Parametros de Diseño y Operacionales

Henry Espinoza B Parámetros de diseño y operacionales de los MCIA

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PARÁMETROS DE DISEÑO Y OPERACIONALES DE LOS MCIA


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INTRODUCCIÓN Los parámetros del motor se utilizan para expresar características constructivas y operacionales. Algunos de estos parámetros se definen durante el diseño y desarrollo del motor y generalmente no pueden variarse durante la vida del motor, como el diámetro, la carrera y la cilindrada. Otros parámetros no son constantes y varían con las condiciones operativas y son afectados por el deterioro normal durante loa vida del motor, como la potencia, que depende de la carga movida y el estado del motor. Los parámetros que se utilizan en la caracterización de los motores de combustión interna alternativos expresan algunos de los siguientes aspectos: Las prestaciones durante todo el rango operativo. El consumo de combustible dentro del rango operativo y el costo de dicho consumo. La contaminación por ruido o emisiones al ambiente La confiabilidad y durabilidad del motor. Los requerimientos de mantenimiento Los costos de instalación y operativos En el presente capítulo se presentarán parámetros relacionados con los tres primeros aspectos. PARÁMETROS GEOMÉTRICOS DE MOTORES ALTERNATIVOS Diámetro y carrera En los motores se utiliza el diámetro del cilindro como diámetro del motor (D) y como carrera (S) se define el recorrido del pistón desde el PMI al PMS. La carrera del pistón es igual al doble del brazo de la muñequilla del cigüeñal. En la figura 1 se muestra un esquema de un cilindro con indicación de D y S.

Fig. 1. Definición de carrera y diámetro La relación carrera/diámetro (S/D) es un parámetro tomado en cuenta en el diseño de los motores, de tal manera que a pesar de la gran variedad de modelos y fabricantes, los valores para un tipo de aplicación varia dentro de un margen estrecho. Entre 0,6 a 1,1 para MEP de

D S

PMS

PMI


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automoción, para MEC de automoción entre 0,9 y 1,2, para MEC 4T lentos entre 1,2 y 1,4 y para MEC de 2T entre 1,8 y 3. Cilindrada La cilindrada del motor puede ser de dos tipos: Cilindrada unitaria y cilindrada total. La cilindrada unitaria representa el volumen barrido por el pistón cuando se mueve entre el PMI y el PMS, por lo tanto es igual al producto del área del cilindro por la carera. Donde el área se calcula por la ecuación 1 y la cilindrada unitaria por la ecuación 2.

4

. 2DAp

(1)

SApV . (2) La cilindrada total (VT) es la suma de las cilindradas unitarias de todos los cilindros del motor (ecuación 3). Este parámetro es muy utilizado para especificar motores, debido a que la potencia es proporcional a la cilindrada. Por ejemplo un motor de 1,6 litros, quiere decir que el volumen barrido por todos los cilindros es igual a 1,6 litros. ZVVT . (3) Donde; Z es en número de cilindros del motor. Volumen de cámara de combustión (Vc) Representa el volumen ocupado por el fluido cuando el pistón se encuentra en el punto muerto superior. Este volumen incluye el volumen de la culata (Vccul), el del cilindro (Vccil) y el labrado dentro del pistón (Vcpist), mostrados en la figura 2. Por ejemplo, en los motores diesel el volumen principal es del pistón, mientras que en los motores de encendido por chispa el volumen principal es el de la culata.

pistcilcul VcVcVcVc (4)

Fig. 2 Componentes del volumen de la cámara de combustión

Vccul

Vccil

Vcpist


4

Relación de compresión (rc) Se define como la relación entre el volumen ocupado por el fluido cuando el pistón se encuentra en el PMI (Vc+Vd) entre el volumen cuando se encuentra en el PMS (Vc).

C

CDc V

VVr

(5)

Los valores de la relación de compresión varia entre 8 y 12 para MECH y entre 12 y 24 para MEC. La relación de compresión es un parámetro que influye sobre la eficiencia del motor. En la figura 3 se muestran curvas de eficiencia para tres tipos de ciclos ideales: (a) ciclo de volumen constante, (b) ciclo de presión limitada y (c) ciclo de presión constante.

