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2013
CALCULO TERMO-ENERGETICO Y ANALISIS DE LAS PROPIEDADES
DINAMICO TRACCIONALES DEL MOTOR TURBOALIMENTADO DIESEL MAZDA 2 1.4
CRTD
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE INGENIERA
ESCUELA DE INGENIERA MECNICA
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2
CALCULO TERMO-ENERGETICO Y ANALISIS DE
LAS PROPIEDADES DINAMICO TRACCIONALES DEL
MOTOR TURBOALIMENTADO DIESEL MAZDA 2 1.4
CRTD
CURSO : MOTORES DE COMBUSTION INTERNA
DOCENTE : Ing. BACILIO QUIROZ, Javier
ALUMNO : RODRIGUEZ ABANTO, Luis Daniel
Trujillo Per
2013
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3
1. TITULO
CALCULO TERMO-ENERGETICO Y ANALISIS DE LAS PROPIEDADES
DINAMICO TRACCIONALES DEL MOTOR TURBOALIMENTADO DIESEL
MAZDA 2 1.4 CRTD
2. RESUMEN
El presente proyecto trata sobre la investigacin, clculo y anlisis de los
parmetros termoenergeticos que afectan el funcionamiento del motor.
Para este fin se us los datos proporcionados por la casa productora
automotriz Mazda, seleccionando un motor turboalimentado MAZDA 2 1.4
CRTD. Este motor es aplicado para automviles de transporte y uso
personal.
Para el desarrollo de este proyecto primero se determin los principales
parmetros de operacin en el proceso de: admisin, compresin,
combustin y expansin. Con todos los datos anteriormente obtenidos y
con los parmetros constructivos del cilindro y el motor, se construy las
diagramas indicados del ciclo real del motor Mazda 2 1.4 CRTD
turboalimentado.
De esta manera se comprob que aplicando los conocimientos adquiridos
en el curso de Motores de Combustin Interna, no solo son tericos, sino
que es posible analizar un motor termo energticamente a partir de algunos
datos proporcionado por las casas motrices.
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4
3. INDICE ANALITICO
4. INTRODUCCION
4.1. REALIDAD PROBLEMTICA
4.2. ESTADO DEL ARTE
4.3. OBJETIVOS
4.4. PERSPECTIVA DE DESARROLLO
4.5. IMPACTO AMBIENTAL
4.6. USO DE COMBUSTIBLES RENOVABLES
4.7. ESPECIFICACIONES TECNICAS Y
DETALLES DEL MOTOR
5. MARCO TEORICO
6. MATERIALES Y METODO
7. CALCULOS, RESULTADOS Y DISCUSION
7.1. PARAMETROS DE LA SUSTANCIA DE
TRABAJO
7.2. PRODUCTOS DE LA COMBUSTION
7.3. CANTIDAD TOTAL DE LOS PRODUCTOS
DE LA COMBUSTION
7.4. PARAMETROS DEL MEDIO AMBIENTE Y
DE LOS GASES RESIDUALES
7.5. PARAMETROS DEL PROCESO DE
ADMISION
7.6. PARAMETROS DEL PROCESO DE
COMPRESION
7.7. PARAMETROS DEL PROCESO DE
COMBUSITION
7.8. PARAMETROS DEL PROCESO DE
EXPANSION
7.9. COMPROBACION DE LA TEMPERATURA
DE LOS GASES RESIDUALES
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5
7.10. PARAMETROS INDICADOS DEL CICLO
OPERATIVO DEL MOTOR
7.11. PARAMETROS EFECTIVOS
7.12. PRINCIPALES PARAMETROS
CONSTRUCTIVOS DEL CILINDRO Y DEL
MOTOR
7.13. PARAMETROS ENERGETICOS Y
ECONOMICOS DEL MOTOR
7.14. CONSTRUCCION DEL DIAGRAMA
INDICADO
7.14.1. INICIO DE LA COMBUSTION
7.14.2. COMBUSTION VISIBLE
7.14.3. PROCESO DE ESCAPE
7.14.4. PROCESO DE ADMISION
7.14.5. GRAFICAS DEL DIAGRAMA
INDICADO REAL
7.15. BALANCE TERMO-ENERGETICO
7.16. CONSTRUCCION DE CURVAS
CARACTERISTICAS EXTRERNAS DE
VELOCIDAD
7.17. CONSTRUCCION DE CURVAS
CARACTERISTICAS DE CARGA DEL
MOTOR
8. CONCLUSIONES
9. RECOMENDACIONES
10. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
ANEXOS
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4. INTRODUCCION
4.1. REALIDAD PROBLEMTICA
En pleno siglo XXI donde prima la competencia, y siendo el sistema
consumista el que hace que las casas motrices ltimamente se han
dedicado a fabricar motores con muy poca vida til. Siendo as se
presentan muchas dificultades a la hora de seleccionar una marca de
automvil para comprar.
Es por eso que resulta imprescindible para un Ing. Mecnico tener la
capacidad de hacer un anlisis termo energtico y de las propiedades
dinamico-traccionales de cualquier motor, usando algunos datos de diseo
datos proporcionados por las casas motrices.
Haciendo una buena eleccin de un motor se contribuir, al aumento de
productividad, ahorro de dinero y lo ms importante disminucin de las
emisiones contaminantes que es propia de la combustin de combustibles
fsiles
.
4.2. ESTADO DEL ARTE
Desde el inicio el hombre ha buscado la forma de simplificar el trabajo
mediante el uso de herramientas, dispositivos y mquinas.
El uso de mquinas que convierten un tipo de energa a otro tipo ha
permitido que el hombre realice actividades que incluso rebasen su
capacidad fsica. Las mquinas surgen como necesidad de aprovechar la
fuerza de la naturaleza con un propsito definido. Una de estas mquinas
se conoce como Motores de Combustin Interna, el cual, transforma la
energa calorfica en energa mecnica.
Primeros antecedentes de los motores de combustin interna:
El desarrollo de los motores de combustin interna se inicia en los
aos 60 del siglo pasado (motor Lenior-Francia 1860, motor Otto
Alemania 1867).
A fines del siglo XIX, cuando fue organizada la refinacin industrial
del petrleo los motores de combustin interna que funcionaban con
combustible lquido (gasolina, kerosene) obtuvieron mayor difusin.
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En el ao 1899 fue construido en Rusia el primer motor a gasolina
(motor Kostovich).
En 1899 fue fabricado en Petersburgo, por primera vez en la historia
del mundo un motor econmico y capaz de funcionar con encendido
por compresin (Diesel). Transcurrido un corto tiempo, la estructura
del motor diesel fue perfeccionada (motores diesel sin compresor).
En Rusia fueron construidos los motores diesel sin compresor
diseados por G. V. Trinkler (ciclo dual o mixto) en 1901.
En 1906 el profesor de la Escuela Tcnica de Mosc V. I.
Grinevetski propuso el primer mtodo de clculo trmico del motor.
A partir de ah muchos pases industriales se dedicaron
exclusivamente a la produccin de vehculos mejorando cada da la
tecnologa de diseo y produccin.
Tpicos relacionados al clculo termo-energtico del motor
Mazda 2 1.3 CRTD
Al ser el motor Mazda 2 1.4 CRTD nuevo en el mercado y para una
aplicacin de uso personal, es decir no es de inters colectivo no
existe estudios hechos del clculo termo energtico y de las
propiedades dinmico-traccionales del motor Mazda. Claro est que
la casa motriz cuenta con toda la informacin al detalle de lo que se
har en este presente trabajo, pero es de uso exclusivo solo para
los trabajadores de la empresa.
4.3. OBJETIVOS
4.3.1. OBJETIVO GENERAL
Analizar las propiedades que rigen el funcionamiento y
operacin del motor Mazda 2 1.4 CRTD, a partir de los datos
proporcionados por la casa motriz.
4.3.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS
Evaluar y graficar las curvas caractersticas externas de
velocidad del motor.
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Comparar los resultados del anlisis termo-energtico con los
datos proporcionados por el fabricante Mazda.
Analizar qu tan perjudicial es el motor Mazda 2 1.3 CRTD para
el medio ambiente.
4.4. PERSPECTIVA DE DESARROLLO
Con este trabajo se desea aportar al fortalecimiento y mejoramiento del
conocimiento de los principales parmetros de un motor a la hora de
seleccionar y disear un motor.
Claro est que es posible implantar polticas de desarrollo cientfico -
tecnolgico para el diseo y fabricacin de motores de combustin interna
en el Per. Como futuros ingenieros mecnicos tenemos que ser partcipes
de este gran sueo, de esta manera lograremos contribuir a la sociedad
para un desarrollo integro.
Este proyecto es el primer paso en el mundo de los motores de combustin
interna, pues estamos convencidos que en los aos venideros se lograra
que el Per se convierta en un pas industrial productor de automviles.
4.5. IMPACTO AMBIENTAL
Toxicidad de los motores de combustin interna
En la actualidad, los motores de combustin interna producen cerca del 85%
de la energa que se consume en la tierra, de los cuales los motores de los
vehculos constituyen la mayor parte.
Fuentes de emisiones toxicas de los motores de combustin
interna:
El combustible lquido que se emplea en los MCI contiene: carbono,
hidrogeno, y en cantidades mnimas oxgeno, nitrgeno y azufre. Sin
embargo, la composicin de los gases de escape es ms compleja.
Cerca del 1% de los gases de escape contiene aproximadamente 300
sustancias, de las cuales la mayora es toxica. Las principales fuentes
de emisiones toxicas son:
Los vapores del combustible: conducidos a la atmosfera
desde el tanque de combustible, carburador, elementos de
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alimentacin de combustible. Generalmente se presenta en los
motores gasolineros debido a su alta volatilidad. Representa un
20% de las emisiones toxicas.
Los gases del carter: representa la mescla de combustin
incompleta del combustible, que por las holguras entre los
anillos del pistn y los cilindros, penetran desde la cmara de
combustin y se depositan en el carter. En los motores disel
es muy pequea la emisin de estos gases 0.2 0.3%, a pesar
de esto ocasionan la irritacin del aparato respiratorio,
causando malestar en el conductor.
