INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENERA MECNICA Y ELCTRICA UNIDAD PROFESIONAL TICOMN INGENIERA AERONUTICA FUNDAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA POTENCIA EN ALTITUD

ALUMNOS: CASTAEDA ROJAS ADRIN CASTILLO LUNA EDWIN GIOVANNI DAZ GUADIN GUSTAVO ADOLFO GALLEGOS ARREDONDO EDGAR GUADALUPE GARCA MANCERA NERI ALBERTO GODINEZ ROQUE OMAR VELARDE VAZQUEZ LUIS NGEL GRUPO: 5AV1-O PROFESOR: ING. LUNA LINARES EDGAR

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INDICE GENERALObjetivo Introduccin Justificacin Nomenclatura Contenido Principio de funcionamiento Resea de Len Foucault Aplicaciones de las corrientes Funcionamiento Aplicaciones: frenado de flujo Dinammetro de corrientes parsitas comerciales Seleccin del dinammetro Anexo figuras Conclusiones Referencia bibliogrfica 3 4 5 7 8 8 8 9 10 12 13 14 15 18 19

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OBJETIVO- Aclarar algunos conceptos sobre la generacin de potencia en el motor de aviacin alternativo, como as tambin su uso adecuado para poder obtener los mejores rendimientos. - Otro de los objetivos es estudiar el efecto de la altitud sobre la potencia en motores de aspiracin natural y turbo sobrealimentados sin sistemas correctores, en funcin de la presin ambiental. Para ello debemos saber que la altitud sobre el nivel del mar tiene un notable efecto sobre la densidad del aire y su composicin. Dado que los motores de combustin interna tienen sistemas de admisin y de inyeccin de combustible volumtricos, la altitud modifica el ciclo termodinmico de operacin, y en consecuencia las prestaciones, as como las condiciones locales de combustin, y por tanto la formacin de contaminantes. Se ha obtenido una expresin que permite calcular el incremento de relacin de compresin de los turbocargadores, necesario para evitar cualquier prdida de potencia al aumentar la altitud.

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INTRODUCCINSabido es que la mayora de los aviones para uso deportivo, recreativo y comercial de pequeo porte utilizan motores de cuatro tiempos, de cuatro a seis cilindros, con potencias de hasta 350 HP; pudiendo ser estos con carburador, con inyeccin de combustible, simplemente aspirados o sobrealimentados. Como tenemos entendido la disminucin de la presin y la temperatura atmosfrica afecta a la densidad del aire y su composicin, y en consecuencia, a las prestaciones de toda mquina trmica. Este problema es ms acentuado en mquinas trmicas de desplazamiento volumtrico como los motores de combustin interna alternativos, y dentro de ellos, an ms en los de aspiracin natural. La medida de las presiones en el cilindro as como en los conductos de admisin y escape son importantes desde el punto de vista del control de los datos tericos del motor, de la puesta a punto y de la investigacin experimental; adems de ayudar a realizar la medicin de la potencia o el trabajo realizado en unidad de tiempo de una maquina trmica; para nuestra carrera el estudio de la misma a diferentes condiciones atmosfricas es muy importante debido a que como ya se ha mencionado los motores de combustin interna tendrn diferentes parmetros de funcionamiento a diferentes altitudes y debido a que los aviones modifican frecuentemente su altura de vuelo es necesario conocer como se modifica la potencia.

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NOMENCLATURA Potencia: cantidad de trabajo realizado en una unidad de tiempo. Potencia dinmica: es la potencia cuando se realiza en ambiente fluido y

no esttico. Freno.-se le conoce como freno a otra denominacin del dinammetro. Foucault.- Jean Bernard Lon Foucault, fue un fsico francs, que desarrollo el Principio de corrientes parsitas. Estator: Es la parte fija de una mquina rotativa y uno de los dos elementos fundamentales para la transmisin de potencia (siendo el otro su contraparte mvil, el rotor). El trmino aplica principalmente a la construccin de mquinas elctricas. Rotor: Es el componente que gira (rota) en una mquina elctrica, sea sta un motor o un generador elctrico. Junto con su contraparte fija, el estator, forma el conjunto fundamental para la transmisin de potencia en motores y mquinas elctricas en general. Restato: Es un resistor de resistencia variable.