Fig. 3 Ciclos ideales y efecto de la relación de compresión sobre la eficiencia indicada Del análisis de la figura 3 se puede deducir, que al aumentar la relación de compresión aumenta la eficiencia indicada del motor. Por otra parte, si comparamos los ciclos teóricos del motor de combustión a volumen constante (Otto) con el de combustión a presión limitada (Diesel) y el de presión constante para una misma relación de compresión, se puede demostrar que el ciclo Otto es más eficiente que el ciclo Diesel de presión limitada, siendo el de menor eficiencia el de combustión a presión constante. La demostración no es objetivo del presente libro, pero puede consultarse el tema de ciclos en cualquier libro de termodinámica básica. De acuerdo a lo anterior, pareciera teóricamente que es mas conveniente el motor de encendido por chispa que el motor de encendido por compresión, pero en la practica existe limitación en la máxima relación de compresión con que pueden operar los motores de encendido por chispa. Los valores máximos de relación de compresión en MECH estan

Relación de compresión

Eficiencia


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próximos a 12, por razones de problemas de detonación. Esto como es obvio, limita la eficiencia térmica de los MECH. Los motores de encendido por compresión, al operar a mayor relación de compresión, de 13 a 24, hacen que este tipo de motores opere con mayor eficiencia que los MECH. Volumen instantáneo de compresión El volumen de compresión es el volumen que en cada instante ocupa el fluido dentro de un cilindro para cualquier posición del cigüeñal o ángulo del cigüeñal. Es igual a la suma del volumen de la cámara de combustión más el volumen de la posición del pistón hasta el PMS. En la figura 4 se muestra gráficamente el significado del volumen de compresión. La ecuación 6 representa la relación entre la longitud de biela (l) y el brazo del cigüeñal (a). R varia entre 3 y 4 para motores pequeños y medianos y entre 5 y 9 para motores grandes de baja velocidad.

a

lR (6)

Fig. 4. Representación del volumen de compresión Para el cálculo del volumen del cilindro para cualquier posición del cigüeñal se utilizan las ecuaciones 7, 8 y 9.

salD

VV C 4

2 (7)

21

222. SenalCosAs (8)


6

2

1221

2

11 SenRCosr

V

VC

C (9)

Área de la cámara de combustión El área de la cámara de compresión o combustión a cualquier posición del pistón, se obtiene en función de parámetros geométricos por la ecuación 10 y en función del ángulo del cigüeñal por la ecuación 11. Donde Acc es el área de la culata y Ap el área del pistón. salDAAA pcc (10)

2

121

2

. SenRCosR

DAAA pcc (11)

El volumen y el área de la cámara de combustión, son parámetros importantes en el cálculo de la transferencia de calor y en general en el modelado y estudios de la combustión.


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PARÁMETROS OPERACIONES Velocidad instantánea del pistón La velocidad del pistón se obtiene derivando la ecuación 8 con respecto al tiempo, obteniéndose la ecuación 12.

21

221.

2..2

SenR

CossennSC (12)

La velocidad del pistón es cero al comienzo de las carreras, en los puntos muertos, alcanza un máximo cerca de la mitad de la carrera, como se muestra en la figura 5.

Fig. 5 Velocidad instantánea del pistón.

Es importante señalar que la velocidad instantánea depende de la relación biela/manivela (l/a) y de las rpm del motor, por lo tanto para una misma rpm el motor tendrá mayores velocidades del pistón si R decrece. Velocidad media del pistón (Cm) Representa la velocidad hipotética constante que tendría el pistón para recorrer su ciclo de desplazamiento correspondiente a una distancia lineal igual a dos veces su carrera (2S).

Cm = 2.S.n (13)

Los valores de velocidad media están limitados por la resistencia que produce para la entrada de los gases al motor y los esfuerzos debidos a la inercia de las partes en movimiento a valores entre 8 y 15 m/s (1500 a 3000 pies/min).


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La velocidad media el pistón es un parámetro muy importante para el motor ya que de él dependen la velocidad de desgaste y las fuerzas de inercia generadas por el pistón. Clasificación de los motores diesel por su velocidad Los motores se clasifican de acuerdo a su capacidad de velocidad. Para calcular la capacidad de velocidad es conveniente considerar, tanto la velocidad media del pistón como las rpm del motor. La capacidad de velocidad se mide por el Factor de velocidad (FV), el cual se define por la ecuación 14.

