Ciclo Otto

5/14/2018 Ciclo Otto - slidepdf.com

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Ingeniería

Maquinas Térmicas Página 1

Introducción: En un motor de combustión interna existe la transformación de energía Química en energía

Calorífica y esta ultima en energía Mecánica. En el mundo laboral del ingeniero Electromecánico

y/o Mecánico el estudio de diseño, funcionamiento y resolución de problemas electromecánicos de

motores de combustión interna es algo común, el deberá estar preparado para poder resolver

satisfactoriamente es tos inconvenientes.

Esta práctica consiste en poder determinar el área que representa el trabajo producido por un

motor otto (motor de combustión interna por ignición de chispa) lo mas cercano a la realidad y

con este dato obtener luego la potencia del motor.

El ciclo OTTO se desarrolla de la forma siguiente:

1er. TIEMPO: Carrera de aspiración.

Laválvula de admisión se abre, permitiendo la entrada en el cilindro de la mezcla de aire y

gasolina. Al finalizar esta primera etapa, la válvula de admisión se cierra. El pistón se

desplaza hasta el denominado punto muerto inferior (PMI).

2ºTIEMPO: Carrera de compresión.

La mezcla de aire y gasolina se comprime con un movimiento del embolo de derecha a izquierda

desde el PMI al PMS. La posición que alcanza el pistón se denominapunto muerto superior (PMS).Se reduce el volumen de la mezcla con una “relación de compresión”: e = V1/V2.

La presión de la mezcla aumenta con una expresión P.Vn=conts. Que es la correspondiente a la

transformación poli trópica. Al llegar el embolo al P.M.S, la mezcla se inflama con una chispa,

produciendo luego la combustión de la mezcla (explosión), esta combustión es instantánea,

elevando la temperatura T2 a T3 y la presión P2 a P3.

3er. TIEMPO: Carrera de expansión.

El embolo regresa al punto muerto inferior P.M.I,la expansión se realiza a través de una curva

politrópica.

4º TIEMPO:Carrera de Escape.

La válvula de escape se abre, expulsando al exterior los productos de la combustión. Al

finalizar esta etapa el proceso vuelve a comenzar.

El ciclo de cuatro tiempos descrito anteriormente, llamado teórico, en la práctica no se realiza

exactamente como se ha indicado, en cuanto a los momentos de apertura y cierre de las válvulas,

existiendo en la realidad un desfase con respecto a los momentos en que el pistón alcanza los

puntos muertos. Con este desfase se consigue no solamente un mejor llenado del cilindro y mejor

vaciado de los gases quemados, sino que se mejora la potencia y el rendimiento del motor.



Ingeniería


Objetivo:

El principal objetivo de la práctica es graficarel ciclo indicado del motor OTTO (curvas de

admisión, compresión, explosión y expansión del motor), según la construcción de Bauer. A

partir de este graficocomprobar de manera analítica un punto cualquiera de la curva poli

trópica de la compresión o expansión.

Luegode forma analítica calcularla potencia indicada del motor y comparar esta potencia con

la entregada por el fabricante.

Medir el punto máximo de la compresión (P2) en el cilindro con un Compresometro luego

calcular analíticamente el coeficiente poli trópico, la potencia entregada por cada por cada

cilindro, y la potencia total.

Determinado el funcionamiento electromecánico y termodinámico del motor, investigar posibles

mejoras en el rendimiento del mismo.

Materiales:

Motor Fiat (Regatta 85).

Compresometro 0 - 20 kg/ cm2.

Herramientas de taller.

Manual de taller del motor.

Datos del motor del laboratorio:

Volumen de cilindrada:

3

22

4700933,3744

39,6638,84

cmcmcmC Vc

Volumen total de cilindrada:

3º880373,1497 cmcilindronVcVct

Volumen de lacámara de combustión:

366708455,45)1(

2 cmVc

V

Volumen total del cilindro:3

13779,42021 cmV V

Diámetro= 86,38 mm P1= 1kg/cm2

C= 63,90 mm 4 cilindros

e=9,2:1

P= 82 C.V (a 5600 RPM) 4 ti :4 tiempos



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Desarrollo:

En el ensayo se midió la presión final de compresiónde cada cilindro del motor, estas

mediciones fueron realizadas con un compreso metro.

