRENO Tipo: Eléctrico, corriente continua Marca: BKB Velocidad: 1250/3000 rpm Corriente: 50 – 82 A Potencia: 11 – 18 kW Brazo del dinamómetro: 0,323 m DINAMOMETRO Marca: CAMRY Capacidad: 50 Kgf Precisión: 200 g MEDICION DE COMBUSTIBLE Combustible: Gasolina (G-90) Volumen de combustible consumido: 1/16 pinta inglesa (35,52 cm3) Densidad del combustible: 0,715 g/cm3 (a 15 ˚C) MEDICION DE AIRE Diámetro de las toberas: 2 cm Coeficiente de descarga de la tobera: 0,9

8

UNI-FIM DEPARTAMENTO DE MOTORES

5. EQUIPO UTILIZADO EN EL LABORATORIO (PRESENCIAL)

Fig. 2 Banco de pruebas

Fig. 3 Dinamómetro

Fig. 4 Medidor de Combustible

Fig. 5 Manómetro inclinado

Fig. 6 Tanque de almacenamiento de aire

Fig. 7 Tanque de almacenamiento de combustible

9

UNI-FIM DEPARTAMENTO DE MOTORES

6. METODOLOGIA Prueba de motor encendido por chispa

a) Antes de empezar las pruebas se tiene que comprobar que todos los instrumentos y el motor estén en condiciones óptimas, así evitar cualquier falla en el ensayo. b) Encender el motor y luego esperar un tiempo prudencial para que el motor alcance una temperatura adecuada. c) Posteriormente se comenzará con el ensayo; para la primera prueba iremos variando n (RPM) desde 3000 hasta 1800 disminuyendo en un rango de 200 se tendrá en cuenta que ∆h se mantendrá constante. d) Con las condiciones anteriores se pasa a tomar los datos correspondientes. e) Para la segunda prueba se mantendrá n (RPM) con un valor constante de 2400 RPM y se ira variando ∆h. Por último, se procederá a tomar los datos correspondientes en los puntos requeridos.

7. DATOS OBTENIDOS TABLA 1. Datos de Velocidad de rotación Variable – Carga Constante

N° 1 2 3 4 5 6 7

n Δhc% Fe ΔV (RPM) (mm) (kg-f) (cm3) 3000 30 15 29.57 2800 30 15.5 29.57 2600 30 16 29.57 2400 30 17 29.57 2200 30 17.5 29.57 2000 30 18.4 29.57 1800 30 19 29.57

Δt (s) 22.31 22.72 23.59 25.22 26.48 27.37 28.96

ΔS (cmH2O) 18.7 17.7 16.2 14.2 12.6 11.4 9.6

Te (°C) 77 81 78 79 78 75 72

Ts (°C) 88.5 90 84.5 88 86.5 84 84

Taceite Paceite I V (°F) (PSI) (A) (voltios) 219.5 50 96 109 230 48 97 109 234 45 96 108 240 44 95 107 245 41 93 106 247.5 35 91 104 248.5 32 88 100

TABLA 2. Datos de Carga variable – Velocidad de rotación constante

N° 1 2 3 4 5 6 7

n Δhc% Fe ΔV (RPM) (mm) (kg-f) (cm3) 29.57 2400 10 6 29.57 2400 15 10 29.57 2400 20 13 2400 25 15.5 29.57 29.57 2400 30 17 2400 40 17.5 29.57 2400 50 18.3 29.57

Δt (s) 48.55 37.05 30.4 25.66 23.99 22.9 22.8

ΔS Te (cmH2O) (°C) 3.5 6.2 9.6 12.3 13.7 16.4 17.3

10

80 82 81 78 77 79 80

Ts (°C) 84 88 88 84 84 88 90

Taceite Paceite I V (°F) (PSI) (A) (voltios) 46 45 44 43 42 41 40

55 52 50 48 46 45 44.5

36 69 83 91 94 98 100

92 85 93 103 107 110 113

UNI-FIM DEPARTAMENTO DE MOTORES

8. CALCULOS Y RESULTADOS Primer Ensayo: Velocidad de rotación variable – carga constante: Se aplicarán las fórmulas explicadas anteriormente en el fundamento teórico. Se explicará detalladamente la determinación de los parámetros para la primera medición, los cálculos con las demás mediciones se realizarán empleando Ms Excel. •

Consideraciones previas:

Presión atmosférica (mmHg) = 761.3125 mmHg Temperatura ambiente (°C) = 17°C Densidad del combustible gasolina ( comb ) = 0.715 g / cm 3 Ángulo de inclinación del manómetro de tubo en U ( ) = 30° •

Densidad del aire corregido (  *0 )

 0* = 1.293*

273 761.3125 273 p0 * * = 1.293* 760 T0 + 273 760 17 + 273

0* = 1.2193kg / m3 •

Consumo horario de combustible ( Gc )

Gc = 3.6*  comb *

Vcomb 29.57 = 3.6* 0.715* 22.31 t

Gc = 3.4116kg / h •

Consumo horario de aire teórico (Ga ,t )

Ga ,t =

120



* Vh * i *  0* * n =

120 *993*10 − 6 *3*1.2193*3000 4

Ga, t = 326.906kg / h •

Consumo horario de aire real ( Ga )

Ga = 3600*(Cd * A)* 2g S * sen( )*  *0 * H2O Ga = 3600* (

0.98* *0.022 )* 2 *9.81*18.7 *10−2 *sen (30 )*1.2193*997 4 Ga = 52.3405kg / h 11

UNI-FIM DEPARTAMENTO DE MOTORES

•

Cantidad teórica de aire necesaria para la combustión de 1 kg de combustible ( l0 )

l0 =

1 8 ( C + 8H − O c )[kg aire / kg comb ] 0.23 3 l0 =

•

14.7 kg aire / kg comb 1

Coeficiente de exceso de aire (  )