000.100

)(min)./( rpmnpiesCmFV (14)

Los motores diesel se clasifican según las siguientes reglas: Motores lentos 1 < FV < 3 Motores de media velocidad 3 < FV < 9 Motores de alta velocidad 9 < FV < 27 Motores de muy alta velocidad 27 < FV < 81 El uso del factor de velocidad para expresar la velocidad del motor en lugar de la velocidad media o las rpm, se debe a lo siguiente: Las rpm no toman en consideración el tamaño y carrera del pistón. Una carrera larga con una velocidad de rotación baja, menor de 750 rpm, puede dar una velocidad media del pistón alta. Por otro lado, motores con altas rpm y pequeña carrera puede producir baja velocidad media del pistón. Par o torque Es el parámetro que expresa la magnitud de la tendencia a girar del motor. Se mide mediante el uso de dinamómetros, multiplicando la fuerza que balancea la tendencia a girar (figura 4) aplicada en el brazo por la longitud medida desde el punto de aplicación de la fuerza hasta al centro de giro del freno. El par en el motor es el responsable de la capacidad de arranque y de mover cargas pesadas.

Fig. 6 Esquema del principio de medición del torque en dinamómetro.

Fuerza (F)

b bFT .


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Potencia indicada (Ni) La potencia es el trabajo realizado por unidad de tiempo y la potencia indicada es la potencia interna que se produce en el cilindro, como consecuencia de cumplirse el ciclo termodinamico correspondiente. En los motores alternativos, el trabajo indicado (Wi) se puede obtener a partir del diagrama indicado por la ecuación 15 y la potencia indicada (Ni) por la ecuación 16.

PdvZWi . (15)

inWiNi .. (16)

i es el parámetro de combustión/vueltas del ciclo. En los motores de cuatro tiempos se produce una combustión por dos vueltas del cigüeñal, por tanto, i = 1/2 para motor de 4 tiempos e i =1 para motor de 2 tiempos Potencia efectiva (Ne) Es la potencia disponible en el eje de salida de motor. La potencia efectiva se mide en banco de potencia (freno) a través de la potencia consumida por la maquina movida. La potencia efectiva (Ne) se calcula a partir del torque (T) por la ecuación 17. Un motor con alta potencia efectiva es un motor que puede acelerar mas rápidamente. Como la potencia depende del torque y la velocidad de giro del motor (n). Para el aprovechamiento de la potencia del motor se juega con estos dos parámetros dependiendo los requerimientos. Por ejemplo, en los MECH de automoción, cuando se requiere máximo par se trata de operar el motor a la mitad del régimen máximo, aproximadamente (2.500 a 3.000 rpm), si se quiere máxima velocidad se opera el motor a máxima rpm, que corresponde con la máxima potencia del motor. TnN ...2 (17) Potencia de pérdidas mecánicas (Npm) La potencia de pérdidas mecánicas, representa la parte de la potencia indicada que se pierde en el proceso de admisión y escape (pérdidas de bombeo) y las pérdidas debida a la fricción y necesidad de refrigeración del motor. Es igual a la potencia indicada menos la potencia efectiva

Npm = Ni – Ne (18)

Potencia especifica La potencia específica representa la potencia por unidad de cilindrada (N/VT) o la potencia por unidad de peso (N/peso). Las unidades son KW/l o KW/kg, respectivamente. La potencia específica es el parámetro que expresa que también es aprovechado el peso o el volumen del motor para generar potencia. En algunas aplicaciones, como la aeronáutica y en


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automoción es necesario reducir el peso del motor y aumentar la potencia. En estas aplicaciones se busca utilizar motores de mayor potencia específica. Balance de potencia del motor La eficiencia y el funcionamiento suave del motor dependen en gran parte del balance de potencia entre todos los cilindros. El balance de potencia del motor consiste en lograr que todos los cilindros produzcan aproximadamente la misma potencia, la diferencia debe estar dentro de la tolerancia establecida por el fabricante. Las causas de desbalances de potencia entre los cilindros son: Mal ajuste de válvulas, mal ajuste de inyectores, Bujías defectuosas, desgaste de anillos, desgaste de guías de válvulas, etc. Potencia de circulación La potencia de circulación es la potencia que debe suministrar el motor para que un vehículo automotor pueda desplazarse. Esta potencia se divide en tres tipos, de acuerdo a la resistencia que se opone al desplazamiento. VFN t . (19)

Donde, N es la potencia, Ft es la resistencia total y v es la velocidad del vehículo. La resistencia total es la suma de la resistencia a la rodadura (Fr), la resistencia aerodinámica (Fa) y la resistencia a la subida (Fs) (figura 7). sart FFFF (20)