Las mediciones se realizo sacando todas las bujías del motor y abriendo totalmente la apertura

de la mariposa del carburador.

Comoprecauciónse desconecto el circuitoelectrónico que genera la chispa en la bujía, que es

la necesaria para que se realice la explosión en el cilindro.

Una vez realizado el ensayo se pudo levantar todos los datos de la presión de compresión máxima

de cada cilindro con este dato y conociendo la geometría de cada cilindro se procedió a

calcular, la presión máxima al final de la combustión, presión al final de la expansión,

exponentepoli trópica, la presión media, trabajo útily la potencia indicada.

Los cálculosmencionados anteriormente se realizaron con las siguientes formulas:

Se toma como P1 la presión atmosférica que es = 1 Kg/cm2.

-Presión máxima al final de la combustión (P3) es calculada con una formula empírica propuesta

por Ing. Dante Giacosa.

2

85,0)27(3

cm

kgP

-Presión al final de la expansión (P4) es calculada a partir de la formula detransformación

poli trópicadeexpansión.

2

34

cm

kgPP

n

-Exponentepoli trópica (n) es calculada a partir de la formula de la transformación poli

trópica (compresión y expansión). Partiendo de la siguiente formula se despeja el exponente poli

trópico.Aclaración, este exponente es levemente diferente en la curva de compresión con la de

expansión y sus valores calculados se encuentranhabitualmente 1,20 y 1, 25 validos para cicloOTTO.

nnV PV P 2211

log

2log Pn

-Presión mediaindicada (Pm) es calculada por la diferencia entre la presión media inferior

(PMi) y la presión media superior (PMs).

2

1

2ln

12

1

3ln

13

cm

kg

P

P

PP

P

P

PPPmed



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- Trabajo útil (Wind) es el trabajo útilindicado del ciclo, se puede apreciar comoel área encerrada por el ciclo del motor.

KgmVcPmed Wind

- Potencia indicada (N) es la potencia entregada por el motor sin considerar las

perdidas mecánicas, se calcula con la siguiente formula.

V C RPM VcPmed

N .900

Tablanº 1:

Mariposa abierta -Sin bujías

Cilindro P1 P2 P3 P4 n Pm Wind. N RPM

kg/cm2 kg/cm2 kg/cm2 kg/cm2 - kg/cm2 kgm CV min-1

1 1 12 53,040 4,41 1,12 8,67 32,47 20.17 5600

2 1 13 53,040 4,13 1,15 8,42 31,53 19.65 5600

3 1 12 53,040 4,12 1,12 8,67 32,47 20.17 5600

4 1 12,5 53,040 4,22 1,14 8,55 32,02 19,95 5600

79.94 PT

Para tablanº 1 se graficara, por la construcción de Bauer, el ciclo que realiza el

cilindro nº 4.

Verificación de a curva de compresión:

Se verificara el punto 2”’ de la curva de compresión se tomara los siguiente datos

para elcálculo analítico, que luego el punto calculado se verificara con el grafico.

P1 = 1 Kg/cm2

V1 = 420, 13779 cm3

n = 1, 15

V2”’ =180 cm3

P2”’grafico= 2,75 Kg/cm2>> este valor es obtenido del grafico.

Fórmulapolitrópica=nn V PV P"'"'

2211

DespejamosP2”’ –

n

V V PP

"'

"'2

211



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2

15,1

'"

2 740085803,2180

13779,4201cm

KgP

Error = P2”’grafico-P2”’ = (2,75 –2,740085803) Kg/cm2= 9,914197x10-3 Kg/cm2

DIAGRAMA BRAUER.