CONTENIDOEFECTO DE LA ALTITUD5

El rendimiento global, si bien, predominan global depende de dos valores: el rendimiento de la propulsin y el rendimiento trmico o del motor. La altura motiva unos efectos contradictorios en el rendimiento global, si bien predominan las ventajas sobre los inconvenientes. Ventajas de la altura: a) A mayor altura existira menor resistencia al avance, aumentando pues la velocidad del avin y, como resultado, aumentara el rendimiento de la propulsin, y por consiguiente el rendimiento global.

b) El incremento de la velocidad con la altura hace aumentar la presin dinmica, aumentando la compresin adiabtica y, por lo tanto, la energa mecnica total obtenida en el motor, aumentando por lo tanto el rendimiento global.

c) No obstante la desventaja de la disminucin de aire admitido por menor densidad, como dicha disminucin de densidad del aire se manifiesta por igual delante del compresor como detrs de la tobera, mejorara la expansin de los gases, y con ello el rendimiento de la turbina, obtenindose un rendimiento global mayor.

d) El aire, aun siendo menos denso, al estar a mas baja temperatura necesita menos energa para la compresin, que se manifiesta de forma indirecta tambin en un mayor rendimiento global. Inconvenientes de la altura: a) Al disminuir la densidad del aire, disminuir la masa del fluido a travs del motor, disminuyendo el empuje y la energa comunicada al compresor por la turbina.

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b) Si se mantiene el consumo de combustible, al disminuir la densidad del aire aumentara la temperatura de entrada del gas a la turbina, y con ello el rendimiento trmico, pero al verse incrementada la velocidad de salida de gases, disminuir el rendimiento de la propulsin. Con objeto de que esto no ocurra, las unidades de regulacin automtica de combustible mantienen constante la relacin aire/combustible para el aire primario que pasa a las cmaras de combustin, disminuyendo de esta forma el incremento de la velocidad de salida. Por lo expuesto se observa que predominan las ventajas sobre los inconvenientes y, por lo tanto, el rendimiento global se mantiene en rgimen creciente hasta una determinada altura, a partir de la cual aumentaran los efectos perjudiciales al disminuir el rendimiento de propulsin por descenso de empuje. La altura mxima de operacin del avin se obtendr cuando se igualen la mxima traccin disponible con la resistencia al avance del avin. El rendimiento indicado disminuye con la altitud debido principalmente a que la presin en el cilindro es menor a lo largo de todo el ciclo del motor, si bien otros efectos relacionados con la incorporacin del combustible tambin influyen. Todo ello provoca una prdida de potencia indicada. Aunque la potencia de prdidas mecnicas se reduce ligeramente con la altitud debido a que la potencia de prdidas de bombeo y la de rozamiento se reducen por la disminucin de la contrapresin de escape y de presin en el cilindro respectivamente, esta disminucin es mucho menos significativa que la de la potencia indicada. Por lo tanto, la prdida relativa de potencia efectiva es incluso mayor que la indicada y creciente al disminuir el rendimiento mecnico del motor.

MOTOR

ASPIRADO CON CARBURADOR

EQUIPADO

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La mezcla nafta/aire en los cilindros del motor, es transformada en energa trmica mediante el sistema de encendido en el proceso de la combustin, generando a la vez trabajo mecnico y potencia transmitidos a la hlice por el movimiento de los pistones, bielas y cigeal . Es entendible por cierto que una buena carburacin es de suma importancia para obtener los resultados esperados en el funcionamiento del motor, y debe caracterizarse por ofrecer un fcil arranque, corto tiempo de calentamiento, excelente aceleracin y potencia en los regmenes de despegue y ascenso y bajos consumos especficos en los regmenes de crucero (Kg. de combustible/HP/Hora), adems de una marcha pareja y segura en las condiciones de descenso a bajas potencias. El carburador a su vez est comunicado con los cilindros mediante el mltiple de admisin y sus ductos o tubos de admisin, los cuales conducen la mezcla nafta/aire desde el carburador, ingresando a travs de las vlvulas de admisin a cada uno de los cilindros. Es de suma importancia para obtener un buen rendimiento del motor, que el proceso de la combustin sea el ptimo, para lo cual es necesario que la relacin de mezcla sea la adecuada. Esta relacin de mezcla en las operaciones normales suele variar entre 1/12 a 1/15 proporciones en peso de nafta/aire.

