Guia

LABORATORIO Nº 2: Estudiar los parámetros de admisión y de formación de mezcla de un motor ECH

2015

1 Laboratorio de Motores de Combustión Interna

2015LABORATORIO DE MOTORES DE

COMBUSTION INTERNA



2015

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

FACULTAD DE INGENIERIA MECÁNICA

LABORATORIO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

LABORATORIO Nº1: Determinación de los principales parámetros geométricos y constructivos en un motor de combustión interna (MCI)

DOCENTE: Dr. Lastra Espinoza , Luis

AUTOR:

Arguelles Saenz Luis Alberto 20137017k

FECHA: 28 de setiembre de 2015

LIMA - PERU



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ESTUDIO DE LOS PROCESOS DE ADMISION Y DE FORMACION DE LA MEZCLA EN LOS MOTORES DE ENCENDIDO POR CHISPA

OBJETIVO.

Familiarizar al alumno con el funcionamiento de un motor de encendido por

chispa y conocer la metodología experimental para la obtención de las

características principales de un motor de esta clase.

Determinar la influencia de los regímenes de funcionamiento y los

parámetros constructivos del motor sobre los coeficientes de llenado

(eficiencia volumétrica) y de exceso de aire, que son los parámetros que

caracterizan el proceso de admisión y de formación de la mezcla.

FUNDAMENTO TEORICO.

PROCESO DE ADMISION.

Para realizar el ciclo de trabajo de un motor de combustion interna es

preciso expulsar del cilindro los gases residuales e ingresar en éste la carga

fresca del aire o mezcla aire-combustible. Los procesos de admisión y de

escape están vinculados entre sí y en función del número de tiempos del motor,

así como también del procedimiento de admisión. La cantidad suministrada de

carga fresca depende de la calidad con que se limpia el cilindro del motor. Es

por eso que el proceso de admisión se analiza tomando en cuenta el desarrollo

del proceso de escape, estudiando todo el proceso de intercambio gaseoso.

La disminución de la presión en el sistema de admisión y en el cilindro

depende del régimen de velocidad del motor, de las resistencias hidráulicas en

todos los elementos del sistema, del área de las secciones de paso por donde

se desplaza la carga fresca y de su densidad. Después de abrir la válvula de

admisión, cuando la presión en el cilindro resulte menor que la presión del

medio ambiente en la magnitud Pa, empieza la admisión de la carga fresca al

cilindro; con al apertura de las válvulas de admisión.



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La velocidad de movimiento de las válvulas al principio y al final de su

desplazamiento es pequeña. En consecuencia, el movimiento en el instante de

apertura de la válvula y en el momento de su acercamiento contra el asiento se

efectúa lentamente. En este instante las secciones de paso entre la cabeza y

el asiento de la válvula son pequeñas.

Para obtener mayor apertura de la sección de paso de las válvulas en el

periodo cuando la velocidad de movimiento del pistón es la maxima y se crean

condiciones para elevar la velocidad de entrada o de salida del gas, así como

también para utilizar en lo máximo los efectos que producen los procesos

inerciales en los sistemas de admisión y escape sobre el barrido y llenado de

los cilindros, se amplían las fases de la distribución de los gases.

Parámetros de Proceso de Admisión.

La cantidad de carga fresca que ingresa en el proceso de admisión, es

decir el llenado del cilindro, depende de los siguientes factores:

1) La resistencia hidráulica en el sistema de admisión, que hace disminuir la

presión de la carga suministrada en la magnitud ∆p;

2) De la existencia de cierta cantidad Mr de productos quemados(gases

residuales) en el cilindro, que ocupan parte del volumen;

3) Del calentamiento de la carga por las superficies de las paredes del sistema

de admisión y del espacio interior del cilindro en la magnitud ∆T, como

consecuencia del cual disminuye la densidad de la carga introducida.

Presión en el cilindro en el periodo de llenado.