En el diagrama P-V se trazan 2 líneas auxiliares que forman con los ejes principales ángulos α

y β que cumplan con la condición:

En nuestro caso escogimos por comodidad de diseño y escala del grafico haciendo la

igualdad nos da (Ver diagrama adjunto)

Tabla nº 2:

Mariposa cerrada -Sin bujías Cilindro P1 P2 P3 P4 n Pm Wind. N RPM


1 1 12,5 53,040 4,24 1,138 8,55 32,02 19,95 5600

2 1 13 53,040 4,07 1,156 8,43 31,56 19,67 5600

3 1 12,5 53,040 4,24 1,138 8,55 32,02 19,95 5600

4 1 12,5 53,040 4,24 1,138 8,55 32,02 19,95 5600

79,52 PT

En la misma práctica se realizo una tabla nº 2 cuando el motor esta con laMariposa

cerrada -Sin bujías.Con esta tablaa modo de análisis se ve que la presión P2 es

menor que cuando se realizo con la Mariposa abierta -Sin bujías, esto se debe aque

el llenado de los cilindro se ven limitado por el cierre de la mariposa y al comprimir

se encuentre con menos cantidad de aire que en caso anterior. De manera que las

presionesal ser pequeña aumenta el trabajo indicado (área encerrado por el ciclo del

motor), por lo tanto aumenta la potencia indicada total de motor.



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Tabla nº 3:

Mariposa abierta -con bujías

Cilindro P1 P2 P3 P4 n Pm Wind. N RPM


1 1 13 53,040 4,07 1,156 8,43 31,56 19,67 5600

2 1 13 53,040 4,07 1,156 8,43 31,56 19,67 5600

3 1 12,5 53,040 4,24 1,138 8,55 32,02 19,95 5600

4 1 12,5 53,040 4,24 1,138 8,55 32.02 19,95 5600

79,24 PT

Tabla nº 3Mariposa abierta - conbujías, al comparar las presiones que se midió

con la primera tabla no se ve una variación en casi todos los cilindros, salvoel

cilindro nº 1 ahí se ve una pequeña variación, esto nos quiere decir que la medida de

la presión no se ve afectada cuando las bujías estén puestas, lo único que hizo es que

el motor gire mas lento por la presión que ejerce en los demás cilindros.



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Conclusiones:

El ciclo OTTO ideal nos muestra un análisis de una primera aproximación del

funcionamiento de un motor OTTO, y esto es suponiendo al aire como gas perfecto y

calores específicos constantes durante la transformación termodinámica.En el diagrama

de BRAUER podemos visualizar el ciclo termodinámico del motor mas semejante a la

realidad, es decir hay calorque sale del sistema durante el proceso(no son adiabáticos

m=k) sin embargo, aumentaran las temperaturas(debido a que los procesos no son

isotérmicos en su totalidad) y esto quiere decir que los exponentes “n” deben sermayores que 1 pero menores que K=1,4.

El área obtenida bajo la curva en el diagrama hecho representa el trabajo del ciclo y

la potencia que es la tasa de este trabajo con respecto al tiempo, no es la potencia

que produce en realidad el motor para impulsar al eje, sino mas bien la que se podría

producir en el pistón del motor sin fricción. A esto se debe la diferencia obtenida en

la potencia N con respecto a la del fabricante.

No es necesario realizar la prueba con la mezcla aire combustible, porque para nuestros

objetivos no influye, si tuviéramos que la cantidad de calor producido en la explosiónsisería necesario, tendríamos que saber quécantidad de combustible/aire hay en la

cámara de mezcla.

El ciclo realizado por el cilindro nº 2, dibujado por el método de construcción de

Bauer se pudo verificar con un cierto parámetro de error de 9,914197x10-3Kg/cm2, debido

al trazo de las líneas en la hoja milimetrada. Este nos quiere decir que es una buena

forma de aproximas el ciclo realizado por el motor.

La potencia indicada calculada de manera analítica, se aproxima con un error del

7,213 % a la potencia descrita por el fabricante. La potencia del motor descrita por el

fabricante es potencia efectiva, mientras lo que nosotros calculamos fue la potenciaindicada, si bienestos dos valores no tendrían que ser igual, ya que la potencia

indicada calculado para este practico tiene sus limitaciones como por ejemplo, la

obtención de las presiones P1, P2, P3, P4, solo las presiones P1 y P2 fueron obtenida

con una medición directa, con un equipo adecuado, como el es compresómetro mientras que

las otras dos fueron obtenida mediante formula empírica y formula de un modelo teórico,

pero nos sirve comparar estas dos potencia, para verificar que la practica realizada no

presenta valores próximos a los entregado por el fabricante.

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