Fig. 7. Fuerzas sobre el vehículo

La resistencia a la rodadura debida a los neumáticos es igual a: gmCF rr . (21) Donde, Cr es el coeficiente de rodadura, el cual varia entre 0,0015 y 0,05 para neumáticos de vehículos de turismo sobre pavimento, 0,1 a 0,35 sobre tierra, 0,006 a 0,001 para neumáticos


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de vehículos pesados sobre concreto o asfalto, m es la masa del vehículo incluyendo la masa de las personas y g es la aceleración de gravedad (9,81 m/s2). La resistencia a la rodadura se incrementa cuando el vehículo cruza. Este incremento se considera afectando la ecuación 21 por un factor de cruce. La resistencia aerodinámica es igual a:

2...5,0 VoVACaAF (22) donde, A es la sección transversal del vehículo, Vo es la velocidad del viento frontal y Ca es el Coeficiente Aerodinámico (Tabla 1) La resistencia a la subida se debe al peso y la inclinación del vehículo. Puede ser positiva o negativa, dependiendo de si el vehículo baja o sube respectivamente. Se calcula por la ecuación 23. Tabla 1. Coeficiente aerodinámico de vehículos

Tipo vehículo Ca Tipo vehículo Ca Turismo descapotable 0,5-0,7 Vehículo con neumáticos tapados 0,2-0,25 Camioneta rústica 0,5-0,6 Vehículo aerodinámico 0,15-0,20 Vehículo convencional 0,4-0,55 Camiones 0,8-1,5 Vehículo tipo cuña 0,3-0,4 Autobuses 0,6-0,7 Motocicletas 0,6-0,7 SengmsF .. (23)

donde, P es el peso, m es la masa, g es la aceleración de gravedad y v la velocidad del vehículo. Presión media indicada (Pmi) Es la presión constante que actuaría sobre el motor en todo el recorrido del pistón que produciría un trabajo indicado igual al medido en el diagrama indicado (figura 8). Se calcula a partir de trabajo indicado por la ecuación 24.

DV

pdvZpmi (24)

La presión media indicada, al igual que la eficiencia depende de la relación de compresión. En la figura 9 se muestra el efecto de la relación de compresión sobre la presión media efectiva. Se observa que los motores diesel (Presión limitada) producen mayor presión media efectiva que los motores de encendido por chispa (Volumen constante), debido a que se diseñan para mayor relación de compresión.


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Fig. 8 Esquema gráfico del significado de la presión media efectiva Analizando la ecuación 24, se puede deducir que la presión media efectiva expresa cuanto trabajo o energía se produce por cada unidad de volumen del cilindro, por lo que se puede interpretar como un parámetro que mide el grado de aprovechamiento del motor. Para poder tener una presión media alta se requiere aumentar la eficiencia de cada uno de los procesos del motor y reducir las pérdidas de energía. Los valores típicos de presión media efectiva en motores son los siguientes: MECH de aspiración natural

Valores máximos a Tmax: 850 – 1050 kPa (125-150 lb/pulg2) a 3.000 rpm Valores potencia máxima: 10 a 15% menor que el Pme máximo

MECH automotrices turboalimentado Valores máximos a Tmax: 1250 – 1700 kPa (180-250 lb/pulg2) Valores potencia máxima: 900 – 1400 kPa (130-130 lb/ pulg2) Diesel de cuatro tiempos de aspiración natural Valores máximos a Tmax: 700 – 900 kPa (100-130 lb/ pulg2) Valores potencia máxima: 700 kPa (100 lb/ pulg2) Diesel de cuatro tiempos turboalimentados Valores máximos a Tmax sin postenfriamiento: 1.000 – 1.200 kPa (145-175 lb/ pulg2) Valores máximos a Tmax con postenfriamiento: 1.000 – 1.400 kPa (145-200 lb/ pulg2) Valores potencia máxima: 850 - 950 kPa (125-140 lb/ pulg2) Diesel de dos tiempos Pme similares a motores de cuatro tiempos Motores lentos de dos tiempos marinos y estacionarios Valores máximos: 900 - 1.700 kPa.


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Fig. 9 Efecto de la relación de compresión sobre la presión media indicada Caso de ciclos ideales

Presión media y potencia Existe una relación directa entre la presión media y la potencia del motor. La relación entre la presión media indicada y la potencia indicada para motores monocilíndricos se expresa por la ecuación 25 y en función de la velocidad media por la ecuación 26.