Los gases de escape: es la principal fuente de emisiones
toxicas, representados por los productos de combustin tales
como: monxido de carbono y los xidos nitrosos, holln,
sustancias cancergenas, aldehdos, etc.
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4.6. USO DE COMBUSTIBLES RENOVABLES
Perspectivas en el desarrollo de los Biocombustibles en el Per
El Per se encuentra en un proceso de cambio de su matriz energtica
considerando el uso de los biocombustibles.
Los primeros pasos para promover el uso de los biocombustibles en el
Per ha sido dados por el estado peruano: Se promulgo la ley y su
reglamento, que incluyen obligaciones para las mezclas.
En la cadena productiva de los biocombustibles se observa que el eslabn
ms dbil es el sector agrario, cuya debilidad se da por la escasez y es
muchos casos falta de titulacin de tierras, falta de agua, etc.
La produccin de gasolina en el Per es mayor a los requerimientos del
mercado y su consumo viene disminuyendo por que tiene dos
competidores importantes: el GNV y el GLP que la vienen desplazando.
Los Biocombustibles
Los biocombustibles o biocarburantes se utilizan las dos denominaciones
de forma indistinta son combustibles lquidos o gaseosos producidos a
partir de biomasa, entendiendo por tal la materia orgnica biodegradable y
que no se encuentra en estado fsil, y que generan energa mediante un
proceso de transformacin (fermentacin alcohlica, cidos grasos o
descomposicin anaerbica).
Los biocombustibles se utilizan, mayoritariamente, en el sector del
transporte como:
Biodiesel: producido a partir de la reaccin de los aceites vegetales o
grasas animales con alcohol.
Gases de escape Gases del carterVapores de
Combustible
CO 95 5 0
CxHy 55 5 40
Nox 98 2 0
CO 98 2 0
CxHy 90 2 8
Nox 90 2 0
De carburador
Diesel
Tipo de motor
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Bioetanol: se produce a partir de la fermentacin de materia orgnica con
altos contenidos en almidn (como cereales, caa de azcar y
remolacha).
Biogs: es un gas compuesto principalmente por metano, formado por la
degradacin de materia orgnica.
El uso de los biocombustibles ha sido saludado como la solucin para paliar
las elevadas emisiones de CO2 que provoca el sector del transporte y la
sustitucin de los carburantes de origen fsil, aunque tambin han surgido
algunas voces crticas sobre la proliferacin de este recurso energtico.
Greenpeace seala que los biocombustibles son, hasta el momento, la
alternativa a los derivados del petrleo, pero advierte que es necesario aplicar
una serie de criterios para evitar posibles efectos medio ambientales y
sociales negativos.
Produccin de Biocombustibles en el mundo.
4.7. ESPECIFICACIONES TECNICAS Y DETALLES DEL MOTOR
Los datos o especificaciones tcnicas del motor Mazda 2 1.4 CRTD,
proporcionado por el fabricante son los siguientes:
COMBUSTIBLE Diesel # cetano 45
CILINDRADA 1399 cc
POTENCIA 68 caballos @ 4000RPM
PAR 160 N-m @ 2000 RPM
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TRACCION delantera
LARGO 3885 mm
ANCHO 1695 mm
ALTO 1475 mm
MALETERO 250 litros
PESO 1045 Kg
CONSUMO MEDIO 4.3 L/100Km
ACELERACION (0 100Km/h) 15.5
VELOCIDAD MAXIMA (Km/h) 162
NUMERO DE CILINDROS 4 en lnea
EMISIONES DE CO2 (g/km) 114
POSICION DEL MOTOR Delantero transversal
DIAMETRO X CARRERA 73.7x82
RELACION DE COMPRESION 18:1
VALVULAS POR CILINDRO 2
DISTRIBUCION Un rbol de levas en la culata
ALIMENTACION Turbocompresor
CAJA DE CAMBIOS Manual de 5 velocidades
DESARROLLO (Km/h @ 1000RPM) nd
5. MARCO TEORICO
5.1. El Motor Disel
El motor disel llamado as en 1892 en honor a su inventor, el ingeniero alemn
Rudolf Cristian Karl Disel nacido en Pars. Este motor emplea un principio
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diferente al Otto con la caracterstica de no necesitar chispa elctrica para realizar
la combustin, sino se realiza al inyectar el gasleo pulverizado a presin en la
cmara o precmara. Se emplea con mayor frecuencia en camiones, autobuses y
automviles.
Es fundamental alcanzar una temperatura muy alta para que se origine el
autoencendido del gasleo. En fro es necesario pre-calentar el gasleo o emplear
combustibles ms pesados que los empleados en el motor de gasolina,
emplendose la fraccin de destilacin del petrleo fluctuando entre los 220C y
350C, que recibe la denominacin de gasleo o gasoil en ingls.
Los motores con alimentacin normal por presin atmosfrica, se denominan
motores aspirados o atmosfricos, mientras que los motores equipados con
dispositivos que comprimen el aire en los cilindros se denominan motores
sobrealimentados.
5.2. Ciclo terico del motor disel
En el motor disel veloz de cuatro tiempos, el pistn desarrolla cuatro carreras
alternativas mientras el cigeal gira dos vueltas (720).
Esquema de un motor de cuatro tiempos.
Admisin: La vlvula de admisin se abre instantneamente y el pistn
efecta su primera carrera desde el punto ms alto PMS (punto muerto
superior) al PMI (punto muerto inferior), aspirando solo aire de la
atmsfera, purificado a travs del filtro. La vlvula de admisin permanece
abierta durante toda la carrera del pistn, con objeto de llenar todo el
volumen del cilindro. Durante este tiempo, la muequilla del cigeal gira
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180. Al llegar al PMI se supone que la vlvula de admisin se cierra
instantneamente y el cilindro queda completamente lleno de aire.
Compresin: Las dos vlvulas estn completamente cerradas y el pistn
comprime el aire a gran presin desde el PMI al PMS, segn la relacin de
compresin est entre 14 y 22 veces del volumen de la cmara de
combustin, quedando slo aire alojado en la cmara de combustin. La
muequilla del cigeal gira otros 180 y completa la primera vuelta del
motor. De la presin alcanzada en el interior de la cmara de combustin,
se obtiene una alta temperatura del aire (600-650C), superior al punto de
inflamacin del combustible. La energa necesaria para la compresin es
aportada por el volante de inercia.
Combustin Expansin: Las vlvulas siguen cerradas y el pistn en PMS,
se inyecta el combustible pulverizado (regulada por la bomba de inyeccin)
en el interior del cilindro. Como la presin en el interior del cilindro es muy
elevada, la inyeccin del combustible debe realizarse a una presin entre
150 y 300 atmsferas (151.98 y 303,97 bares). Al momento de la inyeccin,
el combustible es pulverizado y se mezcla con el aire y se inflama de forma
inmediata. Se eleva la temperatura interna, la presin es constante
mientras dura la aportacin de calor y el pistn avanza hacia el PMI.
Durante este tiempo, es la carrera motriz, la nica que aporta trabajo al
ciclo y el pistn efecta su tercer recorrido y la muequilla del cigeal gira
otros 180 .
Escape: Al llegar el pistn al PMI, la vlvula de escape se abre
instantneamente y permanece abierta. El pistn durante su recorrido
ascendente, expulsa a la atmsfera los gases remanentes que no han
salido, efectuando el barrido de gases quemados lanzndolos al exterior, la
presin y la temperatura bajan rpidamente. Cuando el pistn llega al PMS,
la vlvula de escape se cierra inmediatamente. El pistn desciende en
admisin y el ciclo se repite. La muequilla del cigeal efecta otro giro de
180, completando las dos vueltas del rbol motor que corresponde al ciclo
completo de trabajo.
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Diagrama P-v del ciclo ideal del motor disel.
Diagrama T-s del ciclo ideal del motor disel.
5.3. Ciclo real de un motor disel
Debido a las condiciones propias dentro de las cules se desarrollan los procesos
reales, presentan un comportamiento diferente con el terico y con el fin de
conseguir un buen vaciado de los gases residuales de la combustin que no
contiene oxgeno y el mximo llenado del cilindro, los motores disponen de
avances y retrasos en los ngulos de la distribucin.
De todo esto se puede concluir que los ciclos reales en los motores a pistn
constan de los siguientes procesos:
o El intercambio de gases, que incluye el
escape de los gases quemados, el barrido de la
cmara de combustin y la admisin de la carga fresca
(aire para los motores disel).
o La compresin que va acompaada con
elevacin de la energa interna del fluido operante.
o La combustin acompaada de
desprendimiento de calor y la expansin (carrera de trabajo).
El carcter con que transcurren los procesos de compresin, combustin y
expansin no depende del nmero de tiempos del motor, sino que se define
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solamente del modo de organizacin del proceso de formacin de la mezcla y del
encendido de la misma. El proceso de intercambio de gases depende del nmero
de tiempos del motor.
5.4. Diferencias entre el ciclo terico y real de un motor disel
El ciclo real con respecto al terico sufre algunas importantes modificaciones al
poner a funcionar el motor, en la prctica. Si el motor pudiese funcionar como
muestra el ciclo terico, obtendramos la mxima potencia con el mnimo consumo
de combustible. Cuanto ms se parezca el diagrama prctico con el terico, mejor
sern las prestaciones del motor.
Las diferencias con el ciclo real, se dan por las siguientes razones:
Por rozamientos del aire, en el ciclo terico se supone que la admisin y
el escape se realizan a presin constante, considerando que el fluido activo
circula por los conductos de admisin y escape sin rozamiento, en el ciclo
real la aspiracin lo realiza a presin inferior a la atmosfrica por lo que en
el tiempo de admisin el cilindro no puede llenarse por completo, en el ciclo
aparece una prdida de carga debida al rozamiento, que causa una notable
prdida energtica.
Volumen inicial de aire menor, al que tericamente se espera, como el
cilindro no pudo llenarse por completo, no se consigue compresin hasta
que el pistn haya recorrido parte de su carrera ascendente.
