Escuela Politcnica NacionalFacultad de Ingeniera Mecnica Laboratorio de Termodinmica III Gua de prctica de Ciclo OttoObjetivos de la prctica: - Obtener las curvas caractersticas de un motor de combustin interna.- Determinacin del consumo especfico de combustible - Determinacin de la potencia neta del motor de combustin interna- Determinacin de diferencias entre motores de cuatro y de dos tiempos. - Manejo y familiarizacin con software de adquisicin de datos Marco TericoLas mquinas trmicas se disean con el propsito de convertir energa trmica en trabajo y su desempeo se expresa en trminos de eficiencia trmica. (Cengel & Boles, 2012) Un motor de combustin interna es una mquina trmica que convierte la energa qumica de la mezcla de combustible aire en energa mecnica despus de un proceso de combustin. En la combustin, la energa contenida en el combustible es liberada por medio de su encendido y posterior inflamacin en el motor. Ventajas del motor de combustin interna: Autonoma de funcionamiento, debido al alto poder calorfico de los combustibles. Amplia gama de potencias Motor Otto Un motor de ciclo Otto se diferencia de uno de ciclo Diesel principalmente en la forma de encendido del combustible en la cmara de combustin; ya que el primero se enciende por una chispa originada en la buja mientras que el segundo se enciende por la compresin del pistn y consecuencia de esto se eleva la temperatura del gas comprimido (aire). Para el estudio energtico del ciclo ideal de potencia Otto se eliminan todas las irreversibilidades y complejidades internas. (Cengel & Boles, 2012) Es importante recalcar que tanto los diagramas P-v como en los T-s, el rea encerrada por las curvas del proceso de un ciclo representa el trabajo neto producido durante el ciclo (Cengel & Boles, 2012) La suposicin de aire estndar implica que, en los ciclos de potencia de gas, el fluido de trabajo permanece como gas durante todo el ciclo. Se considera que en el aire predomina el nitrgeno, el cual difcilmente participa en reacciones qumicas en la cmara de combustin, todo el tiempo de trabajo se parece mucho al aire. (Cengel & Boles, 2012) Motor Otto de 4 tiemposEn estos motores el ciclo de trabajo se completa en dos vueltas del cigeal o, lo que es lo mismo, en cuatro carreras del pistn. Para una mejor compresin, a continuacin se muestra en un grfico la relacin entre un ciclo real y un ciclo ideal para motores de encendido por chispa (motores Otto) de 4 tiempos. Motor Otto de 2 tiempos Este tipo de motores se caracteriza porque el ciclo se completa en dos carreras del pistn o, lo que es lo mismo, en una revolucin, es decir, en 360 grados de giro del cigeal. Los procesos que tienen lugar son los mismos que en un motor de cuatro tiempos, aunque con menor duracin angular. (Payri, 2011) Imagen1 Ciclos real e ideal en motores de encendido por chispa y sus diagramas P-v En stas mquinas el crter se sella hacia afuera del mbolo se emplea para presurizar ligeramente la mezcla de aire combustible en el crter. Adems, las vlvulas de admisin y de escape se sustituyen por aberturas en la porcin inferior de la pared del cilindro.Durante la ltima parte de la carrera de potencia, el mbolo descubre primero el puerto de escape permitiendo que los gases de escape sean parcialmente expelidos, entonces se abre el puerto de admisin permitiendo que la mezcla fresca de aire y combustible se precipite en el interior e impulse la mayor parte de los gases de escape restantes hacia afuera del cilindro. Esta mezcla es entonces comprimida cuando el pistn se mueve hacia arriba durante la carrea de compresin y se enciende subsecuentemente mediante una buja. (Cengel & Boles, 2012) El combustible utilizado es 95% de gasolina y 5% de aceite debido a que stos motores no tienen un crter destinado propiamente para lubricacin, sino que el combustible mismo se encarga de lubricar las partes del motor. Por eso su combustin es ms contaminante. Es importante anotar que las mquinas de dos tiempos son generalmente menos eficientes que los de cuatro tiempos, debido a la expulsin incompleta de los gases de escape y la expulsin parcial de la mezcla fresca de aire y combustible en el escape. Sin embargo, son ms sencillas y Imagen2 Fases de un motor de barrido por crter (Payri, 2011) Imagen3 Ciclo real Otto para un motor de 2 tiempos econmicas y tienen altas relaciones de potencia y peso, lo que los hace adecuadas para aplicaciones pequeas como motocicletas o podadoras. (Cengel & Boles, 2012) Curvas caractersticas de un motorUna forma habitual de mostrar las prestaciones, emisiones o parmetros de funcionamiento de inters de un motor es hacerlo de forma grfica mediante lo que se conoce como curvas caractersticas. Entre los principales objetivos de las curvas caractersticas estn: mostrar el intervalo el uso de un motor en concreto, trminos de rgimen y potencia mxima efectiva, funcionamiento en un rango de operacin, permitir la comparacin de motores o evaluar la idoneidad de un motor para una determinada aplicacin. (Payri, 2011). Los parmetros de inters ms habituales son la potencia, el torque, consumo combustible, consumo especfico y emisiones de gases. Las curvas ms importantes son:Velocidad: se mantiene constante el acelerador y se vara la carga Carga: se vara la carga y se mantiene constante las revoluciones del motor. Equipos del Laboratorio de Termodinmica EPN Banco de pruebas de motores El Laboratorio de Termodinmica de la FIM cuenta con un banco de pruebas de motor Otto de cuatro y de dos tiempos (intercambiable) modelo TM3 marca Edibon. Las partes ms importantes de los equipos se muestran a continuacin: Imagen4 Banco