MOT-Tema3 1213

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  • MQUINAS TRMICAS

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    TEMA 3 Determinacin de las magnitudes fundamentales de un motor de combustin interna

    Como ya se indic en el captulo anterior, el anlisis de los procesos que tienen lugar en el interior de los motores de combustin interna alternativos es sumamente difcil. Para efectuar el anlisis correcto del funcionamiento de un motor en las muy diversas condiciones operativas se debe recurrir a la va experimental.

    El procedimiento experimental permite obtener datos del comportamiento del motor, bien de los procesos termodinmicos y qumicos internos del motor mediante dispositivos indicadores y el anlisis de la composicin de humos formados en la combustin, o bien, de los parmetros efectivos mediante el ensayo del motor en los bancos de pruebas dinamomtricos. El concepto de magnitud efectiva va asociado al valor de dicha magnitud determinado en el eje del motor.

    Ensayo de motores

    En general, un banco de ensayo de motores trmicos es un sistema constituido por un conjunto de instrumentos de medida y de control destinados a obtener las caractersticas operativas de un motor en unas condiciones controladas.

    Los objetivos de un banco de ensayos pueden ser muy variados, y estarn equipados en funcin de estos objetivos. Los ensayos pueden ser de rodaje, de control de calidad, de homologacin o para realizar tareas de investigacin y desarrollo.

    Los bancos de ensayo de I+D deben estar preparados para el anlisis del comportamiento del motor bajo toda una gama de condiciones de operacin. Generalmente suelen estar situados en una local (celda de ensayos) en donde las condiciones ambientales estn controladas (presin, temperatura y humedad relativa), provista de aislamiento acustico, renovacin de aire, expulsin y recoleccin de gases de escape y sistema de extincin de incendios, etc.

    Un banco de ensayo de motores, adems de una bancada soporte del motor y unos indicadores del estado del motor, consta bsicamente de: Freno dinamomtrico, Medidor de par (brazo + transductor de fuerza), Tacmetro (r.p.m.), Caudalmetro de combustible y Caudalmetro de aire aspirado.

    Para el correcto ensayo de un motor, mientras se mide con los dispositivos de medida (trasductores) es necesario que durante el funcionamiento sean estables unas determinadas variables, de ello se encarga el sistema de regulacin y control.

    El sistema de regulacin y control consta de transductor + sistema actuador + sistema de control. Finalmente, se registran los valores obtenidos. El ordenador permite las funciones de visualizacin de las condiciones de operacin, almacenamiento de las medidas realizadas e incluso el control interactivo a travs de su comunicacin con actuadores y posicionadores mediante el interface adecuado. Los resultados suelen ser presentados en grficas o en tablas de datos.

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    Parmetros fundamentales de los motores de combustin interna

    Las parmetros que definen el punto de funcionamiento de un motor de combustin interna son:

    PAR MOTOR EFECTIVO: Me Es el parmetro obtenido directamente en el banco de ensayo del freno dinamomtrico, es el par motriz medido en el eje del motor. (Brake Torque)

    LFMe RGIMEN DE GIRO: n Es el nmero de revoluciones por unidad de tiempo del cigeal. (speed).

    GRADO DE CARGA: GC Se define como la relacin entre el par efectivo que produce el motor en unas determinadas condiciones de la posicin del acelerador y el par efectivo mximo al mismo rgimen de giro (Load rate).

    ctenMeMeGC

    max

    A plena carga (full load) el GC = 1 y corresponde con la posicin ms abierta de la mariposa del acelerador en los MEP y con la mxima posicin del mando del acelerador en los MEC. Se denominan cargas parciales (partial load) cuando GC

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    POTENCIA ESPECIFICA: N/VT Es la relacin entre la potencia efectiva del motor y su cilindrada total. (Specific power)

    PESO ESPECIFICO DEL MOTOR: Es la relacin entre el peso del motor y su potencia efectiva. Este parmetro indica la efectividad del diseo en cuanto a los materiales de sus componentes. (Specific weight)

    VOLUMEN ESPECIFICO DEL MOTOR: Es la relacin entre el volumen ocupado por el motor y la potencia efectiva. Este parmetro indica la efectividad del diseo en cuanto a lo compacto de la disposicin de sus componentes. (Specific volume)

    Para la valoracin de la bondad de la tranformacin de la energa del combustible en energa mecnica se utilizan:

    RENDIMIENTO EFECTIVO: e Es la relacin entre la potencia efectiva y la energa aportada con el combustible por unidad de tiempo. Expresa la calidad de la transformacin de la energa qumica del combustible en energa mecnica en el eje del motor. (Fuel conversin efficiency)

    ff

    ee hm

    N

    CONSUMO ESPECIFICO EFECTIVO DE COMBUSTIBLE: gef Es la relacin entre la potencia efectiva y el gasto msico de combustible (Brake specific fuel consumption, bsfc). En la prctica es la manera habitual de expresar el rendimiento efectivo de un motor. Se expresa de manera usual en gramos de combustible por hora y kilovatio de potencia producida (gr/kWh).