Prdidas de calor, del fluido que se transmite en cierta parte a travs de
las paredes las cuales son bastantes importantes en el ciclo real, ya que al
estar el cilindro refrigerado, se asegura el ptimo funcionamiento del pistn,
pero debido a estas prdidas de calor y a las fugas que pueden producirse
por los aros y asientos de vlvulas.
Tiempo de apertura y cierre de la vlvula de admisin y de escape,
aunque de acuerdo al ciclo terico la apertura y cierre de las vlvulas
ocurre instantneamente, en la prctica es totalmente imposible, esta
accin se da en un tiempo relativamente largo, por lo que, para mejorar el
llenado y vaciado del cilindro, las vlvulas de admisin y de escape se
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17
abren con anticipacin y de la misma forma se cierran con retraso, lo que
provoca una prdida de trabajo til.
Combustin no instantnea, como en el ciclo terico se supone que la
combustin se realiza instantneamente, en el ciclo real de combustin
dura un cierto tiempo. Con lo cual, si el encendido o la inyeccin tuviese
lugar justamente en el PMS, la combustin ocurrir mientras el pistn siga
desplazndose, y la consecuencia de esto es la prdida de trabajo.
Para evitarlo se recurre a anticipar la inyeccin de forma que la combustin
tenga lugar, en su mayor parte, cuando el pistn se encuentra lo ms cerca
posible del PMS para recuperar algo del trabajo perdido.
Cabe destacar que en los motores disel, las prdidas por rozamientos de aire son
inferiores a las que se producen en los de ciclo otto, pues no hay estrangulamiento
al paso del aire durante la admisin, debido a que estos motores no utilizan
carburador.
5.5. Ciclo terico de un motor disel sobrealimentado
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18
En el motor disel sobrealimentado el sentido de la grfica es el mismo, a
diferencia que los parmetros de presin y volumen de los ciclos varan.
Diagrama del ciclo terico del motor disel sobrealimentado
5.6. Ciclo real de un motor disel sobrealimentado
El motor disel veloz rpido sobrealimentado tiene menores ngulos en el AAA y en
RCE debido a que la entrada de aire en el cilindro es forzada y la inercia del gas en
estos casos tiene menos importancia para el llenado.
5.7. Parmetros ms importantes del motor disel
5.7.1. La Cilindrada:
Se entiende por cilindrada de un motor al volumen de mezcla de aire
gasolina que ingresa a los cilindros del motor en el tiempo de admisin.
Cuando se dice que un motor de 4 cilindros tiene una cilindrada de 1,6
litros, es decir de 1 600 centmetros cbicos, quiere decir que en cada
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19
uno de los cilindros puede ingresar 400 centmetros cbicos de mezcla
en el tiempo de
admisin.
5.7.2. Relacin de Compresin
Es la relacin que existe entre el volumen que ocupa la mezcla de
gasolina y aire que ha ingresado en el cilindro en el tiempo de admisin
cuando el pistn est en el P.M.I. y el volumen en que ha quedado
reducida al terminar el tiempo de compresin cuando el pistn est en
el P.M.S.
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Si la relacin de compresin es demasiado alta, la mezcla de aire y
combustible se sobrecalentar y se encender antes de que la buja
lance la chispa, lo cual puede daar el motor. Las relaciones de
compresin de 10:1 o de 11:1 fueron comunes en los aos 60, debido
al alto octanaje del combustible que se quemaba uniformemente. Otro
inconveniente de las altas relaciones de compresin eleva las
temperaturas de combustin y aumenta la emisin de los xidos de
nitrgeno (NOx). En la dcada de los 70, los fabricantes de
automviles redujeron la relacin de compresin y las compaas de
hidrocarburos introdujeron al mercado gasolinas de menor octanaje
para cumplir con los lmites ms estrictos de emisin de gases txicos.
La relaciones de compresin de los motores actuales de gasolina van
desde 8:1 hasta 9:1.
Los motores Diesel tienen relaciones mayores de compresin por que
dependen de la alta compresin para crear el calor para la ignicin del
combustible (combustin). Las relaciones de compresin en este caso
van aproximadamente desde 16:1 hasta 22:1.
5.7.3. Par Motor
El torque depende de la fuerza que logran los gases en el tiempo de
expansin. El torque mximo se consigue cuando el llenado de los
cilindros es mximo, lo que equivale a quemar mayor cantidad de
combustible para expandir mejor los gases y por ende desplazar con
mayor fuerza los pistones.
El torque tambin depende del largo del brazo del cigeal, por ejemplo
en los motores de mayor tamao, estos estn diseados con los brazos
del cigeal ms largo lo que ocasiona mayor torque.
El torque del motor se mide en el extremo del cigeal al lado de la
volante. Se instala un embrague de friccin sujetando un extremo del
cigueal al lado de la volante y el otro extremo conectado a una
bscula.
Se aprieta el embrague de friccin de 0,6 m. de largo (radio) y marca
una fuerza sobre la bscula, obteniendo de esta manera un torque a
una determinada RPM (Revoluciones Por Minuto)
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21
5.7.4. Curvas caractersticas del motor disel
5.8. Motivos para sobrealimentar
El principal objetivo de la sobrealimentacin nace en un intento de aumentar el
rendimiento volumtrico del motor sin tener que aumentar la cilindrada del mismo, en el
cual el tiempo de aspiracin que resulta demasiado breve, sumado con los roces del
aire en las paredes del mltiple de admisin, vlvulas, filtros de aire y todo componente
que pueda llegar a involucrarse en el sistema de admisin, suman una gran desventaja
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al motor debido a que el cilindro no alcanza el valor de la presin atmosfrica y la
potencia motor no alcanza en valor esperado.
Considerando que el rendimiento volumtrico es el porcentaje de llenado de un cilindro.
Entre dos motores iguales, el que tenga mayor rendimiento volumtrico genera ms
potencia al disponer de mayor nmero de molculas de oxgeno, pues permite quemar
mayor cantidad de combustible y con lo que se consigue aumentar la potencia
desarrollada por el motor y a la vez se conserva mejor el ambiente debido a que los
gases productos de la combustin se reducen.
As pues, solo se consigue aumentar la potencia, sin variar la cilindrada ni el rgimen
del motor, mediante la colocacin en el interior del cilindro de un volumen de aire
(motor diesel veloz) o de mezcla (aire y combustible para el motor a gasolina), mayor
de la que ingresa en los motores atmosfricos.
La falta de aire, o mejor dicho su enrarecimiento, es tal que en un motor a tres mil
metros de altura se reduce la potencia aproximadamente un 40% de la potencia
desarrollada en condiciones normales. En esos casos no se trata de conseguir mejores
valores sino de conservar los nominales.
5.9. Sistema de sobrealimentacin
En los motores disel veloz est muy extendido el empleo de la sobrealimentacin
ya que mejora el rendimiento y aumenta la potencia manteniendo la misma
cilindrada.
Este mtodo consiste en forzar la entrada de aire en el cilindro, para lo cual se
monta un dispositivo en el conducto de admisin que comprime el aire antes de
introducirlo, con lo que se logra aumentar la masa de aire admitida para un mismo
volumen, y por consiguiente puede aumentarse tambin la cantidad de
combustible que es posible quemar en cada ciclo, obtenindose as una mayor
curva de par para el motor y mayor potencia.
Los aparatos de sobrealimentacin para motores de combustin se denominan
generalmente compresores.
Existen dos formas muy difundidas de sobrealimentar un motor: por medio del
Compresor Volumtrico llamado Supercargador, o un Turbocargador.
Supercargadores: Son aquellos que aprovechan la energa mecnica del
motor a travs de engranajes o correas para impulsar un compresor
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23
volumtrico y hacer circular el aire a mayor velocidad de la que proporciona
la presin atmosfrica, con la que crea una sobrepresin en el mltiple de
admisin. Puede quedar montado de los dos lados del motor.
Su funcionamiento le da la mayor ventaja, que permite generar la
sobrepresin prcticamente al instante debido a que se encuentra
accionado por el cigeal y tienen buen rendimiento a bajas revoluciones
cosa que no ocurre con los compresores. Por otra parte no calienta tanto el
aire como el turbocargador, as que su eficiencia no depende de la
instalacin de un intercooler.
Su inconveniente es el compresor de gran tamao y peso, por lo que son
recomendados para motores V6 (6 cilindros en V) o V8 (8 cilindros en V),
aunque tambin se puede usar en motores de 4 cilindros, adems
consumen potencia directamente del motor que en regmenes altos pueden
alcanzar los 20 CV (Caballos de vapor).
Tipos de supercargadores:
Para conseguir elevar la presin del aire atmosfrico se han estudiado y
desarrollado cuatro familias fundamentales de compresores que
corresponden a otros tantos sistemas basados en principios mecnicos, los
cules son:
o Compresores alternativos.
o Compresores rotativos.
o Compresores centrfugos accionados mecnicamente por el motor.
o Compresores intercambiadores de onda de presin.
a) Compresores alternativos: en esta familia comprenden principalmente
los que son por mbolo, su diseo puede adaptarse a las necesidades
que se prevean en cuanto al gasto de aire y tambin en cuanto a la
presin obtenida. En caso de adaptar estos compresores para los
motores diesel veloz de cuatro tiempos, resultaran demasiado
voluminosos y pesados, pero han sido bastante utilizados en los
grandes motores de dos tiempos para efectuar con ellos un barrido
perfecto de la cmara de combustin y la parte correspondiente del
cilindro.
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24
b) Compresores rotativos: son aquellos que no tienen giro alternativo
sino rotativo y su accionamiento es mecnico, para funcionar necesitan
ser movidos por el cigeal del motor, causndole una prdida
considerable a la potencia del motor. Estos compresores son divididos
en dos grupos los cules son:
Compresores de paletas.
Compresores de lbulos.