de pruebas del Motor Otto Imagen5 Partes del Motor Otto de 4 tiempos Imagen6 Partes del Motor Otto de 2 tiempos Mecanismo de Freno Existen diferentes maneras de someter a carga o par resistente a un motor de combustin interna.El equipo del laboratorio tiene como elemento para ejercer el par resistente un motor elctrico asncrono alimentado con un variador de frecuencia. El eje del motor elctrico est unido al eje del motor de combustin mediante un matrimonio mecnico. La variacin de carga es realizada modificando la excitacin de la dnamo con un restato. Haciendo crecer la reaccin electromagntica entre el rotor y el estator, efecto que transmite el par del rotor al estator, aumenta la carga resistente y viceversa. La corriente producida puede ser disipada en forma de calor en un banco de resistencias elctricas. El motor elctrico posibilita mediante software el ajuste del par de frenado y de la velocidad de frenado. Adems el equipo dispone de: Instrumentacin: incluyen los sensores de temperatura, presin y caudal en distintos puntos del equipo. 1)Termocuplas: son de tipo J y se encuentran en: a)Temperatura de aire de entrada b)Temperatura de gases de escape c)Temperatura del combustible d)Temperatura del aire de refrigeracin e)Temperatura del aceite del bloque motor Imagen7 Motor generador elctrico para arranque y frenado del motor Otto 2)Dos caudalmetros de tipo de rea variable para medir el consumo de combustible 3)Dos sensores de caudal de tipo placa orificio: a)Caudal de aire de entrada al motor b)Caudal de gases de salida 4)Medida de la velocidad del motor y calculo indirecto del torque en funcin del voltaje e intensidad del motor generador. Imagen8 Caudalmetros para motor de 2 y 4 tiempos respectivamente Imagen9 Esquema grfico del banco de pruebas y sensores acoplados Instalacin de arranque: el motor elctrico se encarga en primera instancia de acelerar el movimiento del motor desde cero hasta la velocidad de autosustentacin para encenderlo. Una vez encendido, el motor elctrico se apaga. A continuacin si se quiere cargar el motor de combustin interna, el motor elctrico se utiliza ahora como generador y acta de freno segn sea asignada la carga en el software.El equipo utilizado para este propsito es el motor asncrono (utilizado para el freno tambin) cuya velocidad mxima es 3000 rpm. (Ver imagen 7) Instalacin de combustible: se compone de un depsito y un caudalmetro. La bomba y filtro de combustible (que en este caso es un cedazogeneralmente pertenecen al motor. (Ver imagen 8) Terminologa importante Consumo especfico de combustible del motor El consumo de un motor de combustin interna es el caudal msico de combustible utilizado en el proceso. Entonces, el consumo especfico es la cantidad decombustible consumida por unidad e potencia de salida. Rendimiento trmico de un motor de combustin interna Es la relacin entre la potencia mecnica y la potencia calorfica del combustible utilizado. Potencia mxima neta Se refiere al valor mximo de potencia neta medida con el fin de determinar la potencia bajo unas condiciones atmosfricas de referencia Utilizacin del software de medicin El banco de pruebas de Motor Otto MC3 Edibon utiliza una interface para la adquisicin de datos y presentarlos en pantalla. A continuacin se detalla las partesBotn Start: enciende los actuadores y pone a punto los sensores para su utilizacin, alimenta el sistema de medicin. Botn Calibrate: permite calibrar los sensores antes de su medicin. Botn View Data: permite observar las grficas a tiempo real y tomar datos que a su vez se guardarn en un archivo externo. Seccin Sensor Plot: indica las variables que se pueden graficar una en funcin de la otra. Si se desea obtener dos grficos se pulsa el botn 2 Graphs.Seccin Sensors: indica las mediciones de temperaturas, presiones y flujos de los distintos sensores a tiempo real. Se puede observar su correspondencia con la utilizacin del grfico en el medio para determinar qu valor de medicin arroja un sensor cualquiera. Seccin Actuators: -Start Motor: enciende inicialmente el motor elctrico ya que es utilizado como arranque, a continuacin el motor Otto se enciende. El elctrico se apagar una vez que el Otto llegue a su punto de autosustentacin.-Botn Run: permite acelerar o desacelerar el motor de combustin interna. -Columna AM-1: permite imprimir carga al motor. Este actuador enciende el generador elctrico que ser utilizado de freno para simular una carga. Procedimiento de la prctica (curvas de velocidad) Compruebe el nivel de aceite sea el suficiente Comprobar disponibilidad de combustible en los tanques de almacenamiento. Comprobar toma de aire est limpia y sin obstrucciones Abrir vlvula de salida del depsito de almacenamiento. Abrir vlvula de aguja del caudalmetro Girar vlvula de apagado del combustible a posicin ON Presionar START para arrancar el motor. Encender software y colocar el acelerador en la posicin asignada por el ayudante de laboratorio. Variar la carga del motor pulsando el botn RUN. Esperar estabilizacin del motor para tomar datos (se recomienda 10 minutos). Obtencin de curva presionando SAVE DATA con frecuencia de muestro establecida por el ayudante. Ir frenando el motor paulatinamenteSi se desea obtener las curvas en distintos regmenes de aceleracin, situar el acelerador en otro punto y repetir los puntos anteriores. Detener el motor utilizando la vlvula de aceleracin y colocarla al mnimo. Presionar STOP y VIEW DATA para observar los datos. Bibliografa Cengel, Y. A., & Boles, M. A. (2012). Termodinmica. Mxico : McGraw-Hill . Payri, F. (2011). Motores de Combustin Interna Alternativos . Valencia Espaa: Revert.