... inV

NPmi

D

i (25)

2

... iCmApPmiNi (26)

Donde, i es igual a ½ para motores de 4 tiempos e igual a 1 para motores de 2 tiempos. Para el caso de motores poli cilíndricos se sustituye VD por Z.VD o VT, obteniéndose:

... inV

NPmi

T

i (27)

2

.... iCmApZPmiNi (28)


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Para el caso de la relación de la potencia efectiva y la presión media efectiva en las ecuaciones 25, 26, 27 y 28 se sustituyen la potencia indicada y presión media indicada por la potencia efectiva y presión media efectiva, respectivamente. La presión media efectiva en función del torque se expresa por la ecuación 29

...

..2

inV

TPme

T

(29)

Sustituyendo en la ecuación 18, la potencia efectiva, la potencia indicada y de pérdidas mecánicas por las relaciones de presión media respectiva obtenida de la ecuación 25, se obtiene la ecuación 30.

Pmpm = Pmi – Pme (30)

Relación aire-combustible y dosado La relación aire combustible es igual al cociente obtenido al dividir el flujo másico de aire admitido entre el flujo de combustible alimentado al motor.

F = ma/mf (31) El recíproco de la relación aire combustible es el dosado y es igual a:

F = mf/ma (32) El dosado relativo es el cociente entre el dosado real entre el dosado estequimétrico obtenido del balance de la ecuación estequiométrica.

Fr = F/Fe (33) Si la cantidad de combustible es superior a la estequimétrica (Fr > 1) la mezcla se denomina (RICA), si es igual a la estequimétrica (Fr = 1) se llama (ESTEQUIMÉTRICA) y se es inferior (Fr < 1) se llama (POBRE). En los MECH el dosado relativo suele ser ligeramente rico, aunque algunos motores actuales y futuros usarán dosados pobres. Los MEC utilizan dosados relativos menores a 0,7. Rendimiento y consumo específico Se define como Consumo específico de combustible (gef) la relación entre el consumo de combustible por unidad de tiempo entre la potencia. Este es el parámetro más significativo del consumo de combustible, ya que el consumo horario (mf) depende de las rpm, la potencia y la carga del motor.


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gef = mf / N (34) Los MECH tienen valores típicos de consumo específico efectivo de 270 gr/kW.h (0,47 lbm/hp.h). Para MEC se obtienen valores mejores (270 - 165 gr/kW.h). Los motores grandes lentos alcanzan valores por debajo de 200 gr/kW.h. La eficiencia define la efectividad de la conversión del combustible en potencia.

Hcm

N

f . (35)

La eficiencia de los MECH varia entre 0,25 y 0,30. La eficiencia en los MEC varía entre 0,30 y 0,50. El poder calorífico (Hc) usado en los motores varía entre 42 y 44 MJ/kg (18.000 a 19.000 Btu/lbm) De las ecuaciones 34 y 35 se deduce que la eficiencia es inversamente proporcional al consumo específico de combustible.

Hc

gef.

1

(36)

Eficiencia volumétrica La eficiencia volumétrica es el parámetro que mide la efectividad del sistema de admisión del motor para llenar el cilindro. La eficiencia volumétrica solo se usa en motores de cuatro tiempos. Matemáticamente, se define como la relación del flujo de aire que entra al motor entre el volumen desplazado.

nV

m

Ta

av .

.2

(37)

Donde a es la densidad del aire de admisión Los valores típicos máximos para motores de aspiración natural esta en el rango de 80 a 90%. La eficiencia volumétrica de los motores diesel es superior a la de los motores de encendido por chispa, debido a que no utilizan válvulas de estrangulamiento en la admisión. Corrección de la potencia y la eficiencia volumétrica Para la corrección de la potencia actual para llevarla a la potencia normalizada (No), referida esta última a las condiciones de referencia o estándar del aire (Tabla 2) se utilizan las ecuaciones 38 y 39.


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No=CN N (38)

2

1

0

0

T

T

PvP

PCN (39)

Donde, Po presión de referencia del aire seco, To temperatura de referencia, Pv presión parcial del vapor, P presión medida y T temperatura medida. Para la corrección de la eficiencia volumétrica actual para llevarla la eficiencia normalizada (0) a las condiciones de referencia o estándar del aire (Tabla 2) se utiliza la ecuación 36.