Durante la admisión de la mezcla carburante en el cilindro del motor de

carburador de cuatro tiempos se efectúa a la presión Pa =0,75 - 0,95 bar. La

existencia de resistencias en el sistema de admisión conduce a que la cantidad

de carga fresca que entra en el cilindro del motor, disminuye debido al

decrecimiento de la densidad de la carga. Cuando más grande es la resistencia

de admisión, tanto menor será Pa.



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En los motores con regulación preponderante cuantitativa (carburador, a

gas , con inyección de combustible ligero y encendido por chispa) al disminuir

la carga hay que entornar la mariposa de gases, lo que conduce a un

incremento de las resistencias.

Cantidad de gases residuales.

En el proceso de escape no se logra desalojar por completo del cilindro

los productos de combustión, ocupando éstos cierto volumen a presión Pr y

temperatura Tr. En el proceso de admisión los gases residuales se expanden y,

mezclándose con la carga fresca que ingresa, hacen disminuir el llenado del

cilindro. La cantidad de gases residuales depende del procedimiento empleado

para limpiar el cilindro, así como de la posibilidad de barrido del cilindro por la

carga fresca. La cantidad de gases residuales se caracteriza por una magnitud

relativa denominada coeficiente de gases residuales γr

γr = Mr/M1

Mr = Pr Vc/ Rv Tr ;

El coeficiente γr disminuye al aumenta la relación de compresión es así

que en los motores a gasolina el coeficiente γr es mayor que en los motores

Diesel.

Temperatura de calentamiento de la carga.

La carga fresca durante su movimiento por el sistema de admisión y

dentro del cilindro entra en contacto con las paredes calientes, levantándose su

temperatura en ∆T. El grado de calentamiento de la carga depende de la

velocidad de su movimiento, de la duración de la admisión, así como de la

diferencia de temperaturas entre las paredes y la carga. Al aumentar la

temperatura de la carga su densidad disminuye, por eso el calentamiento

especial del sistema de admisión en el motor de carburador es conveniente

sólo hasta cierto límite correspondiente al calor necesario para la vaporización



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del combustible. El calentamiento excesivo influye negativamente sobre el

llenado del cilindro.

Coeficiente de Llenado o Eficiencia Volumétrica (nv).

El grado de perfección del proceso de admisión se evalúa por el

coeficiente de llenado o rendimiento volumétrico ηv que es la razón entre la

cantidad de carga fresca que se encuentra en el cilindro al inicio de la

compresión real, es decir, al instante en que se cierran los órganos del

intercambio de gases, y aquella cantidad de carga fresca que podría llenar la

cilindrada en las condiciones de admisión. Las condiciones de admisión para

los motores de cuatro tiempos sin sobrealimentación son Pk = P0 y la

temperatura Tk = T0 del medio ambiente, para los motores sobrealimentados de

dos y cuatro tiempos, la presión Pk y la temperatura Tk después de compresor.

Factores que influyen sobre el coeficiente de llenado.

Sobre el valor del coeficiente de llenado influyen la presión y la temperatura al

final de la admisión, el calentamiento de la carga, el coeficiente de gases

residuales, la temperatura y presión de los gases residuales y la relación de

compresión, los coeficientes de recarga y barrido.

Relación de Compresión.

Si los demás parámetros se mantienen constantes, entonces para mayores

valores de , el coeficiente v aumenta. En realidad, al crecer varían también

otros parámetros; además influye sobre v la calidad del barrido de la cámara

de combustión. Siendo el barrido completo de la cámara con el aumento de el

coeficiente v disminuye. Sin embargo, al elevar , v puede tanto aumentar



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como disminuir; esto muestra que la relación de compresión no influye

prácticamente sobre v.

Presión al final de la admisión. La presión Pa es la que ejerce la mayor

influencia sobre el v. La disminución de Pa depende de las resistencias en el

sistema de admisión varían proporcionalmente al cuadrado de la velocidad

media de la carga. Sobre al magnitud de la presión al de la admisión; influyen

también el diseño del colector de admisión, el acabado de las superficies

internas de las paredes del sistema de admisión, la posición de la mariposa de

gases y el régimen de velocidad.

