Laboratorio de

Máquinas #1 Reconocimiento de motores Otto y curvas

características.

Bruno Ortega Leiva

Ayudante: Daniel López

Profesor: Kim Hauser

Fecha de Entrega: 17 de Abril de 2015

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Índice

1. Introducción ........................................................................................................................ 2

2. Objetivos. ............................................................................................................................ 3

3. Montaje de Equipos ............................................................................................................ 4

4. Metodología ........................................................................................................................ 7

6. Análisis de Resultados ...................................................................................................... 13

7. Conclusiones ..................................................................................................................... 15

8. Bibliografía ....................................................................................................................... 16

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1. Introducción

La gran utilización de los motores de combustión interna, en especial con ciclo Otto, en

distintos ámbitos en variadas industrias, hace indispensable el estudio y comprensión de

estos motores, desde sus elementos mecánicos hasta su ciclo termodinámico.

Ya en la experiencia anterior se pudo obtener la caracterización de un motor Otto

calculando sus curvas características como Torque, Potencia y Consumo específico. En la

presente experiencia se analizará desde el aspecto térmico cómo se comporta un motor

Otto, es decir, se cuantificarán los flujos de energía que entran y salen, con el fin de

determinar el rendimiento y pérdidas en la combustión y generación de potencia. Con esto

se podrá ver cuanta energía química disponible en el combustible es aprovechado para

realizar trabajo en el eje. Como el motor trabaja en un ciclo mecánico (termodinámico),

existen irreversibilidades en el proceso, es que se abordarán los 4 tipos de pérdidas más

importantes que hacen que la generación de potencia no se pueda aprovechar el total de

energía química del combustible.

Para el desarrollo de la experiencia se estudió un motor Suzuki 1000 a máxima carga en un

banco de pruebas, frenado a 3000 RPM, midiendo la temperatura de entrada y salida del

agua de refrigeración, temperatura de los gases de escape, temperatura ambiente, humedad

relativa y se realizará un análisis Orsat para cuantificar los gases de combustión y así medir

el rendimiento de la combustión. Además con estos datos se calcularán las principales

pérdidas de un motor Otto, para luego finalmente comparar con los porcentajes esperados

para este tipo de motor.

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2. Objetivos.

Los objetivos perseguidos en esta experiencia son:

Calcular la cantidad de calor contenido en el combustible que se transforma en

trabajo mecánico.

Determinar las fuentes de perdidas energéticas presentes en el motor Otto Suzuki

1000.

Identificar los errores que influyen en la toma de datos no exactos.

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3. Montaje de Equipos

En el experimento se utilizó un Motor Suzuki 1000 (Figura 3.2) de 4 tiempos y 4 cilindros.

Éste va conectado a un freno Froude, el cual consiste en un freno de agua, el cual sirve para

regular la velocidad angular, equipado en conjunto con un dinamómetro. Se dispone

también de un tacómetro infrarrojo, un cronometro y un estanque de combustible con

graduaciones de volumen. Por último se agrega, a diferencia de la experiencia anterior,

termocuplas para medición de temperatura en distintos puntos de interés, Agua de

refrigeración con su aparato en conjunto para ver su caudal y un aparto Orsat para medir los

porcentajes de gases de combustión. La disposición del montaje experimental es el que se

ve en la siguiente figura:

Figura 3.1. Disposición montaje experimental.

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Entonces los elementos e instrumentos utilizados en la experiencia, aparte del motor Suzuki

1000, son:

Freno Froude: consiste en un freno hidráulico, el cual está rodeado por una carcasa

entre las cuales circula agua. Cuando el rotor gira, se produce un arrastre sobre la

carcasa que tiende a girarla, por lo que es necesario aplicar un torque contrario al

del rotor para dejarla fija.

Dinamómetro: Configurada respecto al eje y el freno Froude, midiendo la fuerza de

freno de este último [kgf].

Tacómetro infrarrojo: se dispone emitiendo la señal infrarroja al eje, midiendo la

velocidad de giro [RPM].

Estanque de combustible: Depósito que almacena el combustible, con graduación

(se utilizó un vaso precipitado) [ml].

Cronómetro: Utilizado para medir intervalos de tiempo de consumo de cierta

cantidad de combustible.

Termocuplas: Utilizadas para medir temperaturas en distintos puntos del sistema.