Visto estos conceptos veamos que pasa con el aire que ingresa al carburador. El mismo es aspirado por el movimiento descendente de los pistones en su carrera de admisin actuando como bomba de vaco. El caudal en peso de esta corriente de aire es controlado por la vlvula del carburador conocida como "mariposa", cuya abertura es a su vez controlada por el piloto mediante el acelerador o comando de gases. En su paso a travs del Venturi del carburador

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aspira el combustible dosificado por surtidores calibrados, comenzando el proceso de mezcla de ambos elementos (nafta/aire). El caudal de aire que pasa por la vlvula mariposa es de fundamental importancia, ya que determina la cantidad de gasolina que quemar en la cmara de combustin de cada cilindro y en consecuencia cuanta potencia se podr obtener. Expresndonos tcnicamente caudal de combustible y potencia del motor dependen de la masa de aire que ingresa a los cilindros y especficamente de su densidad. Es por esta razn que al aumentar nuestro nivel de vuelo o altitud se debe corregir la relacin nafta/aire, dado que la densidad del aire disminuye. En consecuencia, se deber disminuir la cantidad de combustible para mantener esta relacin en sus valores ptimos. Caso contrario la misma se enriquecera en combustible, disminuyendo el rendimiento de la combustin, no trabajando en el rango de potencia deseado, aumentando el consumo especfico y empobreciendo las performances del avin. Una forma indirecta y elemental de medir potencia sera medir la densidad del flujo de aire que pasa por la mariposa del carburador, pero esto adems de no ser fcil no es una forma prctica. Mucho ms prctico es medir la presin de la mezcla que va ingresando a los cilindros. Esto es lo que se conoce como presin absoluta del mltiple de admisin. En algunos textos lo encontraremos como MAP que en ingls significa Manifold Absolute Pressure. Generalmente esta presin se mide en pulgadas de una columna de mercurio, por medio de un instrumento cuyo comportamiento es similar al de un altmetro. Estando el motor en marcha con la vlvula mariposa prcticamente cerrada, es decir en la condicin de relent o regulando a baja potencia, la cantidad de aire

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aspirada por los pistones en su carrera de admisin es poca, generando un vaco parcial en el mltiple de admisin y en consecuencia una MAP del orden de las 10 pulgadas, siendo la presin externa aproximadamente de 30 pulgadas (exactamente 29.92 pulgadas de Hg) en condiciones de atmsfera estndar a nivel del mar. En estas condiciones solamente 1/3 de la presin atmosfrica es aplicada en el mltiple de admisin y en consecuencia la potencia obtenida es muy baja. Cuando el piloto abre el acelerador la vlvula mariposa es accionada permitiendo mayor paso de aire, la presin en el mltiple aumenta y tiende a igualarse con la atmosfrica y el motor genera su mxima potencia en esas condiciones. En la prctica, estando el acelerador completamente abierto (vlvula mariposa abierta para el mayor caudal de aire), la presin en el mltiple no alcanza a igualar a la atmosfrica, debido a una prdida de carga y en consecuencia de presin en su recorrido en el sistema de admisin. Normalmente esta prdida de presin suele ser de aproximadamente 2 pulgadas. Esto quiere decir que en condiciones de Atmsfera Estndar y a nivel del mar, la MAP en el motor de nuestro avin sera de 28 pulgadas cuando la vlvula mariposa est totalmente abierta. Sabemos que a mayor altura la presin atmosfrica desciende, lo mismo sucede con la densidad del aire, en consecuencia, a medida que el avin asciende, la MAP tambin disminuye y esto en detrimento de la potencia. En los motores turboalimentados el aire de induccin es comprimido, elevando la MAP y aumentando la potencia en relacin a un motor simplemente aspirado, en estos motores la altitud crtica es la mayor altitud en la cual se puede mantener la mxima presin de admisin permisible. La MAP es la indicacin del peso de mezcla combustible/aire que se introduce en los cilindros y generalmente es tomada como una medida de potencia aunque en realidad esto no es as.

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La potencia de un motor alternativo de explosin depende de dos variables fundamentales que son las siguientes: MAP y RPM.

Ahora bien, fijados estos valores mediante los mandos correspondientes existe otro parmetro de importancia en la obtencin de la potencia requerida y que es la riqueza de mezcla, es decir la relacin nafta/aire, la que tambin es controlada por el piloto mediante el comando respectivo. El control de mezcla nos permite un control fino de la potencia, adecundola a la altitud de densidad y al porcentaje de potencia requerida, permitiendo a la vez un ptimo consumo de combustible. Es necesario tener en cuenta que a cada motor le corresponde un modo de operar especfico, determinado por el fabricante. Ahora bien, adems de las normas generales para la operacin de un motor, es en particular su Manual de operaciones el que proporciona los rangos, parmetros y limitaciones. Los cambios a realizar en las prestaciones del motor, ya sean en ascenso, descenso o vuelo recto y nivelado, deben efectuarse operando sobre los mandos tan suave como sea posible, evitando que el motor se vea sometido a cambios bruscos en su funcionamiento, reduciendo en consecuencia su vida til. Esto no se aplica al caso de aviones acrobticos, en los cuales las variaciones de potencia suelen ser instantneas para permitirle al piloto realizar las distintas maniobras de vuelo. En estos casos los motores estn sometidos a tratamientos especiales en su mantenimiento. Los aumentos de potencia, por ejemplo para volar a mayor altitud, deben hacerse aumentando primero las RPM y luego la MAP. Tngase en cuenta que