Al aumentar la velocidad de la carga, el coeficiente v disminuye, lo cual

debe tenerse en cuenta al diseñar el sistema de admisión cuando se requiere

aumentar a la velocidad de la carga.

Presión y temperatura en la entrada. La presión de la carga en la entrada

ejerce cierta influencia sobre la magnitud de v . Al aumentar Pk la magnitud de

v se incrementa.

Con el aumento de la temperatura Tk, por efecto de la menor diferencia entre

las temperaturas de las paredes y del aire, la intensidad del intercambio de

calor y la magnitud T disminuyen, mientras que v crece. En los motores de

carburador, siendo la temperatura Tk elevada, mayor cantidad de calor,

introducida con el aire, se gasta también en el calentamiento y vaporización del

combustible, así como para recalentar sus vapores.

Presión de gases residuales. La presión Pr también influye sobre v. El

aumento de la presión Pr , manteniendo constante la temperatura Tr ,

corresponde a la presencia de mayor cantidad de gases residuales en el

cilindro. En este caso gran parte de la carrera del pistón desde el P.M.S. se

gasta para la expansión de los gases residuales y la admisión comienza más

tarde, como consecuencia de lo cual el coeficiente v disminuye.



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La presión Pr ejerce veces menos influencia sobre v que la presión

al final de la admisión Pa. La presión Pr depende de las condiciones de

organización del escape y de la resistencia del conducto de escape. Lo mismo

que en el sistema de admisión, la resistencia del sistema de escape se

proporcional al cuadrado de la velocidad de salida de gas en la sección mínima

de paso, y por tanto es proporcional al cuadrado de la frecuencia de rotación

del cigüeñal del motor.

Tomando en cuenta la menor influencia de Pr sobre v , en algunas

estructuras de motores disminuyen las secciones de paso de las válvulas de

escape en cierta medida aumentando respectivamente las secciones de paso

de las válvulas de admisión, obteniendo de esta manera el incremento de v.

Barrido. El coeficiente v puede elevarse mediante el barrido de la cámara de

combustión. El barrido en los motores de cuatro tiempos se realiza en el

periodo de traslapo de válvulas.

Calentamiento de la carga. El calentamiento de la carga influye notoriamente

sobre v. En los motores con carburador parte del calor introducido con el aire

se gasta en calentar y evaporar la gasolina. El incremento injustificado de calor

conduce a una disminución del coeficiente v y de la carga másica.

Llenado del motor a n = constante variando la carga. Al disminuir la carga

del motor de carburador y cerrar respectivamente la mariposa de gases, las

perdidas hidráulicas se incrementan, lo que conduce a la variación del carácter

con que transcurre el proceso de intercambio gaseoso. Al cerrar demasiado la

mariposa de gases, el coeficiente de gases residuales r crece. Debido a la

menor temperatura de la superficie, a causa de disminuir la carga, el

calentamiento de la carga decrece un poco. Sin embargo la variación de T es

en este caso insignificante. Como resultado de la acción conjunta de estos

factores, al reducir la carga el coeficiente v también disminuye.



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Influencia de la variación de n sobre el llenado de los motores de cuatro tiempos. Cuando el motor funciona cambiando la frecuencia de rotación y a

máxima carga sobre la calidad del llenado influyen la resistencia en el sistema

de admisión, el calentamiento de la carga y la presencia de gases residuales.

Al mismo tiempo, ejercen gran influencia las fases de distribución de los gases

y los fenómenos ondulatorios que aparecen en los sistemas de admisión y

escape.

Cuando la frecuencia de rotación aumenta la resistencia del sistema

crece proporcionalmente al cuadrado de la misma,; el coeficiente de gases

residuales aumenta un poco. Como consecuencia de esto al incrementar la

frecuencia de rotación, si no se toma en consideración la influencia de las fases

de distribución de gases y las fugas de los gases a través de los anillos y si

suponemos que 2=s=1 ,el coeficiente v debe disminuir.