Sistema de refrigeración con agua: Utilizado para mantener una temperatura

adecuada de trabajo del motor. (Figura 3.2)

Aparato Orsat: o análisis Orsat, sirve para la medición de la fracción en volumen de

cada compuesto, compuestos que son los gases de escape del motor Otto en este

caso. El aparato Orsat (Figura 3.3) consiste en 3 tubos de absorción en los cuales se

permiten filtrar selectivamente los distintos compuestos de los gases de escape. En

la experiencia se utilizaron los siguientes:

o Un tubo tiene una solución de hidróxido de potasio (KOH) que absorbe CO2.

o Otro tubo contiene una solución alcalina de ácido pirogálico que absorbe O2.

o El último tubo contiene una solución ácida de cloruro cuproso (CuCl) que

absorbe CO.

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Figura 3.2. Motor Suzuki 1000 en el banco de pruebas, donde se ve el caudalímetro del

sistema de refrigeración (círculo rojo)

Figura 3.3. Aparato Orsat, tubos ordenados izquierda a derecha según descripción.

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4. Metodología

Inicialmente se provee de combustible al motor Otto para poder ponerlo en marcha.

Durante este proceso el freno se encuentra desconectado del sistema o con una carga muy

pequeña para facilitar que el motor parta y se caliente lo suficiente para alcanzar un

régimen estable. Una vez alcanzado este régimen se empieza a acelerar el motor a la vez

que se empieza a aplicar carga al freno, evitando de esta forma que el motor se embale. Se

abre completamente el acelerador y se mantiene así durante toda la experiencia. Se frena el

motor para que alcance las 3000[RPM], para estar cerca de la velocidad de consumo

optimo, las que se miden con el tacómetro digital.

Con la probeta dosificada y el cronómetro se determina el tiempo que requiere el motor

para consumir 50cc de combustible.

Se mide la temperatura del agua de entrada y salida del motor, su caudal, la temperatura

ambiente y su humedad relativa, fuerza indicada por el dinamómetro y los porcentajes de

CO2, O2 y CO en los gases secos con el analizador Orsat.

Los resultados esperados al final de la experiencia deberían ser:

33% de pérdida de energía en el agua de refrigeración

37% de pérdida de energía en los gases de escape

6% de pérdida de energía por frotamiento interno del motor

27% de pérdida de energía transformada en potencia al freno

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5. Memoria de Cálculo

Para realizar el balance térmico necesitamos las ecuaciones que rigen este proceso. La

ecuación (1) general que rige este proceso representa los principales flujos energéticos en

un volumen de control solidario al motor:

∆= �� − (�� + �� + �� + ��) (1)

Dónde:

Δ: Pérdidas por conducción, convección y radiación.

Q0: Es la energía química potencial obtenida de una combustión estequiométrica.

�� = ��̇ ∗��� (2)

��̇: flujo másico del combustible.

PCI: poder calorífico inferior del combustible.

Q1: Es la potencia entregada por el motor hacia el freno Froude.

�� = (� ∗9,81)∗� ∗� ∗��

�� (3)

F: Fuerza en el freno Froude.

b: largo del brazo del freno Froude.

N: Revoluciones que está girando el eje.

Q2: Calor cedido al líquido de refrigeración.

�� = ����̇ ∗��,��� ∗(�� − ��) (4)

����̇ : flujo másico del agua refrigerante.

��,��� : Calor específico del agua.

Ts,Te: Temperatura de salida y de entrada del agua refrigerante.

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Q3: Energía química perdida por no quema del combustible.

�� = 5685∗� ∗̇% ��

% ����% �� (5)

�:̇ flujo másico de carbono fijo que es combustionado. Se supone que el

combustible en la experiencia reacciona como el iso-octano (C8H18), lo que se

traduce en que una proporción de 0,8421 gr de carbono por gramo de combustible,

es decir, el flujo másico del carbono corresponde a 84,21% del flujo másico del

combustible.

� =̇ 0,8421∗��̇ (6)

%CO, %CO2: fracciones de volumen de CO y CO2 que hay en los gases de escape.

Q4: Calor pérdido por los gases de escape.

