Leccin 3: Trminos bsicos del rendimientodel motor

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Introduccin

Para entender el diseo y el rendimiento de un motor diesel, esnecesario conocer los trminos relacionados y cmo realizar losclculos matemticos que se aplican a los motores diesel.

ObjetivosAl terminar esta leccin el estudiante podr definir los trminosbsicos referentes al rendimiento del motor y realizar los clculos decilindrada, relacin de compresin y potencia del motor.

Material de referencia

Glosario LEXQ9297

Unidad 1 1-3-2 Fundamentos del MotorLeccin 3

Esta presentacin tratar acerca del rendimiento del motor y lostrminos bsicos correspondientes.

Fig. 1.3.1

Existen mltiples factores que determinan el rendimiento del motor.Las condiciones de operacin del motor y su aplicacin especficaafectan su rendimiento. Sin embargo, muchos de los factoresdeterminantes del rendimiento dependen de la fabricacin del motor.

Algunas de las especificaciones bsicas que dependen del fabricantedel motor y que afectan su rendimiento son:

Dimetro del cilindroCarreraCilindradaRelacin de compresin

El rendimiento del motor se calcula generalmente comparando lapotencia de salida y/o la eficiencia del motor. Estos valores puedenmedirse de diferentes modos. Deben conocerse las bases de estasmediciones y las especificaciones del fabricante con el fin deentender mejor los efectos que todos estos factores y medicionestienen en el rendimiento del motor.

Unidad 1 1-3-3 Fundamentos del MotorLeccin 3

BDC

TDC

CARRERA

DIMETRO DEL CILINDRO

CIGEALEN TDC

CIGEALEN BDC

Fig. 1.3.2

Punto muerto superior (TDC)Punto muerto superior (TDC) son los trminos usados para describirla posicin del pistn cuando est en el punto ms alto del cilindro.Esto ocurre cuando el cigeal y la biela estn extendidoscompletamente y en lnea recta una a la otra. La mayora de loseventos de la operacin del motor se identifican por la posicin delcigeal, medida en grados, ya sea antes o despus del TDC.

Punto muerto inferior (BDC)Punto muerto inferior (BDC) son los trminos usados para describirla posicin del pistn cuando est en el punto ms bajo del cilindro.Esto ocurre cuando el cigeal y la biela estn retradoscompletamente y en lnea recta uno con la otra.

Dimetro del cilindro (B)Dimetro del cilindro son los trminos usados para describir eldimetro del cilindro del motor. El dimetro del cilindro se mide,generalmente, en milmetros o pulgadas.

Carrera (L)Carrera es el trmino usado para describir la distancia que un pistnviaja en el cilindro del motor. La carrera se mide como la distanciaentre las posiciones del pistn de BDC a TDC. La carrera estdeterminada por el diseo del cigeal. La carrera es igual al dobledel paso del cigeal. La carrera, generalmente, se mide enmilmetros o pulgadas.

Unidad 1 1-3-4 Fundamentos del MotorLeccin 3

Fig. 1.3.3

Cilindrada del motor

El dimetro del cilindro, la carrera y el nmero de cilindrosdeterminan la cilindrada del motor. La cilindrada del motor es elvolumen desplazado por todos los cilindros durante un giro completo.La cilindrada del motor se calcula usando la siguiente frmula:

Cilindrada = x r2 x L x Ndonde...

= 22/7r2 = radio x radioradio = 1/2 dimetro del cilindroL = carreraN = nmero de cilindros del motor

Relacin de compresin

La relacin de compresin de un motor la determinan la cilindrada yel volumen de la cmara de combustin. Para calcular la relacin decompresin use la siguiente frmula:

CR = Volumen total del cilindro/volumen de la cmara de compresin

Generalmente la relacin de compresin de los motores diesel est enla gama de 11:1 a 22:1. La relacin de compresin de los motoresdiesel es significativamente ms alta que la de los motores degasolina. En los motores diesel se usa esta relacin de compresinms alta para aumentar la presin en la cmara de combustin. Laspresiones ms altas causan aumento de temperatura de la mezcla airey combustible en la cmara de combustin. Esta temperatura ms alta[aproximadamente 532 0C (1.000 0F)] hace que el combustible dieselse encienda sin necesidad de usar una buja de combustin.