Mediante la apropiada elección de las fases de admisión y escape se

logra obtener las relaciones, correspondientes a las condiciones de

explotación, entre la cantidad de carga suministrada Gc y el rendimiento

volumétrico v en función de n. Al aumentar la frecuencia de rotación, v al

principio crece y luego, después de alcanzar su máximo valor, decrece.

Al disminuir la frecuencia de rotación, en comparación con su valor para

el cual v es el máximo, este coeficiente disminuye debido a que las fases

elegidas no corresponden al régimen dado de velocidad, así como a causa del

escape parte de la carga al final de la admisión (cuando el pistón se mueve

desde el P.M.I. hacia el P.M.S) retornando al sistema de admisión. Al aumentar

a la frecuencia de rotación, en comparación con el valor correspondiente al

máximo v, el coeficiente v disminuye como resultado del incremento de la

resistencia en la admisión y de la influencia de otros factores anteriormente

mencionados.

Para los motores a carburador, al disminuir a la carga van cerrando la

mariposa, por lo tanto las resistencias en el sistema de admisión se

incrementan y con el aumento de n el coeficiente v disminuye bruscamente. A



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medida que se va cerrando la mariposa de gases va creciendo la depresión en

el espacio situado detrás de ella; la función v= f(n), se convierte en

hiperbólica.

En cierta gama de frecuencias de rotación el coeficiente v puede

elevarse mediante una efectiva utilización de los fenómenos ondulatorios en los

conductos de escape y admisión.

Al funcionar en los regímenes nominales el coeficiente v varia entre los

limites de 0,75 - 0,85 en los motores de carburador.

PROCESO DE FORMACION DE LA MEZCA EN LOS MOTORES DE

ENCENDIDO POR CHISPA.

La formación de la mezcla aire-combustible en los motores de

carburador, en particular en los encendido por chispa, transcurre en el sistema

de admisión y antecede al encendido de la carga. Par obtener una formación

homogénea de la mezcla aire - combustible se necesario que la distribución de

los vapores de combustible en el aire sea uniforme, se decir, la relación entre el

numero de las moléculas de combustible y el numero de moléculas de oxigeno

del aire que las rodean resulte igual en todo el volumen de la cámara de

combustión. Esta condición puede observarse si el combustible y el aire

conforman una mezcla carburante homogénea y además es necesario que el

combustible se evapore por completo.

El parámetro que influye en gran medida en el proceso de formación de

la mezcla en los motores de encendido por chispa es el coeficiente de exceso

de aire.

Coeficiente de Excesos de aire.



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En el motor e combustión interna la cantidad de aire realmente

consumida puede ser, en función del tipo de formación de la mezcla, de las

condiciones de encendido y combustión, así como del régimen de

funcionamiento, mayor, igual o menor que la necesaria teóricamente para la

combustión completa.

La relación entre la cantidad real de aire que ingresa al cilindro el motor

y la cantidad de aire teóricamente necesaria para la combustión de 1 kg. de

carburante, se denomina coeficiente de exceso de aire, y se designa con la

letra α= Gar

Gcxlo

Siendo l0 la mezcla estequiométrica, el coeficiente de exceso de aire

si(insuficiencia de oxigenola mezcla se denomina

rica,; cuando (exceso de oxigeno), la mezcla se denomina pobre.

En los motores de gasolina con encendido de la mezcla homogénea por

chispa y con regulación combinada, cuando la mariposa de gases esta

completamente abierta, la mayor economicidad y el transcurso suficientemente

estable del proceso de combustión se logra siendo a= 1,1...1,3. La maxima

potencia de estos motores se obtiene enriqueciendo ligeramente la mezcla (=

0,85…0,90). Para alcanzar un trabajo estable del motor a bajas cargas y en

vacío se necesita un mayor enriquecimiento de mezcla. En el caso de <1,

debido a la insuficiencia de oxigeno, el combustible no se quema totalmente,

como consecuencia de lo cual durante la combustión el desprendimiento de

calor es incompleto y en los gases de escape aparecen los productos de la

oxidación incompleta (CO, H, CH4 y otros).