�� = ����̇ ∗��,�� + ��̇ ∗��,��∗(�� − ��) (7)

Subíndice ‘gs’ refiere a los gases secos pertenecientes a los gases de escape,

mientras el subíndice ‘v’ representa los vapores contenidos en estos. �̇ y c son los

flujos másicos y calores específicos respectivamente.

��,��: Temperatura de los gases de escape y ambiente respectivamente.

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Mediciones en la experiencia

Velocidad de giro [RPM] 3013

Largo del brazo de freno [m] 0,358

Fuerza al freno [kgf] 14,4

Tiempo de consumo de 50[cc] [s] 26

Caudal del agua de refrigeración [L/s] 0,32

Temp entrada de Agua [ºC] 50

Temp salida de Agua [ºC] 55,4

Temp ambiente [ºC] 22

Humedad relativa [%] 54

Temp salida Gases de escape [ºC] 766,2

Fraccion Volumen de CO2 [%] 1,5

Fraccion Volumen de O2 [%] 7

Fraccion Volumen de CO2 [%] 0

Tabla 5.1. Resumen mediciones.

Datos

PCI de gasolina (iso-octano) [Kcal/Kg] 10642

Calor específico del agua a 52ºC [Kcal/Kg*K] 1

Densidad del agua a 52ºC [Kg/L] 0,98

Calor específico de Aire seco a 766ºC [Kcal/Kg*K] 0,2742

Calor específico del vapor a 766ºC [Kcal/Kg*K] 0,5526

Densidad de gasolina [Kg/L] 0,76

Tabla 5.2. Datos útiles conocidos.

Se calcula Q0 según la ecuación (2), donde ��̇ = 5,26 [��

��] , por lo tanto

�� = 55976,92 �����

���.

Se calcula Q1 según ecuación (3), por lo tanto �� = 13742,6 �����

���.

Se calcula Q2 según ecuación (4), por lo tanto �� = 6096,4 [����

��].

Se calcula Q3 según ecuación (5), donde, según ecuación (6) � =̇ 4,42 [��

��], aunque

%CO=0, por lo tanto �� = 0 [����

��].

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Se calcula Q4 según la ecuación (6), donde en esta falta determinar ���̇ y ��̇. Estos 2

valores se determinan como sigue, utlizando los porcentajes en volumen del anhídrido

carbonico y monóxido de carbono:

������ + �(�� + 3,76�� + 0,61���)→ 1,5��� + 0�� + ��� + ����

Entonces:

�: 8� = 1,5 + 0 → � = 0,1875

�: 18� + 2 ∗0,61� = 2�

��: � �1 +0,61

2� = 1,5 +

4,2

2+�

2

��: 3,76� = �

Despejando:

1,22� − 2� = −3,375 (8)

1,305� − 0,5� = 3,6 (9)

Resolviendo el sistema (8) y (9), implica β=4,44 y γ=4,39.

Luego δ=16,7. Entonces:

0,1875����� + 4,44(�� + 3,76�� + 0,61���)→ 1,5��� + 0�� + 16,7�� + 4,39���

Con la ecuación química anterior se puede determinar la relación Aire/Combustible:

��

�� =

4,44∗32+ 4,44 ∗3,76∗28+ 4,44∗0,61 ∗18

0,1875∗114= 30,79

������������

Luego:

��̇ = 30,79��̇

Además se puede calcular la relación másica entre el vapor y los gases secos de escape:

��̇

���̇=

4,39∗18

1,5 ∗44 + 16,7 ∗28= 0,148

Sabemos que ��̇ = ���̇ + ��̇ = 30,79��̇

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Entonces:

���̇ =30,79

1,148��̇ = 26,82��̇ = 141[

��

��]

��̇ = 0,148∗26,82��̇ = 20,86[��

��]

Finalmente se puede calcular el calor perdido en los gases de escape con el ecuación (7),

por lo tanto �� = 37347,55 [����

��] .

Se presenta una tabla resumen de las pérdidas, calores y potencias entregadas.

Calor, energía y potencia para balance térmico

Energía Química potencia Q0 [Kcal/Hr] 55976,92

Potencia al freno Q1 [Kcal/Hr] 13742,6 24,55%

Calor cedido al líquido de refrigración Q2 [Kcal/Hr] 6096,4 10,89%

Energía Química perdida por no quema Q3 [Kcal/Hr] 0 0%

Calor perdido por los gases de escape Q4 [Kcal/Hr] 37347,55 66,72%

Balance térmico Δ [Kcal/Hr] -1209,6

Tabla 5.3. Tabla resumen de calor, energía y potencia de cada caso.