TrabajoEl trabajo se define como la fuerza aplicada por la distancia.

W = F x D

Potencia

La potencia se define como la velocidad a la cual se realiza eltrabajo.

P = F x D / To

P = W / T

donde T es el tiempo en que se realiza el trabajo.

La medida estndar de potencia en el sistema mtrico es el kilovatio(kW), y en el sistema ingls el caballo de fuerza (HP).

1 HP = 0,746 kW1 kW = 1,340 HP

Los trminos "caballo de fuerza" se deben originalmente a JamesWatt, inventor escocs. Watt observ en una mina de carbn lacapacidad de un caballo de transportar carbn. Watt defini como 1HP la capacidad de un caballo de transportar 33.000 libras de carbnuna distancia de un pie en un minuto.

La potencia puede expresarse en diferentes formas: La potencia indicada (IP) es la potencia terica que un motores capaz de producir. Se calcula multiplicando la cilindradadel motor por la presin media efectiva en el cilindro en libraspor pulgada cuadrada y dividiendo por 33.000.La potencia al freno del motor (BP) es la potencia encontradaal probar fsicamente el motor en un dinammetro. Undinammetro es un dispositivo acoplado a un motor con elpropsito de medir la salida de par y la potencia del motor.La potencia de friccin (FP) es la potencia que el motorrequiere para sobrepasar las prdidas por friccin de loscojinetes, engranajes y otras piezas mviles del motor. Lapotencia de friccin aumenta si aumenta el tamao y/o lavelocidad del motor.

BP = IP - FP

Unidad 1 1-3-5 Fundamentos del MotorLeccin 3

Par

Cuando el motor est en funcionamiento, la combustin mueve lospistones hacia abajo en los cilindros. Este movimiento hacia abajo delpistn se transmite a las bielas y hace a su vez, que el cigeal gire.La fuerza de torsin resultante producida por el cigeal se llama par.

El par y la potencia producidos por el motor se relacionan en lasiguiente ecuacin:

HP = (T x RPM)5.252

NOTA: Esta frmula no puede usarse con unidades mtricas.Convierta las unidades mtricas en unidades inglesas antes derealizar los clculos.

En donde:T = Par (medido en pies-libra)

5.252 = 33.000 / 2 (constante)

La constante 5.252 resulta de dividir las 33.000 libras, de la frmulade potencia de Watt, entre el valor angular de una rotacin delcigeal en radianes, 2.

El par se mide en pies-libra (pie-lb) en el sistema ingls y enNewton-metros (Nm) en el sistema mtrico.

1 pie lb = 1,3558 Nm1 Nm = 0,7376 pie lb

Friccin

Se requiere cierta fuerza para deslizar las superficies de dos objetosuna contra la otra. La resistencia a este movimiento se llama friccin.A medida que la carga aumenta, la friccin aumenta. Por ejemplo, serequiere ms fuerza para arrastrar un objeto pesado que uno liviano.Tambin influye la condicin de las dos superficies en contacto. Gracias a esto, es tan importante el sistema de lubricacin de unmotor. La pelcula de aceite entre las piezas en movimiento de unmotor mantiene la friccin muy baja entre las dos superficies. Esto nosolamente da al motor una vida de servicio ms larga, sino quetambin crea menos arrastre en el motor, reduce la cantidad depotencia de friccin y hace que el motor tenga ms potencia al freno.

Unidad 1 1-3-6 Fundamentos del MotorLeccin 3

Inercia

La primera ley de movimiento de sir Isaac Newton expresa que unobjeto en movimiento tiende a permanecer en movimiento y que unobjeto en reposo tiende a permanecer en reposo, hasta que acta sobrel una fuerza externa. Este fenmeno se debe a la inercia que todoobjeto posee. La cantidad de inercia de un objeto es directamenteproporcional a la cantidad de masa que tiene el objeto. Por ejemplo, uncarro tiene ms inercia que una bicicleta. Por esta razn es ms difcilmover o detener un carro que una bicicleta.

Eficiencia

La eficiencia de un motor se expresa como el porcentaje de potenciareal comparado con la potencia terica del motor. La potencia realproducida por un motor es siempre menor que la potencia terica. Hayvarios modos de definir la potencia del motor.