Compresor de paletas
Compresor de lbulos
c) Compresores centrfugos con accionamiento mecnico del motor:
El nombre de centrfugo se le aplica precisamente por su condicin de
comprimir aire por centrifugacin del mismo. El compresor centrfugo es
una de las partes de que consta el turbocompresor, ya que tambin cuenta
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25
con una turbina que es forma de accionamiento. Este compresor est
accionado por medios mecnicos, lo hace por medio de un tren de
engranajes altamente multiplicador de su velocidad, adecuado en este caso
para pequeas potencias. Su desventaja es que le quita potencia al motor
(generalmente 6 a 9 HP aproximadamente y produce mayor calor que el de
tipo Roots por lo que es mejor utilizarlo con intercooler.
Turbocargadores: los compresores centrfugos accionados por turbina de
gas pertenecen a la familia de los turbocargadores, se pueden considerar
como un aparato soplador o compresor diseado para operar con la
energa que normalmente se pierde en los gases de escape del motor,
ellos han dado los mejores resultados en el terreno de la sobrealimentacin
de los motores. Se diferencia de los supercargadores, de banda o cadena,
debido a que no utilizan potencia del motor y pueden girar a ms de 100
000 rpm. Lo que los hace ser los ms utilizados.
Generalidades del turbocompresor:
Un motor dotado de un turbocompresor presenta dos fases de
funcionamiento: una atmosfrica y otra sobrealimentada. Para llegar a la
fase sobrealimentada (presin superior a la atmosfrica), el turbocompresor
debe haber alcanzado un cierto rgimen, llamado de enganche (por
ejemplo 60.000 rpm), lo cual puede corresponder, en las plenas cargas, a
un rgimen motor de 3.000 rpm. A regmenes inferiores, el turbocompresor
gira a una velocidad reducida (entre 5.000 y 10.000 rpm) denominada
rgimen de vigilancia.
El turbocompresor presenta en su funcionamiento grandes ventajas,
de entre las cuales podemos destacar:
Un incremento notable de la potencia y par motor, que en el diesel veloz
puede llegar a un 35% por encima de la versin atmosfrica, lo que supone
un claro incremento de la relacin potencia/peso.
La carcasa de la turbina tiene forma de caracol para aumentar la velocidad
de los gases hacindolos incidir con mayor fuerza sobre sus labes,
adems acta como un conjunto de absorcin del ruido de los gases de
-
26
escape. Del mismo modo, la seccin del compresor reduce el ruido de
admisin, producidos por los impulsos del colector y la carcasa tiene el
mismo aspecto que la turbina, pero sus condiciones de utilizacin son
menos extremas en cuanto a temperaturas pero son iguales en cuanto a la
presin que se produce en ellas. Como resultado de todo ello, un motor
turboalimentado es, normalmente, ms silencioso que otro convencional,
aunque generalmente se percibe un silbido caracterstico cuando el motor
est bajo carga o acelerando.
El motor turboalimentado tiene un rendimiento volumtrico ms alto que el
convencional, con el que se logra una combustin ms completa, que da
como resultado un consumo ms bajo de combustible a igualdad de
potencia.
Los turbocompresores suministran al motor una cantidad suplementaria de
aire en el funcionamiento a media carga y a alta velocidad, que da lugar a
una combustin mucho ms eficaz y limpia, lo que reduce notablemente los
contaminantes.
El motor diesel veloz desarrolla su par mximo a un rgimen relativamente
bajo y desciende rpidamente cuando aumenta las revoluciones. El
turbocompresor provee poca asistencia en los bajos regmenes aunque la
potencia aumenta con las revoluciones y la carga. Por tanto, el motor diesel
veloz desarrolla buena potencia por s solo a bajas revoluciones y el
turbocompresor proporciona la asistencia necesaria cuando aumenta el
rgimen del motor y la carga.
Utilizar un turbocompresor tambin tiene otras ventajas. Como el aire es
forzado a introducirse a alta velocidad en el cilindro, se arremolina y se
mezcla fcilmente con el combustible inyectado, propiciando una mejor
combustin. Tambin acta como un compensador de altitud, pues cuando
disminuye la densidad en el aire con la altitud, el turbocompresor gira ms
de prisa, compensndose de esta manera la disminucin de la densidad
del aire.
En contraposicin con estas ventajas, el turbocompresor presenta
tambin algunos inconvenientes, como son:
-
27
La presencia de la turbina en la canalizacin de escape crea una cierta
contrapresin, lo cual resta potencia al motor.
En el funcionamiento del turbocompresor, el aire de admisin se enva a los
cilindros a una cierta presin, a consecuencia de la cual se produce una
importante elevacin de su temperatura, con la consiguiente dilatacin, que
resulta desfavorable para el llenado del cilindro.
Cuanto ms rpido sea el rgimen del motor, ms incrementan su
velocidad la turbina y, por lo tanto, el compresor. Este ltimo aumenta la
cantidad de aire suministrado, con lo cual el motor desarrolla mayor
potencia. En consecuencia, se producir un flujo de gases de escape an
ms importante y el turbocompresor girar todava ms rpidamente. Este
ciclo comenzar hasta la rotura de algn elemento del turbo o del motor.
Para solucionar estos inconvenientes, se refrigerara el aire de admisin y
regular la presin de sobrealimentacin.
5.10. Sistema de alimentacin Comum Rail del motor diesel Mazda
El sistema de common-rail o conducto comn es un sistema electrnico de
inyeccin de combustible para motores disel de inyeccin directa en el que
el gasleoes aspirado directamente del depsito de combustible a una bomba de
alta presin y sta a su vez lo enva a un conducto comn para todos los
inyectores y por alta presin al cilindro. En 1998 recibi el Premio "Paul Pietsch
Preis" para Bosch y Fiat por el sistema Common Rail como innovacin tcnica
para el futuro.
Este sistema fue desarrollado por el grupo industrial italiano Fiat Group, en
el Centro Ricerche Fiat en colaboracin con Magneti Marelli, filial del grupo
especializada en componentes automovilsticos y electrnicos. La industrializacin
la llev a cabo Bosch. El primer vehculo del mundo en equipar este sistema fue
el Alfa Romeo 156 con motor JTD en 1997.
o Funcionamiento
El gasoil almacenado en el depsito de combustible a baja presin es
aspirado por una bomba de transferencia accionada elctricamente y
enviado a una segunda bomba, en este caso, de alta presin que inyecta el
-
28
combustible a presiones que pueden variar desde unos 300 bar hasta entre
1500 y 2000 bar al cilindro, segn las condiciones de funcionamiento.
La bomba de transferencia puede ir montada en la propia bomba de alta
presin, accionada por el mecanismo de distribucin y sobre todo en el
interior del depsito de combustible. El conducto comn es una tubera o
"rampa" de la que parte una ramificacin de tuberas para cada inyector de
cada cilindro.
La principal ventaja de este sistema es que nos permite controlar
electrnicamente el suministro de combustible permitindonos as realizar
hasta 5 pre-inyecciones antes de la inyeccin principal, con lo que
conseguimos preparar la mezcla para una ptima combustin. Esto genera
un nivel sonoro mucho ms bajo y un mejor rendimiento del motor.
6. MATERIALES Y METODO
Para desarrollar el siguiente proyecto de investigacin se us lo siguiente:
Datos y ficha tcnica que las casas motoras (Mazda) proporcionan sobre
sus motores.
Uso de informacin va internet y uso de libros especializados en el rea de
motores de combustin interna.
7. CALCULOS, RESULTADOS Y DISCUSION
7.1. PARAMETROS DE LA SUSTANCIA DE TRABAJO
a) Composicin gravimtrica del combustible
Realizamos una tabla donde se especifica la composicin del combustible as
como sus principales propiedades:
Tabla 1: Composicin y propiedades del combustible disel.
COMBUSTIBLEMASA MOLECULAR
(Kg/Kmol)
PODER CALORIFICO
BAJO (Kcal/Kg)
C H O
0.87 0.126 0.004180-200 10150
COMPOSICION QUIMICA ELEMENTAL
DIESEL
-
29
= 14.452 Kg. aire/Kg. comb
b) Poder calorfico inferior del combustible
Frmula de Mendeleyev:
W: vapor de agua
Hu = 33,91 C + 125,60 H -10,89 (O-S) -2,51 (9 H +W)
Hu = 42.5 [MJ/Kg.]
c) Caculo de los parmetros de combustin
Asumiendo una combustin estequiometrica, se determinara la cantidad
de Kg de aire para quemar 1K de combustible (disel).
(
)
Calculo del coeficiente de exceso de aire, para esto se tiene que tener
las condiciones en las que opera el motor turboalimentado de la marca
MASDA. Se sabe que, para que el motor turboalimentado trabaje de
manera estable en su rgimen nominal sin sobrecalentamiento, el
coeficiente de exceso de aire se encuentra entre: 1.6 1.8
Para nuestro anlisis usaremos (asumido) un coeficiente de exceso de
aire igual a 1.7, es decir:
Luego calculamos:
M1 = L0 = 1.7x0.5 = 0.85 Kmol/ Kg. comb.
7.2. PRODUCTOS DE LA COMBUSTION
= 1.7
-
30
Aunque los combustibles hidrocarburos son mezclas de muchos
hidrocarburos diferentes, para facilitar el anlisis se considerar al disel
como dodecano, es decir C12H26.
Cantidad de CO2 producido por cada kilogramo de combustible:
MCO2 = 087/12 = 0.0725 Kmol CO2/ kg de comb.
Cantidad de agua producido por cada kilogramo de combustible:
MH2O = 0.063 Kmol H2O/ Kg de comb.
Cantidad de oxigeno producido por cada kilogramo de combustible:
MO2 = 0.208 ( 1) L0 = 0.208 (1.7 1) 0.5
MO2 = 0.0728 Kmol O2/ Kg. comb.
Cantidad de nitrgeno producido por cada kilogramo de combustible:
MN2 = 0.792 ( Li)
MN2 = 0.6732 Kmol/ Kg. comb.
7.3. CANTIDAD TOTAL DE LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTION
Sumando los productos de combustin por kilogramo de combustible se
tiene:
M2 = MCO2 + MH2O + MO2 + MN2
M2 = 0.0725 + 0.063 + 0.0728 + 0.6732
M2 = 0.8815 Kmol Prod. Comb./ Kg comb.