2

10

T

TC O

V

(40)

Tabla 2 Condiciones del aire estándar

Presión aire seco (P0)

Presión vapor de agua (Pv0)

Temperatura (T0)

736,6 mmHg 9,65 Hg 29,4 ºC 29,00 in Hg 0,38 in Hg 85 ºF

Emisión específica e índices de emisión Los óxidos de nitrógeno (NO y NO2), el monóxido de carbono (CO) y los hidrocarburos sin quemar (HC) son productos controlados por las normativas legales e importantes para evaluar las prestaciones del motor. Las concentraciones de las emisiones gaseosas del motor se miden generalmente en partes por millón o porcentajes, lo cual representa la fracción molar multiplicada por 106 o 102, respectivamente. Con el fin de tener valores más indicativos del nivel de las emisiones gaseosas se utilizan los valores medidos normalizados con la potencia. Los valores pueden ser indicados o efectivos, de pendiendo de la potencia usada (ecuaciones 41, 42 y 43).

N

msNOx xON

(41)

N

msCO OC (42)


17

N

msHC HC

(43)

Otra alternativa utilizada es la normalización con respecto al consumo de combustible, conocido como Índice de Emisión.

skg

fm

sgr

xONmIE

(44)

Heywood (1988) establece los siguientes valores de parámetros operativos y de diseño para motores de combustión interna. Tabla. 3 Parámetros típicos de diseño y operacionales (Heywood) Tipo Motor Ciclo Rc D(m) S/D rpm Pme

(bar) KW/dm3 Kg/k

W Gfc

(g/kW.h)MECH

Pequeños 4T, 2T

6-11 0,05-0,085 1,2-0,9 4500-7500 4-10 20-60 5.5-2,5 350

Carros 4T 8-10 0,07-0,100 1,1-0,9 4500-6500 7-10 20-50 4-2 270 Camiones 4T 7-9 0,09-0,130 1,2-0,7 3600-5000 6,5-7 25-30 6,5-2,5 300 Grandes a gas 2T,

4T 8-12 0,22-0,450 1,1-1,4 300-900 6,8-12 3-7 23-35 200

Wankel 4T 9 0,57 dm3 por cámara

6000-8000 9,5-10,5 35-45 1,6-0,9 300

DIESEL Carros 4T 17-23 0,075-0,10 1,2-0,9 4000-5000 5-7,5 18-22 5-2,5 250 Camiones (AN)

4T 16-22 0,1-0,15 1,3-0,8 2100-4000 6-9 15-22 7-4 210

Camiones (TS)

4T 14-20 0,1-0,15 1,3-0,8 2100-4000 12-18 18-26 7-3,5 200

Locomotoras, industriales y marinos

4T, 2T

12-18 0,15-0,40 1,1-1,3 425-1800 7-23 5-20 6-18 190

Grandes marinos y estacionarios

2T 10-12 0,4-1,00 1,2-3,0 110-400 9-17 2-8 12-50 180

AN: Aspiración natural; TS: Turbo - sobrealimentación


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CARACTERÍSTICAS DE LA CARGA DE LOS MOTORES Los motores de combustión interna alternativo reciben requerimiento de carga dependiendo de su aplicación. En motores de automoción la carga varia en un amplio margen desde ralentí hasta máxima carga, pasando por una variedad de revoluciones del motor. En motores de aplicación industrial para accionamiento de bombas, generadores y compresores el motor suele operar a velocidad constante pero los requerimientos de carga varían al cambiar el par resistente. El motor responde a la exigencia de carga de formas diferentes. Los motores de encendido por chispa regulan la carga del motor de forma cuantitativa, mediante la introducción mayor o menor cantidad de mezcla aire – combustible, la cual mantiene una composición que varia dentro de un pequeño rango. Los motores de encendido por compresión regulan la carga de manera cualitativa, mediante la inyección de mas o menos cantidad de combustible, de esta manera se varía la relación aire combustible, ya que la cantidad de aire admitida por cilindro es aproximadamente la misma para cualquier condición de carga. Los motores diesel duales comprimen una mezcla pobre de gas que no permite su autoencendido, por lo que la ignición se hace por inyección de combustible. En estos motores se reduce la cantidad de combustible diesel consumido, el cual es compensado por el gas admitido con el aire.