La eficiencia volumtrica se define como la capacidad del motor dellenar el cilindro con aire en la carrera de admisin comparado conel cilindro completamente lleno de aire con presin atmosfrica.Como el aire debe ser aspirado dentro del cilindro con elmovimiento hacia abajo del pistn, el motor nunca es capaz dellenar el cilindro completamente.

Potencia al freno es la cantidad de potencia til real que produce elmotor. La potencia indicada es la cantidad de potencia terica queel motor debe ser capaz de producir. La eficiencia mecnica es larelacin de la potencia al freno y la potencia indicada.

BPP / IP = Eficiencia mecnica

La eficiencia trmica se define como el grado al cual un motor escapaz de convertir con xito la energa del combustible en energacalorfica para hacer que los pistones giren el cigeal.

La eficiencia del combustible se define de diferentes maneras. Lams comn es la que se expresa en kilmetros por litro (km/L), omillas por galn (millas/galn EE.UU.), y se usa para describir laeficiencia de combustible de un motor en una aplicacin decarretera, por ejemplo, en un camin. La eficiencia de combustiblepara aplicaciones marinas e industriales se expresa en litros porhora (L/h) o galones por hora (galn EE.UU/h) a la velocidad declasificacin.

La eficiencia de combustible se expresa tambin en Consumo deCombustible Especfico al Freno (BSCF). El BSCF se define comola cantidad de combustible usada por unidad de potencia y tiempo.El BSCF de un motor se expresa ya sea en gr/(kW h) o lb/(hp h).

Unidad 1 1-3-7 Fundamentos del MotorLeccin 3

Unidad 1 1-3-8 Fundamentos del MotorLeccin 3

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Fig. 1.3.4

A manera de ejemplo, debido al aumento de presin a nivel del marel aire es ms denso que en la cima de una montaa. El aire densopermite que ms molculas de aire entren en el cilindro. Esto permiteque el combustible se queme casi totalmente en un motor diesel, loque produce ms potencia. A esto se debe que los motores rindanmejor en altitudes bajas, donde el aire es ms denso.

La temperatura ambiente del aire tambin juega un papel importantecuando necesitamos mayor cantidad de aire en el cilindro. A menortemperatura del aire, ms densa la carga de aire que entra en elcilindro. A mayor densidad del aire se produce en forma eficiente mspotencia en el motor.

La humedad es tambin un factor importante en la combustin delmotor diesel. La humedad es una medida relativa de la cantidad devapor suspendido en el aire. El vapor suspendido tiene un efecto deenfriamiento del aire cuando entra en el motor. Por tanto, a mayorhumedad del aire, es ms fro y denso, y se produce mayor potenciaeficientemente en el motor.

Condiciones atmosfricas

Para producir los niveles deseados de potencia, los motores dieselrequieren grandes volmenes de aire. Por tanto, la presinatmosfrica, la temperatura ambiente y la humedad relativa del airejuegan tambin un papel importante en las caractersticas derendimiento del motor.

La presin atmosfrica es la que fuerza el aire dentro del motor. Lapresin atmosfrica es la presin ejercida sobre la superficie de laTierra debido al peso de la atmsfera (el aire que rodea la Tierra). Lapresin atmosfrica es mayor a nivel del mar que en la cima de unamontaa. Refirase a la figura 1.3.4.

Copi

a de

l Est

udia

nte:

Ejer

cicio

1.3.1

Unidad 1 - 1 - Fundamentos del MotorCopia del Estudiante - Ejercicio 1.3.1

Ejercicio en claseDefina los siguientes trminos:

Calibre:

Carrera:

TDC - Punto muerto superior:

BDC - Punto muerto inferior:

Cilindrada:

Relacin de compresin:

Trabajo:

Presin atmosfrica:

Potencia:

Eficiencia mecnica:

Caballos de fuerza:

Eficiencia trmica:

Kilovatio:

Potencia indicada:

Friccin:

Par:

Potencia al freno del motor:

Dinammetro:

Eficiencia volumtrica:

Inercia:

Eficiencia de combustible:

Unidad 1 - 2 - Fundamentos del MotorCopia del Estudiante - Ejercicio 3.1

Escriba la ecuacin para calcular:

Cilindrada:

Potencia:

Use el Glosario para definir:

Fuerza:

Calor:

Unidad Trmica Inglesa (BTU):

Presin media efectiva al freno (BMEP):