PRODUCTOS DE LA
COMBUSTION
COMBUSTIBLE
AIRE
-
31
7.4. PARAMETROS DEL MEDIO AMBIENTE Y DE LOS GASES
RESIDUALES
Asumiendo que las condiciones ambientales del aire son:
P0 = 0.1MPa (presin atmosfrica)
T0 = 293K (temperatura ambiente)
El motor de estudio es turboalimentado, para realizar el anlisis
termoenergetico se tiene que asumir los datos que no son
proporcionados por el fabricante (Mazda).
K = Pk /Po =
)(5,2
)(5,29,1
)(9,13,1
alta
mediana
presionbaja
Hay que tener presente que cuando el motor no tiene intercooler, el
turbocompresor es de baja presin.
Como el turbocompresor del motor Mazda es de mediana presin se
asumir el valor de K :
K = 2.21
Clculo del valor de la presin del aire en el sistema de admisin:
Pk = K (Po) = 2,21 (0,1)
Pk = 0.221 MPa
Clculo del valor de la variacin de la temperatura del aire en el
intercooler. Para este fin se necesita determinar el ndice politrpico de
compresin del aire en el compresor (nk) y en funcin del grado de
enfriamiento con el intercooler.
a) Para los compresores a pistn: nk = 1,4 1,6
b) Para los compresores volumtricos: nk = 1,55 1,75.
c) Para los compresores centrfugos y axiales: nk = 1,4 2,0.
-
32
Para nuestro estudio el turbocompresor es volumtrico, por lo
tanto asumimos el valor de nk:
nk= 1.7
Asumiendo que el aire sale del turbocompresor con una
temperatura de Tk = 350K
Ahora si podemos determinar la variacin de la temperatura en el
intercooler:
Tk = nk
nk
Po
PkTo
1
- Tenf
Tenf
Tenf = 56.14K = 56.14C
Observacin: Internacionalmente se sabe que la temperatura del aire
que ingresa al cilindro del motor no debe ser muy elevada. Para los
motores disel turboalimentados la temperatura del aire que ingresa al
cilindro debe ser no mayor de 100 C entonces, podemos asumir que el
sistema de refrigeracin (intercooler) absorbe una temperatura de
56.14 C.
La temperatura y la presin de los gases residuales podemos
configurarlos considerando que el valor suficientemente alto de la
relacin de compresin del motor disel permite que durante la turbo
alimentacin del rgimen trmico del motor aumente y aumenten
tambin los valores de Tr y Pr por eso podemos asumir que para los
motores disel turboalimentados.
Tr = 710k
Pr = 0,75Pk = 0,75 (0,221)
Pr = 0.1657 MPa
7.5. PARAMETROS DEL PROCESO DE ADMISION
-
33
La temperatura de calentamiento de la carga fresca para el motor en estudio
no tienen un dispositivo especial para el calentamiento de la carga fresca; sin
embargo, el calentamiento de la carga del motor, turboalimentado a cuenta
de la disminucin de la cada trmica entre las piezas del motor y el aire
sobrecalentado constituyen una magnitud de calentamiento que se reduce.
Por esto para el motor disel turboalimentado normalmente se elige la
temperatura entre 0 y 10 C y considerando las condiciones ambientales
propias de Trujillo podemos seleccionar T = 0 10 C.
La densidad de la carga en la admisin se puede calcular de la siguiente
manera:
K
KK
TRa
P Dnde:
o Pk = 0.221 MPa
o Raire = 287 J/KgK
o Tk = 350K
2.2 Kg/m3
Las prdidas de presin en el sistema de admisin se puede
expresar de la siguiente manera:
Presin al final de la admisin:
Pa = Pk - Pa
Pa = (0,221 0,03829) MPa
Pa = 0.1828 MPa
El coeficiente de los gases residuales:
-
34
k rr
r a r
T T P
T P P
(
)
Calculo de la Ta:
Ta = r
rrk TTT
1
Calculo de la eficiencia volumtrica:
kk
rak
vPTT
PPT
)1)((
)(
7.6. PARAMETROS DEL PROCESO DE COMPRESION
Del grafico 25, se determinara el valor de K1, teniendo en cuenta los
siguientes datos:
o
Pc = 0.1828x181.3625
Pc = 9.382 MPa
o
Ta = 369.16K
=18
-
35
Tc = 369.16x181.3625-1
Tc = 1052.57K = 779.57C
Segn tabla 5: para Tc =779.57C:
Tc
ToairemCv
= 22,4713 KJ/Kmol
Segn tabla 8: para Tc = 779.57C:
Tc
TogasesmCv
= 24,3315 KJ/Kmol
r
Tc
Togases
r
Tc
Toaire
Tc
TomezclamCvmCvmCv
1
1
7.7. PARAMETROS DEL PROCESO DE COMBUSITION
Coeficiente terico de variable molecular:
850,0
8815,0
1
20
M
M
Coeficiente de variacin molecular:
0 1,037 0,02597446
1 1 0,02597446
rr
r
El poder calorfico inferior de la mezcla operante:
Humezcla )1(1 rM
Hu
Humezcla
=42,5
0,85(1 0,02855795)
-
36
Humezcla
48.691 MJ/Kg comb.
El calor especifico molar medio de los productos de la combustin,
trabajando en el rango de 1500 a 2800C. Los productos de combustin
son CO2, H2O, N2, O2.
=
[
]
CO2 = 39.123+0.003349TZ
H20 = 26.670 +0.004438 TZ
02 = 23.723 +0.001550 TZ
N2 = 21.951 + 0.001457 TZ
Anteriormente se determin las masas molares para un rango de
temperaturas (1500 2800) C:
o Mco2 = 0.0725
o MH2O = 0.063
o MO2 = 0.0728
o MN2 = 0.6732
Reemplazando los valores en la ecuacin anterior:
Tz
Tproductos
mCp0
= 32,161 + 1,833
310 Tz KJ/Kmol C
Calculo de la temperatura Tz:
TzmCptcmCvHu TzTrrTz
Tz 00 )()(2270]314,8)[()(
El coeficiente de utilizacin del calor V , para los modernos motores
disel con cmara de combustin no divididas o de inyeccin directa y
con una adecuada organizacin de la formacin de la mezcla se puede
asumir para los motores de aspiracin natural disel V = 0,82 y para
motores turboalimentados teniendo en cuenta que se acompaa con una
elevada carga trmica y con la generacin de mejores condiciones para
-
37
el desarrollo de la combustin V = 0,86. El grado de elevacin de la
presin en los motores disel depende fundamentalmente de la
magnitud del suministro cclico de combustible, con el propsito de
disminuir las cargas gsicas sobre las piezas del mecanismo biela-
manivela, es conveniente tener mxima presin de combustin no mayor
de 15 MPa en relacin con esto es conveniente asumir para los motores
disel de aspiracin natural =2 y para los motores turboalimentados
=1,5.
Por lo expuesto anteriormente se asumir los siguientes valores:
V = 0,86
=1,5
mezclaV Hu = 0,86(48,691) = 41874,26 [KJ/Kmol]
C
Tz
Tomezcla tmCv ]314,8)[( =[22,52+8,314(1,5)]779.57 = 27277.93 [KJ/Kmol]
2270(r ) = 2270(1,5-1,036) = 1053, 28 [KJ/Kmol]
Z
Tz
Tor tmCp)( =1,036(32,161+1,833310 tz) tz
Z
Tz
Tor tmCp)( = 33,319tz +1,899310 tz
2
Por lo tanto reemplazando en la ecuacin todos los trminos, resulta:
1.899310 tz
2 +33,3265 tz 65205.99 = 0
Resolviendo la ecuacin de segundo grado resulta:
Tz = 1776.71C = 2049.71K
La relacin de expansin previa:
Tc
TZr
-
38
Calculo de la presin mxima:
Pz = CP
Pz = 1,5x9.382
Pz = 14.078 MPa
7.8. PARAMETROS DEL PROCESO DE EXPANSION
= 18/1.345
= 13.383
Del grfico 30: Para Tz = 2049.71 y =13.383; el valor de k2 = 1,267. Con
este dato podemos calcular la temperatura final de expansin:
2nb
PzP
Pb =
Pb = 0.526 MPa
Calculo de la temperatura al final de la expansin:
12
n
TzTb
Tb =
Tb = 1025.42 K
-
39
7.9. COMPROBACION DE LA TEMPERATURA DE LOS GASES
RESIDUALES
3
r
b
b
r
P
P
TT
Tr =
Tr = 697.72
Tr calculado >Tr asumido (0,95)
697.72 > 710(0,95)
697.72 > 674.5. Si cumple la condicin establecida.