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CURVAS CARACTERISTICAS Y PRUEBAS DE MOTORES. Existen tres curvas características típicas de un motor alternativo: La curva potencia – rpm, Torque – Rpm y consumo especifico – rpm. Todas estas curvas se obtienen a máxima carga. En la figura 10 se muestra un mapa de característico de un motor de combustión interna. Las observaciones que se pueden extraer de esta figura son las siguientes:

1. El motor funciona dentro de un rango de rpm: Revoluciones de ralentí y revoluciones máximas. Las revoluciones mínimas la establecen el equilibrio entre el torque producido y el torque de perdidas mecánicas, Este torque de perdidas mecánicas disminuye al aumentar las rpm. Las máximas rpm están definidas por razones de resistencia mecánica.

2. El torque tiene un valor máximo 3. La potencia tiene un valor máximo, que no suele coincidir con el valor de rpm de torque

máximo. En los motores de encendido para las rpm máximas la potencia es inferior a la máxima

4. La curva de consumo especifico muestra un comportamiento similar al del torque. Como el consumo especifico es el reciproco del rendimiento, ambas curvas se nuestran con opuestas.

La forma de las curvas de potencia y torque varía de acuerdo a características del sistema de admisión. En la figura 11 se muestran diferentes curvas características de motores diferentes. Fig. 10 Curvas características de un motor de encendido por chispa

P

T

gef

P(max)

P(Tmax)T(Pmax)

T(max)

gef(min)

RPM


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Motor Detroit Diesel Serie 60 12,7L Catepillar Industrial Open Power Unit C2.2 Fig. 11. Curvas características de motores con diferentes sistemas de admisión.


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EJERCICIOS PROBLEMAS 1. Cual es la cilindrada unitaria de un motor de encendido por chispa de cuatro cilindros y 1,8

litros. 2. Calcular la velocidad media del pistón, presión media efectiva y potencia específica a

máxima carga de un motor diesel Carterpillar sobre alimentado, inyección directa, cuatro tiempos, seis cilindros. Diámetro y carrera de 137,2 mm x 165,1 mm, potencia máxima de 200 a 300 KW, para las velocidades de 1600 a 2100 rpm. De una explicación breve de del significado de los resultados.

3. De un motor de encendido por chispa de cuatro cilindros y cuatro tiempos, se conocen los

siguientes datos: Cilindrada total: 903 cm3, Relación carrera/diámetro: 1; Potencia efectiva a 6200 r.p.m.: 35 Kw; Dosado Absoluto: 1/12,5; Rendimiento efectivo: 0,27. Calcular: Presión media efectiva, Velocidad media del pistón, Consumo efectivo en gr./Kw.h y Rendimiento volumétrico.

4. Clasificar el motor con las siguientes características en función del factor de velocidad.

2.000 rpm y 12 pulgadas de carrera. 5. ¿Qué potencia debe suministrar el motor de un vehículo convencional, cuando circula por

una carretera horizontal a 100 km/h en contra de un viento a 20 km/h, si pesa 1.500 kg, tiene un coeficiente de rodadura de 0,03, una sección transversal de 1,5 m2?.

6. ¿En cuanto se incrementa o disminuye la potencia obtenida en el problema 6, si se

presentan los siguientes casos:

a) Aumenta la velocidad hasta 150 km/h. b) Si sube por una carretera de 5º de pendiente. c) Si es un vehículo rústico. d) Si es un autobús. e) Si se le aumenta la carga y el peso total se duplica.

7. Un motor Cummins de inyección directa, cuatro tiempos, seis cilindros y sobre

alimentado. De 10 litros de cilindrada total, diámetro de 125 mm, carrera de 136 mm, relación de compresión de 16,3, potencia máxima de 246 KW a la velocidad de 2.100 rpm, opera a la velocidad media del pistón de 8 m/s. Calcular el flujo de aire de admisión si la eficiencia volumétrica es de 0,92. El dosado absoluto es 0,05. ¿Cual es el flujo de combustible y la masa de combustible inyectado por cilindro y ciclo?

8. El motor Ford 1.6i tiene las siguientes características: 4 tiempos, 4 cilindros, cilindrada

total: 1.597 cm3; Diámetros de pistones: 79,96 mm; carrera: 79,52 mm; relación de

compresión: 9,5:1; Potencia máxima 105 CV/6.000 rpm; Par máximo 14,1 Kg-m a 4.800


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rpm. Consume a régimen de potencia máxima 100 cc en 11 seg y a par máximo en 18 seg.