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en un motor no turboalimentado, mientras el avin asciende, la MAP va disminuyendo en la medida que va disminuyendo la presin atmosfrica y es necesario abrir mas el acelerador para mantener el rgimen de ascenso. Como regla general, la presin baromtrica desciende aproximadamente una pulgada de columna de mercurio por cada mil pies de aumento de altitud. Volando a una determinada altitud, la potencia necesaria es la que nos permite volar nuestro avin con una velocidad y pesos determinados. La potencia disponible es la potencia total que dispone el avin volando en esas mismas condiciones y la diferencia entre ambas es la capacidad que tiene el avin para ganar altura. Es decir, el rgimen de ascenso es directamente proporcional a la diferencia entre Potencia Disponible y Potencia necesaria e inversamente proporcional al peso total del avin. Dicho de otra forma, el mximo rgimen ascensional es directamente proporcional al exceso de potencia disponible por encima de lo necesario para mantener la altitud, e inversamente proporcional al peso total del avin. Va = ( Pd - Pn ) / W Siendo Va velocidad ascensional, Pd potencia disponible, Pn potencia necesaria y W peso total del avin. Para finalizar digamos que en la mayora de los aviones con motor alternativo, el mximo rgimen ascensional est dado aproximadamente a una velocidad indicada del 60 % superior a la velocidad de prdida sin motor, sin flaps y con peso mximo y el mximo ngulo de ascenso a una velocidad indicada alrededor del 20 % por encima de la velocidad de prdida en las mismas condiciones. En donde por definicin, la mxima velocidad ascensional es aquella condicin del vuelo en la cual se consigue mayor altitud en la unidad de tiempo, y el mximo ngulo de ascenso es la condicin de vuelo en la cual se consigue mayor altitud por unidad de distancia recorrida.

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JUSTIFICACIN MATEMTICAEn motores de encendido provocado con lazo de control cerrado, el requerimiento de dosado estequiomtrico obliga a la unidad de control electrnico del motor a inyectar menos cantidad de combustible a medida que aumenta la altura sobre el nivel del mar (menor disponibilidad de aire atmosfrico). La menor temperatura exterior obliga a avanzar el ngulo de encendido ya que disminuye la velocidad de combustin. Olin y Maloney (1999) desarrollaron un algoritmo de clculo basado en las ecuaciones de flujo a travs de vlvulas, que permite corregir los parmetros de la unidad de control electrnico en funcin de la presin baromtrica. Con el fin de establecer una base de comparacin comn es necesario aplicar factores de correccin para convertir la potencia en el terreno a potencia en condiciones estndar y viceversa. Esta correccin suele ser del tipo:

(1) Donde Ni, p y T son la potencia indicada, presin y temperatura del lugar de operacin respectivamente, el subndice 0 indica condiciones de referencia. Los valores de los exponentes a y b varan segn el tipo de motor y las condiciones de operacin. stos no provienen de un anlisis terico de las ecuaciones, sino que obedecen a un ajuste experimental para correlacionar el tipo de motor y las condiciones atmosfricas. El exponente a suele tomar el valor de la unidad para motores diesel y de encendido provocado (MEP) de aspiracin natural, tanto de aplicacin estacionaria como de automocin. En la prctica, los valores ms usados en la literatura para motores de aspiracin natural son a=1 y b=-0.5, justificado por la dependencia directa entre la potencia y el gasto admitido, el cual depende del producto

.

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La

altura

de

restablecimiento

del

compresor

para

motores

turbo

sobrealimentados de aviacin como aquella a la cual el compresor est siendo utilizado a su capacidad mxima, con la misin de mantener la densidad igual a la de referencia, y por lo tanto la potencia desarrollada. Para lograr esto ltimo es necesario mantener el gasto de aire independiente de las condiciones a la salida del compresor (padm,0 y Tadm,0), lo que hace necesario mantener la relacin constante. Relacionando este trmino con los datos de

presin y temperatura de remanso de la toma dinmica y la velocidad de vuelo de diseo de la aeronave, existen mtodos para determinar la relacin de compresin en el compresor necesaria para recuperar el gasto msico de admisin, y por tanto la potencia del motor. En vista de lo anterior, los fabricantes de motores han desarrollado diversos mtodos para compensar el efecto de la altitud en sus motores, tales como la implementacin de la turbo alimentacin o el uso de sensores baromtricos que retroalimentan a la unidad de control electrnico para que acte corrigiendo los parmetros de la inyeccin de combustible. Se han implementado algunos mtodos de correccin por presin baromtrica que no requieren el uso de sensores adicionales. Estos utilizan algoritmos de clculo basados en las ecuaciones de flujo compresible a travs de una restriccin. Las entradas al algoritmo se obtienen de los sensores existentes en el motor.