7.10. PARAMETROS INDICADOS DEL CICLO OPERATIVO DEL MOTOR
Calculo de la presin media efectiva
)]1
1(11
1)
11(
12)1([
1 1112
1
,
nn
n
Tinn
PaP
Pi,T = 1.376 MPa
Calculo del factor diagramtico: 0.92< 1 < 0.97, asumiendo
1=0.96:
Pi = 1 Pi,T
Pi = 0.96x1.376
Pi = 1.321 MPa
Rendimiento indicado
-
40
vk
oi
inHu
lP
Consumo especifico indicado de combustible (gi)
iHugi
3600
gi =
gi = 197.16 gr/Kwh
7.11. PARAMETROS EFECTIVOS DEL MOTOR TURBOALIMENTADO
La presin media de las prdidas mecnicas:
Pm = 0,105 +0,012Vp; donde:
Pm = 0,105 +0,012x10.93
Pm = 0.236 MPa
Presin media efectiva
Pe = Pi Pm
Pe = 1,321 - 0,236
Pe = 1.085 MPa
Rendimiento mecnico y efectivo
Rendimiento mecnico:
-
41
Pi
Pem
m =
m = 0.82
Rendimiento efectivo:
mie
e = 0.375x0.82
e = 0.307
Consumo especifico de combustible
eHuge
3600
ge =
ge= 240.83 gr/KWh
7.12. PRINCIPALES PARAMETROS CONSTRUCTIVOS DEL CILINDRO Y
DEL MOTOR
Calculo de la cilindrada del motor:
nP
NiV
e
eh
30
hiV =
hiV = 1383.82 cc
Determinacin del porcentaje de error en el calculo
-
42
El dimetro y la carrera de los motores disel se expresa
generalmente bajo la siguiente condicin (S/D)>1. Sin embargo, la
reduccin de esta relacin para los motores disel as como para
los motores a gasolina disminuye la velocidad del pistn y aumenta
el rendimiento mecnico por esto es conveniente que en los
clculos de diseo se asuma la relacin (S/D)= 1.1095 en este caso
el dimetro debe ser igual a:
D = 10 3
4
( )
hV
S
D
rea del pistn:
A = 4
2D
A =
A = 4242.57 mm2
Carrera del pistn:
S = Vh/A
S = 81.54 mm
7.13. PARAMETROS ENERGETICOS Y ECONOMICOS DEL MOTOR
Despus de haber precisado y determinado los principales parmetros
constructivos del cilindro y del motor, ahora se calculara lo siguiente:
Potencia efectiva @ 4000RPM
-
43
Ne = 30
niVP he
Ne =
Ne = 50.0482 Kw
Torque efectivo @ 4000 RPM
Me = n
Ne )9550(
Me =
Me = 119.49 N-m
Se tiene como dato del motor Mazda Memax= 160 N-m @ 2000RPM
Calculo de coeficiente de adaptabilidad por torque de motor:
Km =NMe
Memax
Km =
Km = 1.34
Calculo del coeficiente de adaptabilidad por frecuencia de
giro:
Kn = M
N
n
n
Kn =
Kn = 2
NeL = hiV
Ne
-
44
NeL = 36.13 Kw/L
Calculo del gasto del combustible:
Gc = Ne ge
Gc = 50.0485x240.83
Gc = 12.053 Kg/hora
7.14. CONSTRUCCION DEL DIAGRAMA INDICADO
En la siguiente grafica se muestra un esquema general del diagrama
indicado real del motor turboalimentado:
DIAGRAMA INDICADO REAL DEL MOTOR DIESEL
TURBOALIMENTADO
Tabla resumen de los parmetros calculados y asumidos:
-
45
Pr = 0,1657 MPa
Pa` = 0,1828 MPa
Pb` = 0,526 MPa
Pc` = 9.382 MPa
Pz` =14.078 MPa
= 13.383
= 18
i= 4
iVh = 1383.82 cc = 1.38382 Lts
Vh = 345.955 cc = 0.345955 Lts
= 1.5
= 1.345
Vc`= Vz` = 20.35 cc = 0.02035 Lts
Va` = Vb` = 366.305 cc = 0.366305 Lts
Constante politrpico de compresin: (n1) =1.3615
Constante politrpico de expansin: (n2) = 1.267
Eficiencia adiabtica del compresor: (nk) = 1.7
7.14.1. INICIO DE LA COMPRESION
Se encuentra en el Tramo a c: PVn1 = k1
k1 = Pa`Va`n1 = 0,1828 (0.366305)1,3615
K1 = 0.04657
Para valores intermedios entre a`y c`: Px1Vx11,3617 = 0.04657
-
46
Punto Vx1 (Lts) Px1 (MPa)
a' 0.366305 0.182782327
0.359405 0.187576516
0.352505 0.192593093
0.345605 0.197847034
0.338705 0.203354655
0.331805 0.209133754
0.324905 0.215203785
0.318005 0.221586051
0.311105 0.228303921
0.304205 0.235383088
0.297305 0.242851855
0.290405 0.250741471
0.283505 0.259086518
0.276605 0.267925353
0.269705 0.277300637
0.262805 0.287259936
0.255905 0.297856437
0.249005 0.309149788
0.242105 0.321207088
0.235205 0.334104066
0.228305 0.347926485
0.221405 0.362771833
0.214505 0.378751351
0.207605 0.3959925
0.200705 0.414641971
PROCESO DE COMPRESION - Tramo a' - c' 0.193805 0.434869372
0.186905 0.456871804
0.180005 0.480879538
0.173105 0.507163162
0.166205 0.536042614
0.159305 0.567898734
0.152405 0.603188157
0.145505 0.642462752
0.138605 0.68639525
0.131705 0.73581351
0.124805 0.791746935
0.117905 0.855490354
0.111005 0.928693419
0.104105 1.013488138
0.097205 1.112674673
0.090305 1.229998626
0.083405 1.370576282
0.076505 1.54156751
0.069605 1.753280013
0.062705 2.021060576
0.055805 2.36870401
0.048905 2.834991558
0.042005 3.487240833
0.035105 4.452320047
0.028205 5.997734641
0.021305 8.787768816
c' 0.02035 9.35396604
-
47
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
PR
ESIO
N (
MP
a)
VOLUMEN (Lts)
PROCESO DE COMPRESION DEL MOTOR DIESEL MAZDA TURBOALIMETADO
7.14.2. PROCESO DE EXPANSION
Inicia en el tramo b z PVn2 = k3
k3 = Pb`Vb`n2 = 0.526 (0.366305)1,267
k3 = 0,1474
Vz`` = (k3/Pz``)(1/n2)
Vz`` = (0.1474 /14.078)(1/1,267)
Vz`` = 0,027366 Lts.
Para valores intermedios de z`` y b`: Px3Vx31,267 = 0.1474
-
48
0.197366 1.151827464
0.204166 1.103439408
0.210966 1.058571716
0.217766 1.016866781
0.224566 0.978013008
0.231366 0.941737726
0.238166 0.90780135
0.244966 0.875992567
0.251766 0.84612433
0.258566 0.818030503
0.265366 0.791563055
0.272166 0.766589682
0.278966 0.742991795
0.285766 0.720662808
0.292566 0.699506671
0.299366 0.679436616
0.306166 0.660374074
0.312966 0.642247737
0.319766 0.62499275
0.326566 0.608550003
0.333366 0.592865517
0.340166 0.577889907
0.346966 0.563577903
0.353766 0.549887941
0.360566 0.536781794
b' 0.366305 0.526148815
Punto Vx3 (Lts) Px3 (MPa)
z'' 0.027366 14.07831693
0.034166 10.6275636
0.040966 8.444167358
0.047766 6.951105336
0.054566 5.872420677
0.061366 5.060494311
0.068166 4.429626085
0.074966 3.926850492
0.081766 3.517772958
0.088566 3.179143677
0.095366 2.894715149
0.102166 2.652810862
0.108966 2.444836245
0.115766 2.264333134
0.122566 2.10636038
0.129366 1.967076969
0.136166 1.843454684
0.142966 1.733075842
0.149766 1.633988216
0.156566 1.544599203
0.163366 1.463597438
0.170166 1.38989393
0.176966 1.322577296
0.183766 1.260879323
0.190566 1.204148194
PROCESO DE EXPANSION - Tramo z'' - b'
-
49
7.14.3. INICIO DE LA COMBUSTION
Inicio de la combustin (tramo c-d): Px1=k2/Vx2nk
Asumido: nk = 1.7 , donde nk> (n1 =1,3617)
Vc = Vc`+ Vh/2 [1-cos(360-1x )+
4
(1-cos(720-2
1x ))]
Asumiendo 1x = 12
Vc= 0.029738Lts.
Pc = Pa`(Va`/Vc)n1
Pc = 0.1828 (0.366305/0.029738)1,3615
Pc = 5.673 MPa
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
PR
ESIO
N (
MP
a)
VOLUMEN (Lts)
PROCESO DE EXPANSION DEL MOTOR MAZDA
-
50
k2 = PcVcnk
k2 = 5.673x0.0297381.7
k2 = 0.0144
Para valores intermedios entre c y d: Px1=0.0144/Vx21.8
Punto Vx1 (Lts) Px1 (MPa)
c 0.029738 8.061230312
0.029425 8.216234829
0.029112 8.375925685
0.028799 8.540497266
0.028486 8.710154252
0.028173 8.885112286
0.02786 9.065598695
0.027547 9.251853258
0.027234 9.444129041
0.026921 9.642693301
0.026608 9.847828454
0.026295 10.05983313
0.025982 10.27902331
0.025669 10.50573356
0.025356 10.74031835
0.025043 10.98315356
0.02473 11.23463798
0.024417 11.49519509
0.024104 11.76527488
0.023791 12.04535593
0.023478 12.33594758
0.023165 12.6375924
0.022852 12.95086882
0.022539 13.27639404
0.022226 13.61482721
0.021913 13.96687294
0.0216 14.33328512
0.021287 14.71487116
0.020974 15.11249665
0.020661 15.5270905
d 0.02035 15.95682741
INICIO DE LA COMBUSTION - Tramo c - d
-
51
7.14.4. COMBUSTION VISIBLE
Combustin Visible (tramo d-z-l): (Vx2-Vz)2 = 4 k4 (Px2-Pz)
Vz = (Vz`+Vz``)/2
Vz = (0.02035 +0,027336)/2
Vz = 0,02386 Lts.
k4 = )(4
)( 2
PzPd
VzVd
k4 =
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035
PR
ESIO
N (
MP
a)
VOLUMEN (Lts)
INICIO DE LA COMBUSTION
-
52
K4 = -0.000047385
Para vL:
2
2
4
32:)(
44
)2(2:)(
nVx
kPxescapeaPolitrpic
Pzk
VzVxPxcombustinParbola
Solucin: vL = 0,029354Lts.