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6. Análisis de Resultados

En primer lugar se hace un análisis de errores cometidos durante la experiencia asociados a

los instrumentos y el factor humano:

El dinamómetro presenta un error de 0,5[Kgf], por separación de marcas,

presentando además una alta inestabilidad de la aguja durante la medición.

El tacómetro infrarrojo presenta una alta inestabilidad, esto principalmente debido a

un factor humano como el pulso de la persona con el instrumento.

Existe además un error asociado en la medición del caudal de combustible, debido

al retraso en reacción del operario a cargo de un cronometro manual.

El error más importante está asociado a la medición de los gases de escape con el

aparato Orsat. Uno de los errores en la medición fue medir los gases de escape

posterior al convertidor catalítico, por tanto los gases de escape no fueron medidos

en la salida directa del motor, sino que después de una transformación química de

estos, afectando la cuantificación de estos. Otro error del aparato Orsat tiene que ver

con la fuga de gases o enfriamiento de estos, además de la capacidad de absorción

de los reactivos utilizados. Es por esto que se obtuvo una mala cuantificación de la

energía química no combustionada y el calor perdido por los gases de escape. A

pesar de ser erróneos, puede dar nociones generales de cuantificación general.

En el análisis de la tabla (5.3) se puede ver que entre 24% y 25% de energía química se

transforma en energía mecánica útil siendo muy cercano al valor esperado que es de un

27%. Comparando con los flujos de potencia térmica hacia el agua de refrigeración y

gases de escape, se ve que estos 2 últimos son significativos y comparables con el

trabajo mecánico generado. Esto se traduce por los rendimientos que se tienen en

motores Otto antiguos con carburador.

Los resultados de emisiones presentan una elevada cantidad de Oxígeno, baja en

Dióxido de Carbono y nula para el Monóxido de carbono. La nula cantidad de

monóxido de carbono se explica por tomar la medición después del convertidor

catalítico, siendo este transformado en dióxido de carbono. Sin embargo existe una baja

cantidad de dióxido de carbono, en comparación con el oxígeno, donde esto se puede

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deber a la poca capacidad del reactante de reaccionar con el dióxido de carbono. Debido

a lo anterior se tiene nula precisión y poder de análisis sobre la perdida de energía

química no combustionada ni del calor perdido por los gases de escape, por

consiguiente malos resultados globales del balance térmico, donde se puede ver una

diferencia positiva entre el potencial químico del combustible y la generación de

potencia ya sea en calor o energía mecánica y perdidas. Cuantitativamente si se

compara el valor del calor por gases de combustión obtenido durante la experiencia y el

esperado se tiene: 66,72% versus 37%. En un primer acercamiento, este error da cuenta

en el cálculo de la relación aire/combustible, con valor calculado de 30,79 [graire/grfuel],

en donde lo esperado es un valor entre 12 y 16 para la gasolina.

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7. Conclusiones

Los múltiples elementos que componen el montaje experimental permiten realizar un

adecuado análisis sobre los principales flujos de energía provenientes de la combustión en

un motor de combustión interna, sin embargo urge cambiar el analizador de gases de

combustión debido a su antigüedad, poco mantenimiento y falta de calibración.

Existen valores obtenidos que permiten clarificar el por qué se obtienen esos rendimientos

en los motores de combustión interna, donde gran parte de energía se disipa en calor y

transferencia de este para asegurar el correcto funcionamiento de componentes del motor,

es decir, la perdida de calor por refrigeración es necesaria, así como el desechar los gases

de escapes a elevadas temperaturas.

Además se comprendió el funcionamiento del motor con las características del montaje

experimental, lo que ayuda a familiarizar con estas máquinas y equipos para eventuales

mejoras y conocimiento base para sistemas modernos. Concretamente una conversión de

potencia más eficiente.

Finalmente concluir que los errores en las mediciones durante la experiencia fueron

fundamentales para no obtener los resultados esperados.

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8. Bibliografía

1. Sergio Courtin, Apunte de Laboratorio de Máquinas, 2006.

2. Moran & Shapiro, Fundamentals of Engineering Thermodynamics 2nd Edition, 2004.