La altitud sobre el nivel del mar, z, tiene un importante efecto sobre las condiciones en las que se encuentra el aire y sobre su composicin. Adems de las variaciones de temperatura propias de las distintas capas de la atmsfera, la presin del aire disminuye a medida que crece la altitud del punto de medida, debido a la reduccin del peso de la columna que soporta por encima, reduccin que se debe tanto a la menor altura de la columna como a la menor densidad, r, del aire que la ocupa. Ms concretamente, la variacin de la presin a lo largo de un elemento diferencial de altura es debida al peso del aire que ocupa ese elemento por unidad de seccin, es decir:

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(2)

Este doble efecto de la disminucin de la presin y de la densidad no es la nica consecuencia de la altitud que pueda afectar al desarrollo de actividades humanas. Adems, debido al diferente peso molecular de los componentes del aire, ste vara tambin su composicin. En un elemento diferencial de volumen, este cambio de composicin es causado por la variacin de la presin parcial de cada componente i, generada como consecuencia de su diferencia de peso con respecto al de la mezcla de gases. Siendo ni el nmero de moles y PMi el peso molecular del componente i:

(3)

En esta figura se aprecia un efecto ms notable al variar la presin con la altitud que al variar la temperatura.

Fig. 1: Efecto de la altitud sobre la presin atmosfrica. Columna isoterma () y columna triangular (---) con T(z=0) = 20C

De otro lado, la fraccin molar del nitrgeno aumenta ligeramente al ser algo ms ligero que el aire. La compensacin de estos dos efectos hace que las variaciones del peso molecular del aire seco sean muy pequeas.

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Fig. 2: Efecto de la altitud sobre la fraccin molar de oxgeno. Columna isoterma () y columna triangular (---) con T(z=0) = 20C

La concentracin msica de oxgeno en el aire (CO2) disminuye con la altitud, tanto porque se reduce su fraccin molar en el aire como porque cae la densidad de ste. En efecto:

(11)

La Fig. 3 muestra que a medida que la altitud aumenta la concentracin de oxgeno disminuye, cualquiera que sea la temperatura ambiental. En la figura las lneas continuas representan la columna isoterma a -20, -10, 0, 10 y 20C respectivamente de arriba hacia abajo. La reduccin en la concentracin de oxgeno es menos pronunciada al aplicar la hiptesis de columna triangular. En cualquier caso, de los dos efectos que contribuyen a la disminucin de la concentracin de oxgeno con la altitud, el ms importante es, con diferencia, el efecto de la presin. Pero adems, es necesario indicar que los cambios de fraccin molar (consecuencia de un proceso de difusin molecular) son normalmente inapreciables, debido a la preponderancia de los movimientos conectivos macroscpicos que desplazan los gases verticalmente.

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Fig. 3: Efecto de la altitud sobre la concentracin de oxgeno. Columna isoterma () y columna triangular (---) con T(z=0) = 20C

VARIACIN DE LA POTENCIA Y P. de A:CON LA ALTITUD EN MOTORES DE ASPIRACIN NORMAL Y EN LA CONDICIN DE FULL ACELERADOR.17

Altitud (pies) Potencia (%) P.de A. (pulg.Hg.) 100.0 28.7 Nivel del Mar1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10.000 11.000 12.000 13.000 14.000 15.000 16.000 17.000 18.000 19.000 20.000 96.8 93.6 90.5 87.5 84.6 81.7 78.9 76.2 73.5 70.8 68.3 65.8 63.4 61.0 58.7 56.5 54.3 52.1 50.0 48.0 27.7 26.6 25.6 24.6 23.7 22.8 21,9 21.0 20.2 19.4 18.6 17.8 17.1 16.4 15.7 15.0 14.4 13.7 13.1 12.6

CONCLUSIONES18

REFERENCIABIBLIOGRFICA- Giocosa Dante, Motores endotrmicos, 3ra Edicin. Editorial Cientifica-Medica - Edward F. Obert, Motores de Combustin Interna: Anlisis y aplicaciones, 2 Edicin. Editorial Continental - ABB, Gua Tcnica No 8, Frenado elctrico. http://www05.abb.com/global/scot/scot201.nsf/veritydisplay/92546f2be5281d93c 1256d280041534a/$file/technical_guide_no_8_es.pdf

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