PL = (k3/vLn2)
PL= (0.70677/0.1341381,263)
PL = 13.441 MPa
Para valores intermedios de d, z, L:
Px2 =
-
53
Punto V (Lts) P (MPa)
d 0.02035 13.818
0.02065 13.86054511
0.02095 13.89929155
0.02125 13.93423932
0.02155 13.96538841
0.02185 13.99273884
0.02215 14.0162906
0.02245 14.03604368
0.02275 14.0519981
0.02305 14.06415385
0.02335 14.07251092
0.02365 14.07706933
0.02395 14.07782906
0.02425 14.07479012
z 0.02455 14.06795252
0.02485 14.05731624
0.02515 14.04288129
0.02545 14.02464767
0.02575 14.00261538
0.02605 13.97678443
0.02635 13.9471548
0.02665 13.9137265
0.02695 13.87649953
0.02725 13.83547388
0.02755 13.79064957
0.02785 13.74202659
0.02815 13.68960494
0.02845 13.63338462
0.02875 13.57336562
0.02905 13.50954796
l 0.029354 13.44100441
COMBUSTION VISIBLE (Tramo d - z -l)
-
54
7.14.5. PROCESO DE ESCAPE (Tramo b-e-a-r-r)
a) Escape Libre(tramo b-e) (Px3-Pe)2 = 4k5 (Vx3-Ve)
Pe = 2
`)`( PaPb
Pe =
Pe = 0.1716 MPa
Ve = Vc`+Vh
Ve = 0.02035 + 0.345955
Ve =0.366305 Lts
Asumo 1x =80 para:
Vb = Vc`+ Vh/2 [1-cos(360-1x )+
4
(1-cos(720-2
1x ))]
Vb = 0.2891 Lts
Pb = k3 (Vb)-n2
13.4
13.6
13.8
14
14.2
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035
PR
ESIO
N (
MP
a)
VOLUMEN (Lts)
COMBUSTION VISIBLE Tramo d-z-l
-
55
Pb = 0.1474 (0.2891)-1,267
Pb = 0.7101 MPa
k5 = )(4
)( 2
VeVb
PePb
k5 =
k5 = -0.939
Para valor intermedios entre b y e: (Px3-Pe)2 = 4k5 (Vx3-Ve)
-
56
Punto Vx1 (Lts) Px1 (MPa)
b 0.2891 0.710099749
0.2967 0.682908498
0.29424 0.691865451
0.298486667 0.676303537
0.301056667 0.66664822
0.303626667 0.656800804
0.306196667 0.646749345
0.308766667 0.636480608
0.311336667 0.625979863
0.313906667 0.615230635
0.316476667 0.604214401
0.319046667 0.592910218
0.321616667 0.581294252
0.324186667 0.569339186
0.326756667 0.557013466
0.329326667 0.544280319
0.331896667 0.531096453
0.334466667 0.517410324
0.337036667 0.503159738
0.339606667 0.488268502
0.342176667 0.472641559
0.344746667 0.456157727
0.347316667 0.438658383
0.349886667 0.419928935
0.352456667 0.399666525
0.355026667 0.377418901
0.357596667 0.352454914
0.360166667 0.32344064
0.362736667 0.287369858
0.365306667 0.232835121
d 0.366305 0.1716
ESCAPE LIBRE - Tramo b - e
-
57
b) Escape forzado (Tramo e-a) (Px4-Po)2 +(Vx4-Vo)2 = Ro2
Va = Vb = 0.2891 Lts
Po = Pe = 0.1716 MPa
Ro = Ve Vo = 0.366305 Vo
Pa = Pr (Pa- Pr)
Pa = 0.1657 (0.1828 0.1657)
Pa = 0.1486 MPa
Para el punto a:
(Pa-Po )2 + (Va-Vo)2 = Ro2
(0.1486 0.1716)2 + (0.2891 - Vo)2 = (0.366305 - Vo)2
Solucin Vo = 0.32432
Ro = Ve- Vo
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
PR
ESIO
N (
MP
a)
VOLUMEN (Lts)
ESCAPE LIBRE (Tramo b - e)
-
58
Ro = 0.366305 0.32432
Ro = 0.041985
Para valores intermedios entre e y a:
(Px4-Po)2 + (Vx4-Vo)2 = Ro2
c) Tramo (a-r)
P = Pa = 0.1486 MPa
Punto Vx4 (Lts) Px4 (MPa)
a 0.2891 0.1486
0.2771 0.1486
0.2651 0.1486
0.2531 0.1486
0.2411 0.1486
0.2291 0.1486
0.2171 0.1486
0.2051 0.1486
0.1931 0.1486
0.1811 0.1486
0.1691 0.1486
0.1571 0.1486
0.1451 0.1486
0.1331 0.1486
0.1211 0.1486
0.1091 0.1486
0.0971 0.1486
0.0851 0.1486
0.0731 0.1486
0.0611 0.1486
0.0491 0.1486
r' 0.04035 0.1486
ESCAPE (Tramo a - r')
-
59
d) Tramo (r-r)
(Px5-Pr)2 = 4 k6 (Vx5-Vr)
Pr = 0.1657 MPa ; Vr = Vc`= 0.02035 Lts.
Pr= Pa = 0,1486 MPa; Vr`= VL = 0.029354 Lts.
K6 = )`(4
Pr)(Pr 2
VrVr
K6 =0.00813
Para valores intermedios entre r y r`:
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
PR
ESIO
N (
MP
a)
VOLUMEN (Lts)
ESCAPE TRAMO a-r'
-
60
7.14.6. PROCESO DE ADMISION (r - r- a)
(Px6-Pr)2 = 4 k6 (Vx6-Vr)
Punto Vx5 (Lts) Px5 (MPa)
r' 0.029354 0.16407628
0.028888 0.16416032
0.02814 0.16429521
0.02758 0.16439619
0.026973 0.16450565
0.026366 0.16461512
0.025759 0.16472458
0.025152 0.16483404
0.024545 0.1649435
0.023938 0.16505297
0.023331 0.16516243
0.022724 0.16527189
0.022117 0.16538135
0.02151 0.16549081
0.020903 0.16560028
r 0.02035 0.1657
ESCAPE (Tramo r'-r)
0.1638
0.164
0.1642
0.1644
0.1646
0.1648
0.165
0.1652
0.1654
0.1656
0.1658
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035
PR
ESIO
N (
MP
a)
VOLUMEN (Lts)
ESCAPE Tramo r' - r
-
61
Para valores intermedios:
Punto Vx6 (Lts) Px6 (MPa)
r 0.02035 0.1657
0.03765 0.162580239
0.05495 0.159460477
0.07225 0.156340716
0.08955 0.153220955
0.10685 0.150101193
0.12415 0.146981432
0.14145 0.143861671
0.15875 0.140741909
0.17605 0.137622148
0.19335 0.134502387
0.21065 0.131382625
0.22795 0.128262864
0.24525 0.125143103
0.26255 0.122023341
0.27985 0.11890358
0.29715 0.115783819
0.31445 0.112664057
0.33175 0.109544296
0.34905 0.106424535
a' 0.366305 0.103312888
ADMISION (Tramo r-r''-a')
-
62
7.14.7. GRAFICAS DEL DIAGRAMA INDICADO REAL
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
PR
ESIO
N (
MP
a)
VOLUMEN (Lts)
ADMISION Tramo r-r''-a'
-
63
7.15. BALANCE TERMO-ENERGETICO
a. Cantidad de calor introducido al motor con el combustible
Q =
Q = 163.02 kW
b. El calor equivalente al trabajo efectivo por cada segundo
Qe = Ne
Qe = 50.0482 kW
c. El calor transferido al sistema de refrigeracin
Qref = CiD1+2m nm
1
Qref = CiD1+2m nm
1
C: Constituye un coeficiente de proporcionalidad que comnmente
vara entre 0,45 y 0,53
i: Numero de cilindros.
D: Dimetro del cilindro en centmetros.
m: Es un ndice exponencial experimental que para los motores de 4
tiempos es m = 0,60 0,70
n: Es la frecuencia rotacional del cigeal del motor (RPM)
c = 0.49
i = 4
D= 7.35 cm
m = 0.65
n =4000
-
64
Qref = CiD1+2m nm
1
Qref = 24.866 kW
d. La cantidad de calor que se llevan los gases de escape
Qgas = ])(1)(2[3600
arg tkmCvMtrmCvMGc
acgases
1. Segn tabla 5 : Para tk= 77 C: (mCv)carga = 22.8355 [kJ/kmol]
2. Segn tabla 8: Para tr = 437C: (mCv)gases = 22.9842 [kJ/kmol]
Qgas = 28.13 kW
e. La cantidad de calor no considerado en los casos anteriores llamado
tambin calor residual.
Qrest = Q comb (Qe +Q ref +Q gases)
Qrest = 163.02 (50.0482 + 24.866 +28.13)
Qrest = 59.9758 kW
7.16. CONSTRUCCION DE CURVAS CARACTERISTICAS EXTERNAS DE
VELOCIDAD
Para los motores disel el rgimen mnimo de velocidad generalmente se
asume entre los 330 y 800 RPM, la frecuencia mxima de rotacin del
cigeal normalmente est limitada por las condiciones de desarrollo
cualitativo de las condiciones de trabajo del motor, por los esfuerzos
trmicos de las piezas, por la tolerancia de los esfuerzos inerciales y otros.
