3. Balance Motor

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INGENIERA SECCIN INGENIERA MECNICA

LABORATORIO DE ENERGA

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MEC208 TERMODINAMICA 2

III. BALANCE TRMICO DE UN MOTOR

1. OBJETIVOS

Realizar el balance energtico de un motor de encendido por compresin de 4 tiempos.

2. EQUIPO A UTILIZAR

La unidad Cummnis QSB6.7 es un motor de encendido por compresin de 4 tiempos que convierte la energa qumica almacenada en un combustible (Diesel DB5) en energa mecnica. Este equipo tiene 6 cilindros dispuestos en lnea dentro de los cuales se produce el fenmeno conocido como combustin, en un ciclo que tiene 4 tiempos (admisin compresin expansin escape).

El equipo cuenta con un ingreso de aire con filtro, un ingreso de combustible a partir de unos tanques, un sistema de refrigeracin (el cual emplea agua como fluido de trabajo), un sistema de lubricacin, un sistema de inyeccin de combustible, un sistema de admisin de aire, un sistema de escape con turbocompresor, un sistema de frenado elctrico y un mdulo para el mando y control del motor.

En forma detallada, la unidad Cummnis QSB6.7 cuenta con los siguientes equipos e instrumentos:

2.1. Motor Motor de encendido por compresin de 4 tiempos y 6 cilindros Cummnis QSB6.7, velocidad nominal 2000 rpm. 2.2. Tanques de combustible Ubicados en la pared, tienen un indicador del nivel para reconocer la cantidad de combustible presente en los tanques. Se tiene adems un visor de vidrio con dos bulbos esfricos de 50mL y 100mL de capacidad de almacenamiento para poder determinar el flujo msico de combustible consumido por el motor. 2.3. Sistema de refrigeracin Conformado por un intercambiador de calor de tipo carcasa y tubos, tuberas y vlvulas para controlar el flujo de agua del motor y del intercambiador. Se tiene adems un rotmetro marca Yokogawa para la medicin del caudal de agua del motor y caudalmetros para la medicin del caudal de agua fra del intercambiador. 2.4. Sistema de frenado elctrico Banco de frenado Zollner, de tipo elctrico, con 3 opciones distintas para el mecanismo de frenado. Dos rangos de frenado (0-500 N-m, 0-1000N-m) los que se activan por accionamiento de la palanca ubicada detrs del equipo. En el panel del motor se dispone de los controles de mando del motor y un display con la lectura de las RPM del mismo.

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3. INSTRUMENTACIN En la figura 1 se muestra el esquema general del funcionamiento del motor y en la figura 2 se muestra la disposicin real de la unidad Cummins QSB6.7

01 Medidor de combustible: formado por dos bulbos calibrados cada uno con capacidad de 50 mL y 100 mL.

02 Cronmetros digitales.

01 tubo de Pitot (del analizador TESTO)

01 manmetro digital Dywer.

02 mangueras

01 display de temperatura para dos entradas

02 termmetros de vidrio (en los puntos C y D)

02 termocuplas tipo K (en los puntos A y B)

01 rotmetro marca Yokogawa (en el punto E)

01 caudalmetro (en el punto F)

Figura 1. Esquema del sistema que compone el funcionamiento del motor Cummins QSB6.7

Ingreso de

aire

Ingreso de

combust.

Salida gases

de combust.

Dinammetro

Motor Cummins

QSB6.7

Intercamb. calor de

carcasa y tubos

Ing. AR

R.

Sal. AR.

Ing. AF. Sal. AF.

Panel de

control

Pitot con

manmetro dif.

Medidor de

consumo de

combust.

PERDQ

B A

D

C

E

F

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Figura 2. Vista general de la unidad Cummins QSB6.7

4. FUNDAMENTOS TERICOS

El balance trmico de un motor se obtiene basndose en su investigacin en condiciones diversas. Por tanto, la ecuacin del balance trmico tiene la forma siguiente:

PERDgrefe0 QQQWQ

Donde:

0Q

: cantidad total de calor aportado por el combustible cuando el motor

funciona con un rgimen dado, en kW.

eW

: trabajo efectivo que realiza el motor, en kW.

Rotmetro

Caudalmetro

Termmetros

vidrio

Motor

Admisin de

aire

Escape de

gases

Intercambiador

Dinammetro

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refQ

: calor cedido al refrigerante, en kW.

gQ

: calor cedido al refrigerante, en kW.

PERDQ

: calor cedido al ambiente y los mecanismos internos del motor, en kW.

Cada uno de los componentes del balance se puede determinar en tantos por ciento de la cantidad total de calor entregado.

El calor total aportado por el combustible est dado por la expresin:

cc0 PCmkWQ

Donde:

cm

: flujo msico de combustible consumido, en kg/s. Se determina al dividir

el volumen de combustible evaluado entre el tiempo evaluado.

cPC : Poder calorfico superior del combustible, en kJ/kg.