    fee

    fef hN

    mg

    1

    RENDIMIENTO MECNICO: m Es la relacin entre el rendimiento efectivo y el rendimiento indicado de un motor. Expresa la calidad de la transformacin de la energa mecnica en el pistn en energa mecnica en el eje del motor. (Mechanical efficiency)

    i

    e

    i

    em N

    Npmipme

    Curvas caractersticas de un motor

    En la mayor parte de las aplicaciones, los motores de combustin interna alternativos tienen que funcionar en condiciones operativas variables, por lo que es necesario conocer el comportamiento del motor, o lo que es lo mismo sus prestaciones en dichas condiciones.

    Las parmetros ms importantes utilizados en relacin con las prestaciones del motor son el par, la potencia y el consumo de combustible en funcin del rgimen de giro. Sin embargo, a efectos comparativos, es ms til para presentar las prestaciones utilizar los parmetros equivalentes pero independientes de la cilindrada del motor: presin media efectiva, carga trmica del pistn, gasto especfico de combustible y velocidad lineal media del pistn.

    Potencia efectiva DIN (normas alemanas): se mide con todos los accesorios acoplados (ventilador, bomba de agua, bomba de aceite, alternador, etc) y con los reglajes de carburacin y encendido de serie. Es la habitual en Europa.

    Potencia efectiva SAE (normas americanas): se mide sin accesorios y reglando cada 200 rpm, con lo que se consiguen mejores resultados. La potencia SAE es por tanto mayor; del orden de un 12%, que la DIN.

    La llamada Potencia fiscal no guarda ninguna relacin con las potencias reales. Se obtiene mediante una frmula matemtica que cada pas utiliza a efectos fiscales. En Espaa la potencia fiscal se calcula a partir del nmero de cilindros y de la cilindrada unitaria de motor expresada en cm3:

    CV fiscal = 0,08z(0,785D2S)0,6 = 0,08zVN 0,6

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    CURVAS DE PLENA CARGA

    Entre las curvas caractersticas ms representativas, y de uso ms frecuente, se encuentran las de par (o pme), potencia (o carga trmica) y consumo especfico de combustible en funcin del rgimen de giro a plena carga.

    Estas curvas proporcionan una valiosa informacin sobre rgimenes de giro mximo y mnimo, el mximo par y la mxima potencia que es capaz de desarrollar el motor en cada rgimen, as como el consumo especfico en dichas condiciones.

    Para realizar los ensayos a plena carga, se mantiene completamente abierta la mariposa del acelerador en lo MEP y la mxima inyeccin de combustible en los MEC, obteniendose al realizar varios ensayos con diferentes regimenes de giro del motor las curvas de la figura.

    CURVAS A CARGAS PARCIALES

    Como datos comerciales de un motor son generalmente suficientes, la potencia efectiva, el par motor y el consumo especfico de combustible a plena carga. Sin embargo, si conocemos su comportamiento en diferentes grados de carga, dispondremos de una informacin ms completa del funcionamiento del motor. a) Mapa trmico de un MEP b) Mapa trmico de un MEC

    Esta informacin habitualmente se facilita en forma de grfica. En ella, los puntos de funcionamiento de igual consumo especfico de combustible (curvas de isoconsumo) y las curvas de potencia constante o carga trmica del pistn (en trazo discontinuo) se representan en forma de planos acotados. Esta representacin facilita la comparacin entre motores de diferentes configuraciones geomtricas.

    Curvas caractersticas: Motor industrial (camin)

    Motor MACK - E9-440 Tipo: Diesel 4T , 8 en linea

    Carrera: 140 mm. Diametro: 137 mm.

    Ensayo segn: SAEJ816D

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    Puede observarse en la figura a) que en el motor MEP el punto de consumo ptimo, polo econmico, (300 gr/kWh), se encuentra en general situado en la zona de bajos valores de la velocidad lineal media del pistn y elevados valores de la presin media efectiva.

    El motor Diesel de la figura b) tiene su consumo ptimo (211 gr/kwh) cerca del punto de mxima presin media efectiva sobre la lnea de carga mxima, debido a que su dosado queda limitado por la aparicin de humos negros en el escape.

    INFLUENCIA DE LAS PRESTACIONES DEL MOTOR EN EL TIPO DE SERVICIO

    a) Motores de rgimen esencialmente variable

    Los motores de automocin funcionan en una gama de regmenes de giro muy amplia. Las cualidades ms adecuadas para esta aplicacin son: 1) curva de par motor favorable para la traccin (decreciente con el rgimen de giro), 2) amplio campo de funcionamiento, 3) consumo reducido y 4) elevada potencia especfica.

    En general los motores de combustin interna alternativos no cumplen plena