El valor nmin se determina por la estabilidad de trabajo del motor operando a
plena carga. Los puntos calculados en la parte termo-energticos del motor
sirven de base para la construccin de las curvas caractersticas externas
-
65
de velocidad, los cuales se pueden calcular mediante las siguientes
expresiones o modelos matemticos.
a) Potencia efectiva del motor disel turboalimentado con intercooler
Para motores de inyeccin directa, haciendo uso de los coeficientes de
adaptabilidad se tiene:
(
) (
)
Del catlogo del fabricante se tiene que:
Ne = 50.048 KW @ 4000RPM
Luego la ecuacin de la potencia se tiene de
Con esto se tiene que nMmax = 2000RPM. Para el clculo del torque en el
punto de rgimen se usa el coeficiente de adaptabilidad por torque del
motor:
b) Torque efectivo del motor
Para el clculo del torque en el punto de rgimen se usa el coeficiente
de adaptabilidad por torque del motor:
@ 4000 RPM
@ 2000 RPM
Aplicando la ley de Leyderman se tiene:
(
) (
)
-
66
c) Presin media efectiva del motor
d) Presin media de las prdidas mecnicas:
(
)
e) Presin media indicada:
f) Consumo especifico efectivo
(
) (
)
Anteriormente se determin el consumo efectivo en condiciones nominales
(@4000RPM),
(
) (
) gr/Kwh
g) Consumo horario de combustible
)/(10 3 horaKgNgG exexex
(
) (
) x
h) Coeficiente de exceso de aire y eficiencia volumetrica
)(30
MPaniVh
NP
x
exex
-
67
Para el caso de los motores disel para la determinacin de la eficiencia
volumtrica del motor es necesario conocer la ley de variacin de la
composicin de la mezcla en funcin de la frecuencia rotacional del
motor. En este sentido, sabemos que en los motores disel con el aumento
de la frecuencia rotacional, aumenta algo. Por esta razn para los
motores disel de 4 tiempos y de inyeccin directa se puede asumir una
variacin lineal de con la siguiente ecuacin min = (0.7-0.8) N
Asumimos un min = 0.75 N = 1.275, luego asumimos una variacin lineal del
coeficiente de exceso de aire entre 1000 y 4000RPM
Una vez que se elige la ley de variacin de la composicin de la mezcla
entonces la eficiencia volumtrica ser calculada del siguiente modo:
v = k
xxox gelPe
3600
TABLA RESUMEN DE LOS DATOS PARA LA CONSTRUCCION DE LAS
CURVAS
-
68
POTENCIA
Ne (Kw)
TORQUE
EFECTIVO (N-
m)
PRESION
MEDIA
EFECTIVA
PRESION MEDIA
INDICADA DE
LAS PERDIDAS
MECANICAS
PRESION MEDIA
INDICADA
CONSUMO
ESPECIFICO
EFECTIVO gr/Kwh
CONSUMO
HORARIO DE
COMBUSTIBLE
Kg/h
COEFICIENTE
DE EXCESO DE
AIRE
n min 1000 15.6875 149.9564 0.30727715 0.1378 1.580986 295.019 4.628110563 1.41647
1200 19.284 153.612096 0.34661898 0.14436 1.65719184 282.97788 5.456945438 1.444804
1400 22.9145 156.455264 0.37858961 0.15092 1.73266056 272.14092 6.235973111 1.473138
1600 26.528 158.485904 0.40318904 0.15748 1.80739216 262.50812 6.963815407 1.501472
1800 30.0735 159.704016 0.42041727 0.16404 1.88138664 254.07948 7.641059242 1.529806
n (Mmax) 2000 33.5 160.1096 0.4302743 0.1706 1.954644 246.855 8.2696425 1.55814
2200 36.7565 159.702656 0.43276013 0.17716 2.02716424 240.83468 8.852239915 1.586474
2400 39.792 158.483184 0.42787476 0.18372 2.09894736 236.01852 9.391648948 1.614808
2600 42.5555 156.451184 0.41561819 0.19028 2.16999336 232.40652 9.890175662 1.643142
2800 44.996 153.606656 0.39599042 0.19684 2.24030224 229.99868 10.34902061 1.671476
3000 47.0625 149.9496 0.36899145 0.2034 2.309874 228.795 10.76766469 1.69981
3200 48.704 145.480016 0.33462128 0.20996 2.37870864 228.79548 11.14325506 1.728144
3400 49.8695 140.197904 0.29287991 0.21652 2.44680616 230.00012 11.46999098 1.756478
3600 50.508 134.103264 0.24376734 0.22308 2.51416656 232.40892 11.73850973 1.784812
3800 50.5685 127.196096 0.18728357 0.22964 2.58078984 236.02188 11.93527244 1.813146
n (Nmax) 4000 50 119.4764 0.1234286 0.2362 2.646676 240.839 12.04195 1.84148
FRECUENCIA DE GIRO
RPM
-
69
020406080100
120
140
160
180
050
010
0015
0020
0025
0030
0035
0040
0045
00
Me (N-m)
n (R
PM)
TOR
QU
E EF
ECTI
VO
(N-m
)
-
70
0
0.0
5
0.1
0.1
5
0.2
0.2
5
0.3
0.3
5
0.4
0.4
5
0.5
05
00
10
00
15
00
20
00
25
00
30
00
35
00
40
00
45
00
PRESION MEDIA EFECTIVA
n (
RP
M)
PR
ESIO
N M
EDIA
EFE
CTI
VA
-
71
0
0.050.
1
0.150.
2
0.25
050
010
0015
0020
0025
0030
0035
0040
0045
00
PRESION MEDIA DE PERDIDAS MECANICAS
n (
RP
M)
PR
ESIO
N M
EDIA
DE
LAS
PER
DID
AS
MEC
AN
ICA
S
-
72
0
0.51
1.52
2.53
050
010
0015
0020
0025
0030
0035
0040
0045
00
PRESION MEDIA INDICADA
n (
RPM
)
PRES
ION
MED
IA IN
DIC
AD
A
-
73
050100
150
200
250
300
350
050
010
0015
0020
0025
0030
0035
0040
0045
00
CONSUMO ESPECIFICO
n (R
PM)
CON
SUM
O E
SPEC
IFIC
O E
FECT
IVO
-
74
02468101214
050
010
0015
0020
0025
0030
0035
0040
0045
00
CONSUMO DE COMB. Kg/h
n (R
PM)
CON
SUM
O H
OR
AR
IO D
E CO
MB
UST
IBLE
-
75
0
0.2
0.4
0.6
0.81
1.2
1.4
1.6
1.82
050
010
0015
0020
0025
0030
0035
0040
0045
00
EXCESO DE AIRE
n (
RPM
)
COEF
ICIE
NTE
DE
EXCE
SO D
E A
IRE
-
76
7.17. CONSTRUCCION DE CURVAS CARACTERISTICAS DE CARGA DEL
MOTOR
Ne utilizada = 100
(%)argmax acNe ; Ne max = 50.048 kW
Ne =
CARGA (%) Ne Utilizada
5 2.5024
10 5.0048
15 7.5072
20 10.0096
25 12.512
30 15.0144
35 17.5168
40 20.0192
45 22.5216
50 25.024
55 27.5264
60 30.0288
65 32.5312
70 35.0336
75 37.536
80 40.0384
85 42.5408
90 45.0432
95 47.5456
100 50.048
-
77
8. CONCLUSIONES
De la grfica del diagrama indicado real del motor Mazda el trabajo en el
proceso de admisin es positivo, debido a la elevacin de la presin por
parte del turbo-compresor.
El valor de la cilindrada calculado analticamente resulto tener un pequeo
error de clculo 1.085% (1383.3cc) respecto del valor proporcionado por la
casa motriz (1399 cc).
La presin mxima en la cmara de combustin llega a 14.078 Mpa, lo cual
no sobrepasa los lmites presin permitidos (15 MPa), as como la
temperatura mxima de combustin llega a ser 1776.71C. Estos valores
son muy aproximados de los datos determinados en la casa motriz.
Se observ de los resultados arrojados y plasmados en la grfica de
consumo especifico de combustible que el mximo ahorro de consumo
especifico de combustible ocurre a 3500 RPM.
Del balance termo-energtico se sabe que la mxima cantidad de calor
producido dentro del motor es 163.02 Kw, y de toda esta cantidad solo
50.0482 Kw es usado por el motor para producir trabajo. Todo esto se
resume diciendo que el rendimiento trmico del motor diesel Mazda
turboalimentado es 30.7%. Datos que se encuentran muy cerca de los
parmetros reales.
0
10
20
30
40
50
60
0 20 40 60 80 100 120
POTE
NCI
A U
TILZ
AD
A (K
w)
% CARGA
POTENCIA UTILIZADA EN FUNCION DE LA CARGA
-
78
El motor Mazda es un motor veloz, econmico y tiene cantidades mnimas
de emisiones de gases txicos: 114g/Km de dixido de carbono.
9. RECOMENDACIONES
Se recomienda hacer un anlisis de los parmetros y condiciones de
funcionamiento de un turbocompresor en un motor diesel Mazda y la
implementacin del uso de biocombustibles en este tipo de motor. Siempre
y cuando se logre aumentar el rendimiento del motor as como la
disminucin de la emisin de gases txicos.
El nico sistema de refrigeracin del turbocompresor es el aceite que viene
del crter y alcanza los 280 C. Por lo que es necesario contar con un
aceite que garantice su ptimo funcionamiento.
El motor turboalimentado, despus de operar en carretera, siempre debera
enfriarse entre 3 a 5 minutos antes de ser apagado. Cuando se apaga el
motor con el cojinete caliente, se corta la circulacin del aceite, cocinando
el aceite en el cojinete. Si vuelve a encender el motor (con el aceite
cocinado sobre el cojinete y el cojinete caliente) ste poda generar
malestares.
El motor turboalimentado requiere lubricacin instantnea. Es por eso que
la bomba de aceite en el crter tiene dos salidas de aceite. Entonces la
viscosidad del aceite es determinante. Si el aceite es muy viscoso, demora
en alcanzar el turbocompresor, causando mayor desgaste. No se
recomiendan aceites monogrados en motores equipados con
turbocompresor.
El 90% de todos los fallos que se producen en turbocompresores se debe a
las siguientes causas:
Penetracin de cuerpos extraos en la turbina o en el compresor.
Suciedad en el aceite.
Suministro de aceite poco adecuado (presin de aceite/sistema de
filtro).
Altas temperaturas de gases de escape (sistema de
arranque/sistema de inyeccin).
-
79
10. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
o Jovaj M.S. Motores de Automvil Editorial.MIR.1979.Mosc.
o Yunus A. Cengel. Termodinmica Sexta Edicin
o Jim P. Anselmo. Motores de Combustin Interna Primera edicin Per
o Tesis de Pregrado: Repotenciacin del motor IZUSU 1.3 con la
implementacin de un turbo compresor Universidad Politcnica Salesiana
-
80
ANEXOS
GRAFICA: RELACION DE COMPRESION vs. k
-
81
-
82
TABLA: Calor especifico molar medio de los productos de la combustin expresado en
kJ/kmolk del petrleo disel cuando alfa es igual a:
-
83
TABLA: El calor especifico molar medio d diferentes gases a volumen constante
expresado en KJ/kmolk
-
84
Plan De Mantenimiento Del Motor Sobrealimentado
Marca del motor: Mazda 1399 cm3 Turboalimentado
-
85
-
86
NOTA: Se cumple con la siguiente relacin 50Km/hora