Ga 52.419 = Gc * l0 3.4355*14.7

=

 = 1.0437 •

Relación aire combustible ( lr )

lr = l0 *  = 14.7*1.038 lr = •

15.3418 kg aire / kg comb 1

Eficiencia volumétrica del motor ( nv )

nv =

Ga 52.419 = Ga, t 326.906

nv = 0.1601 = 16.01% •

Par motor ( M e )

M e = Fd * L = 15*9.81*0.323 M e = 47.529N .m

•

Potencia del motor ( N e )

Ne =

M e * n 47.529*3000 = 9550 9550 N e = 14.9305kW

12

UNI-FIM DEPARTAMENTO DE MOTORES

Análogamente, para las mediciones posteriores, se empleó Ms Excel para obtener los siguientes resultados presentes en la tabla:

Tabla 3. Resultados del primer ensayo

N°

n RPM

ϕmg %

ρ* kg/m3

Gc kg/h

Gat kg/h

Ga

l0

1 2 3

3000 2800 2600

30 30 30

1.219 1.219 1.219

3.412 3.350 3.227

326.908 305.114 283.320

52.340 14.7 1.044 50.922 14.7 1.034 48.716 14.7 1.027

15.342 15.200 15.099

0.160 47.529 14.931 0.167 49.114 14.400 0.172 50.698 13.803

4

2400

30

1.219

3.018

261.526

45.610 14.7 1.028

15.113

0.174 53.867 13.537

5

2200

30

1.219

2.874

239.733

42.964 14.7 1.017

14.947

0.179 55.451 12.774

6 7

2000 1800

30 30

1.219 1.219

2.781 2.628

217.939 196.145

40.867 14.7 1.000 37.502 14.7 0.971

14.695 14.269

0.188 58.303 12.210 0.191 60.204 11.347

α

lr

ηv

Me N.m

Segundo Ensayo: Carga variable – Velocidad de rotación constante

Se aplicarán las fórmulas explicadas anteriormente en el fundamento teórico. Se explicará detalladamente la determinación de los parámetros para la primera medición, los cálculos con las demás mediciones se realizarán empleando Ms Excel. •

Densidad de aire corregido ( *0 )

𝜌฀ ∗ ฀ = 1.293 ∗ 761.325฀760 ฀ ∗ 273฀273 + 17฀ 𝜌฀ ∗ ฀ = 1.219 𝐾𝑔/𝑚3 •

Consumo horario de combustible ( Gc )

𝐺฀𝑐฀ = 3,6 ∗ 0.75 ∗ 29 .57฀48.55฀ 𝐺฀𝑐฀ = 1.568 𝐾𝑔/ℎ •

Consumo horario de aire teórico (Ga ,t )

𝐺𝑎, 𝑡 = 120 ∗ 0.00093 ∗ 3 ∗ 1.219 ∗ 2400฀4฀ 𝐺𝑎, 𝑡 = 261 .531 𝐾𝑔/ℎ •

Consumo horario de aire real ( Ga )

𝐺𝑎 = 3600 ∗ 0.98 ∗ 𝜋 ∗ 0.02฀2฀฀4฀฀ ∗ ฀2 ∗ 9.81 ∗ 0.035 ∗ 𝑠𝑒𝑛 30°฀ ∗ 997฀ 𝐺𝑎 = 22.644 𝐾𝑔/ℎ

13

Ne kW

UNI-FIM DEPARTAMENTO DE MOTORES

Cantidad teórica de aire necesaria para la combustión de 1kg de combustible ( l0 )

•

𝐼𝑜 = 14.7 𝐾𝑔𝑎𝑖𝑟𝑒/𝐾𝑔𝑐𝑜𝑚𝑏 Coeficiente de exceso de aire (  )

•

𝛼 = 22.644฀1. 568 ∗ 14.7฀ 𝛼 = 0.983 •

Relación aire combustible ( lr )

𝐼𝑟 = 14.7 ∗ 0.983 𝐼𝑟 = 14.444 •

Eficiencia Volumétrica del Motor (nv )

𝜂𝑣 = 22.644฀261 .531 ฀ 𝜂𝑣 = 0.087 •

Par Motor ( M e )

Recordar que debemos transformar la fuerza del dinamómetro de Kgf a N para aplicar la formula y nos de en las unidades internacionales 𝑀𝑒 = 6 ∗ 9.8066 ฀ ∗ 0.323 𝑀𝑒=19.005 𝑁.𝑀 •

Potencia del motor ( N e )

𝑁฀𝑒฀ = 19 .005 ∗ 2400฀9550฀ 𝑁฀𝑒฀ 𝑁฀𝑒฀ = 4.776 𝐾𝑤

Análogamente, para las mediciones posteriores, se empleó Ms Excel para obtener los siguientes resultados presentes en la tabla:

Tabla 4. Resultados del segundo ensayo

N°

n RPM

ϕmg %

ρ* kg/m3

Gc kg/h

Gat kg/h

1 2

3000 2800

30 30

1.219 1.219

3.412 3.350

326.908 305.114

Ga

l0

α

52.340 14.7 1.044 50.922 14.7 1.034

14

lr 15.342 15.200

ηv

Me N.m

Ne kW

0.160 47.529 14.931 0.167 49.114 14.400

UNI-FIM DEPARTAMENTO DE MOTORES 3

2600

30

1.219

3.227

283.320

48.716 14.7 1.027

15.099

0.172 50.698 13.803

4 5

2400 2200

30 30

1.219 1.219

3.018 2.874

261.526 239.733

45.610 14.7 1.028 42.964 14.7 1.017

15.113 14.947

0.174 53.867 13.537 0.179 55.451 12.774

6

2000...