EQUIPOS E INSTRUMENTOS.

1. Banco de ensayos con freno eléctrico, motor de encendido por chispa y

tablero de control.

2. Dispositivo para medir el consumo de combustible, por el método

volumétrico.



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3. Manómetro para medir la presión del aire.

4. Tacómetro.

5. Termómetros.

PROCEDIMIENTO.

Mediciones a realizar:

1. Fuerza en el dinamómetro (Kg)

2. Velocidad de rotación del cigüeñal (r.p.m.)

3. Diferencia de presiones en el medidor de caudal de aire

4. Tiempo de consumo de combustible

5. Temperatura del refrigerante

6. Presión y temperatura del aceite

Parámetros a calcular:

1.- Par motor:

Me = F. L (N-m)

Donde:

F: fuerza aplicada en el dinamómetro (N)

L : brazo del freno (m).

2.- Potencia del motor:

Ne=Me .n9550 (Kw.)

Donde:

Me: par motor (N-m).

n: velocidad de rotación del cigüeñal (r.p.m.)

3.- Coeficiente de exceso de aire:



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α= GarGcxlo

Donde:

Gar: consumo de aire real (kg/h)

Gc : consumo de combustible (kg/h)

l0: relación estequiométrica (l0 = 14,8 )

Gc=3,6 x ΔVΔtxρc

Donde:

c : densidad de la gasolina de 84 octanos.

Gar=3600xAfxCd √2gx ΔSxSen 45° xρC xρh2o

Donde:

h20 : densidad del agua en kg./m3

S. Sen 15º: lectura del Manómetro en m.

a : densidad del aire en kg./m3

Af : área de la sección de estrangulamiento del medidor (m2)

Df = 1” = 2,54 cm.

Cd : coeficiente de descarga (0,98)

4.- Coeficiente de llenado o Eficiencia Volumétrica nv:

ηV=Gar

30 .n . ρa .V H

Donde:

Gar : consumo horário de aire real (kg/h)



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a : densidad del aire (kg/m3)

VH : cilindrada (796 cm3)

Procedimiento ExperimentalPrimer Ensayo.

1. Comprobar el funcionamiento adecuado de los equipos que conforman el

banco de ensayos.

2. Arrancar el motor, para lo cual se realizara los siguientes pasos:

Prender el motor eléctrico primario.

Conectar la llave de transmisión de corriente desde el generador

primario hasta el sistema de arranque del motor.

Conectar las dos llaves de alimentación ubicados en el motor de control

primario (de arranque).

Poner la manija de arranque del tablero secundario (de carga) en “start”.

Arrancar el motor moviendo la palanca de excitación de corriente de

freno.

Esperar que la palanca de excitación vuelva a su posición inicial.

Con la mariposa de gases del carburador establecer el régimen de

velocidad del motor igual a 2200 r.p.m.

3. Esperar que el motor alcance una temperatura no menor a 25º C.

1. Se realizaran tres ensayos se mantendrá invariable la velocidad y se variará

la posición de la mariposa



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RESULTADOS Y CURVAS.