Para el Diesel DB5, el poder calorfico superior es de 45329 kJ/kg y la densidad es de 852.06 kg/m3 ambos valores determinados segn el anexo E de la norma NTP 350.300

El trabajo efectivo que realiza el motor est dado por la expresin:

30000

nTkWW e

Donde:

T : torque de frenado, en N-m. n : velocidad de giro del motor, en RPM

El calor transmitido al medio refrigerante a travs de las paredes de los cilindros, de sus culatas, de los mbolos y de sus segmentos se puede determinar, cuando la refrigeracin es por agua, por medio de la ecuacin:

ewswwwpwref TTVckWQ

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Donde:

w : densidad del agua a la temperatura de ingreso del refrigerante hacia el

motor, en kg/m3.

wV

: caudal de agua de refrigeracin del motor, en m3/s.

swT : temperatura de salida del agua del motor, en C

ewT : temperatura de ingreso del agua del motor, en C

El calor que arrastran los gases de escape est dado por la siguiente expresin:

egsggapag TTVckWQ

Donde:

sgT : temperatura de salida de los gases de escape, en C

egT : temperatura de entrada del aire al motor, en C

a : densidad del aire a la temperatura Tsg, en kg/m3

pac : calor especfico del aire a la temperatura media entre Tsg y Teg, en

kJ/kgK.

gV

: caudal de los gases de escape, en m3/s

El caudal de los gases de escape se determinar a partir de la medicin de presin dinmica realizada con el tubo de Pitot:

a

23

g

p2

4

d/smV

Donde:

d : dimetro interno de la tubera de los gases de escape, en m. Su valor es 0.1023 m

p : diferencia de presiones registrada con el tubo de Pitot, en Pa

a : densidad del aire a la temperatura Tsg, en kg/m3

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5. PROCEDIMIENTO

a) Habilite el suministro de agua hacia el freno y el equipo lavador de gases. Habilite el suministro elctrico del lavador de gases y encienda la bomba y el ventilador del mismo.

b) Verificar que el dinammetro se encuentra habilitado para registrar valores de torque hasta los 500 Nm.

c) Encienda el motor Cummins QSB6.7 y espere 5 minutos hasta que alcance su temperatura de trabajo. IMPORTANTE: La temperatura del fluido que pasa a travs del rotmetro Yokogawa debe ser inferior a los 75C.

d) Manteniendo el torque del motor en 150N-m y la vlvula de control del caudal del intercambiador de calor en de vuelta, llevar al motor hasta una velocidad de giro de 1000 RPM. Esperar 1 min y tomar los siguientes datos:

Torque. RPM Caudal de refrigeracin del motor Temperatura de ingreso del refrigerante del motor Temperatura de salida del refrigerante del motor Temperatura del aire de ingreso al motor Temperatura de los gases de escape del motor Diferencia de presiones con el tubo de Pitot en la tubera de escape. Tiempo de consumo de 50ml de combustible.

Repetir la misma operacin para 1500RPM y 2000 RPM manteniendo constante el torque y la apertura de la vlvula de control de caudal.

e) Manteniendo el torque del motor en 150N-m y la velocidad de giro en 1500RPM, variar la vlvula de control del caudal del intercambiador de calor en de vuelta, vuelta, vuelta. Tomar los mismos datos indicados en el inciso d).

f) Manteniendo la velocidad de giro del motor en 1000RPM y la vlvula de control del

caudal del intercambiador de calor en de vuelta, variar el torque del motor con ayuda del freno en 50, 100 y 150 Nm. Tomar los mismos datos indicados en el inciso d).

g) Finalizados los ensayos, reducir y quitar el torque de frenado del motor. Apagar el

freno y dejar 3 minutos al motor en modo ralent. Apagar el motor, cortar el suministro de agua hacia el freno, apagar el lavador de gases e informar al personal del laboratorio que el ensayo ha concluido.

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6. CLCULOS Para cada estado del motor, medido en los incisos d), e) y f) del punto 5 de esta gua,

calcular lo siguiente:

Potencia entregada por el combustible. Potencia mecnica desarrollada por el motor. Eficiencia mecnica del motor. Calor transferido hacia el intercambiador de calor. Calor transferido hacia los gases de combustin. Balance de energa en el volumen de control.

7. GRFICOS

Para cada estado del motor, medido en los incisos d), e) y f) del punto 5 de esta gua,

calcular lo siguiente:

Consumo vs velocidad de giro del motor Potencia Mecnica desarrollada por el motor vs velocidad de giro del motor Eficiencia Mecnica del Motor vs velocidad de giro del motor Calor transferido en el intercambiador de calor vs velocidad de giro del

motor Calor transferido por los gases de combustin vs velocidad de giro del

motor

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8. HOJA DE DATOS

8.1. Variacin de velocidad manteniendo constante el torque y el caudal

Variable Unidades Smbolo 1000 RPM 1500 RPM 2000 RPM

Torque del motor N-m T

Velocidad de giro del

motor RPM n

Caudal de refrigeracin

del motor m

3/h

wV

Temperatura de ingreso

agua refrig. C Tew

Temperatura de salida

agua refrig. C Tsw

Temperatura entrada

aire al motor C Teg

Temperatura salida

gases de escape C Teg

Diferencia de presiones

en tubo Pitot Pa p

Volumen de

combustible consumido mL Vc

Tiempo de consumo del

combustible s t

8.2. Variacin de caudal manteniendo constante el torque y la velocidad

Variable Unidades Smbolo vuelta vuelta vuelta



motor RPM n


del motor m

3/h

wV


agua refrig. C Tew

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Variable Unidades Smbolo vuelta vuelta vuelta


agua refrig. C Tsw

Temperatura entrada

aire al motor C Teg

Temperatura salida



en tubo Pitot Pa p

Volumen de



combustible s t

8.3. Variacin de torque manteniendo constante la velocidad y el caudal

Variable Unidades Smbolo 50 Nm 100 Nm 150 Nm



motor RPM n


del motor m

3/h

wV


agua refrig. C Tew


agua refrig. C Tsw

Temperatura entrada

aire al motor C Teg

Temperatura salida



en tubo Pitot Pa p

Volumen de



combustible s t

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