Si la densidad de la gasolina es 0,76 Kg/dm3. Calcular:

a) Velocidad media del pistón para par y potencia máxima. b) Potencia para el punto de par máximo c) Par para el punto de potencia máxima. d) Presión media efectiva para los dos puntos. e) Consumo específico para los dos puntos f) Dosado relativo en los dos puntos si el dosado estequiométrico es 1/15 g) Graficar aproximadamente las curvas Potencia - rpm; Par -rpm y Consumo

especifico -rpm 1 CV = 1,358 KW 1 Kg.m = 0,10 N.m

9. Un MCIA esta funcionando con una velocidad media del pistón de 10 m/s, el consumo de

aire es de 60 g/s. ¿Calcular la eficiencia volumétrica basada en las condiciones atmosféricas?. El motor es de 2,2 litros de cilindrada total, cuatro cilindros, diámetro del cilindro 87,5 mm, carrera de 92 mm, relación de compresión de 8,9 y máxima potencia de 65 KW a 5.000 rpm.

10. Calcular la velocidad media del pistón, presión media efectiva y potencia específica a máxima carga de un motor marino diesel Sulzer sobre alimentado, dos tiempos,. Diámetro y carrera de 840 mm x 2.900 mm, potencia máxima de 1,9 MW por cilindro a 78 rpm, de 4 cuatro cilindros y 12 cilindros. De una explicación breve del significado de los resultados.

11. Un MCIA esta funcionando con una velocidad media del pistón de 10 m/s, el consumo de

aire es de 60 g/s. ¿Calcular la eficiencia volumétrica basada en las condiciones atmósfericas?. El motor es de cuatro cilindros, diámetro del cilindro 87,5 mm, carrera de 92 mm, relación de compresión de 8,9 y máxima potencia de 65 KW a 5.000 rpm.

12. Calcular la velocidad media del pistón, presión media efectiva, potencia específica del

motor de encendido por chispa del problema 7.

13. Clasifique el motor diesel del ejercicio 12 en función de su velocidad 14. Cual es el valor normalizado de la potencia de un motor de 200 HP medida a 0,95 bar, 25

ºC y humedad relativa de 80%. 15. Calcular la potencia normalizada del vehículo del problema 6, si se supone que esta

calculada a 30 ºC, 750 mm Hg y humedad relativa de 75%. 16. Calcular las emisiones específicas de NOx, CO y HC de un motor que emite los siguientes

valores: Condición HC(PPM) CO(%) NOx(PPM) N(kW) Flujo (m3/min)

Ralentí 1000 5 30 2 0,9 Aceleración 500 8 3000 100 5,0


23

Crucero 300 6 2000 150 1,5

19. La norma de la Comunidad Europea establece como límites de emisiones de vehículos los siguientes valores CO: 11,2 g/kW.h; HC: 2,4 g/kW.h y NOx: 14,4 g/kW.h. ¿Cuánto es la masa máxima que debe emitir un vehículo durante una hora, un día y un año de cada uno de los productos de emisión señalado? PREGUNTAS 1. Entre dos motores, uno encendido por chispa y otro diesel, ambos con la misma cilindrada,

número de cilindros y relación de compresor. ¿Cual tendrá mas potencia y por que? 2. ¿Por qué los motores diesel suelen tener mayor rendimiento que los de encendido por

chispa? 3. ¿ Que fenómeno negativo para el motor se puede presentar en un motor diseñado con una

velocidad media del pistón muy alta o muy baja? 4. Si un motor tiene una alimentación desigual de mezcla a los cilindros ¿Se puede decir que

esta desbalanceado?. Explique su respuesta. 5. ¿Por qué es importante el balanceó de los cilindros de los motores, especialmente en los

grandes? 6. ¿Qué se entiende por regulación de la carga de un motor y por qué la regulación de los

motores diesel se dice que es cualitativa? 7. ¿Por qué los motores de potencia muy alta suele ser diesel de dos tiempos? 8. Si dos vehículos idénticos se desplazan de una ciudad A a otra B a la misma velocidad y el

A lleva el doble de la carga que el B. Al llegar al destino el vehículo A ha consumido el doble de combustible. ¿Cuál de los dos vehículos es más eficiente?


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BIBLIOGRAFÍA Bosh. “Automotive Handbook”. SAE. 1993. Heywood John. “Internal Combustion Engine Fundamentals”. McGraw-Hill Book Company. 1888. Heisler Heinz. “Advanced Engine Technology”. SAE International. 1995 Muñoz y Payri. “Motores de combustión interna alternativo”. Servicio de publicaciones Universidad Politécnica de Valencia. España. 1987.

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