DATOS ADICIONALES

Cilindrada(Vh) (m3) 0.000993

Cantidad de cilindros 3

Densidad del combustible(gasolina) (kg/L) 0.75

Densidad del agua(T = 20ºC) (Kg/m3) 1000

Coeficiente de descarga (Cf) 0.98

Diametro de la seccion de ingreso del aire(m) 0.0198

Presion atmosferica (mmHg) 748.9

Temperatura ambiente (ºC) 21

Longitud del brazo del eje (m) 0.33

Densidad del aire (Kg/m3) 1.1815

Relacion estequiometrica (lo) 14.8

Vol de 1/16pinta (cm3) 35.52

Gravedad 9.81



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ENSAYOS

1º PARA N CONSTANTE E IGUAL A 1800 R.P.M.

hc (%) g (rpm) m (rpm) F (kg) V (pinta) t (s) S (cm H2O) 15°1 10 1800 4372 4.6 1/16 68.7 1.452 30 1800 4382 16 1/16 38.87 9.53 50 1800 4378 20.2 1/16 26.79 104 70 1800 4391 20.6 1/16 29.51 12.55 90 1800 4389 20.2 1/16 26.48 13


Gc(Kg/Hr) Me(N.m) Ne(Kw) Gar(Kg/Hr) Ga(teorico)(Kg/Hr) ηv α1.40 14.89 2.81 16.75 63.35 0.26 0.81062.47 51.80 9.76 42.87 63.35 0.68 1.17393.58 65.39 12.33 43.98 63.35 0.69 0.83013.25 66.69 12.57 49.17 63.35 0.78 1.02233.62 65.39 12.33 50.14 63.35 0.79 0.9355


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2 º PARA N CONSTANTE E IGUAL A 2200 R.P.M.


hc (%) g (rpm) m (rpm) F (kg) V (pinta) t (s) S (cm H2O) 45°1 10 2200 1.2 1/16 126.5 1.32 30 2200 16.3 1/16 25.4 11.53 50 2200 19.2 1/16 23.8 15.34 70 2200 20.4 1/16 21.6 16.55 90 2200 21 1/16 22.25 17



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3º Para n constante e igual a 2500 r.p.m.


hc (%) g (rpm) m (rpm) F (kg) V (pinta) t (s) S (cm H2O) 45°1 10 2500 1.8 1/16 114.86 1.52 30 2500 15.6 1/16 23.2 133 50 2500 18.6 1/16 22.41 184 70 2500 21 1/16 18.75 21.85 90 2500 21.4 1/16 17.7 22.5



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GRAFICO COMPARATIVO



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OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES.

Al culminar este informe podemos concluir lo siguiente:

1) Verificamos en la hoja de cálculos que los datos del consumo de mezcla aumentan conforme aumenta las RPM esto es debido a que la frecuencia de apertura de la válvula de admisión aumenta y deja entrar más mezcla.

2) Podemos observar en las tres gráficas la tendencia cuadrática que tiene el coeficiente de exceso de aire respecto a la potencia del motor esto quiere decir que es creciente en un inicio, hasta que llega a un punto máximo y luego decrece; y cuando realizamos la comparación nos damos cuenta que una mayor velocidad tendremos mayores valores de coeficiente de exceso de aire.

3) La eficiencia volumétrica también tiene una tendencia cuadrática tiene un crecimiento pero luego decrece conforme la potencia va aumentando, pero también podemos observar en la gráfica comparativa que a medida que aumenta la velocidad (RPM) la eficiencia volumétrica disminuye esto se debe a la estrangulación de la mezcla que acarrea pérdidas hidráulicas ya que este tipos de perdidas está en función del cuadrado de la velocidad. También podemos encontrar perdidas que generaran los gases residuales y esto hace que la eficiencia volumétrica disminuya.

4) En los ensayos realizados con velocidad de 2200 RPM y 2500 RPM se ha tenido un problema con la tendencia de las curvas ya que podemos encontrar errores en el primer dato tomado cuando la mariposa esta en la primera apertura, y esto trae como consecuencia dos puntos de inflexión en la curva.



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Esto complica la intuición del comportamiento de dichas curvas respecto a la potencia

BIBLIOGRAFIA

1.- Jóvaj, M. S. “ Motores de automóvil” , Edit. Mir, Moscú

2.- Lukanin V.N., “Motores de combustión interna”, Edit. MIR, Moscú

3.- Manual del Ingeniero Hütte Tomo II, Edit Gili, Barcelona


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