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DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE FORMACIÓN DELA MEZCLA Y DEL PROCESO DE ADMISÓN 

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UNI - FIM Página 1

ÍNDICE

1. OBJETIVOS 2

2. FUNDAMENTO TEÓRICO 3

3. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL 17

4. FÓRMULAS EMPLEADAS 18

5. HERRAMIENTAS E INSTRUMENTOS UTILIZADOS 19

6. RESULTADOS OBTENIDOS 21

7. CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES 26

9. BIBLIOGRAFIA 27

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1.  OBJETIVOS

Determinar los parámetros de formación de la mezcla y del proceso de

admisión mediante los valores obtenidos en la toma de datos en el

laboratorio y la comprensión de las mismas.

  Comparar gráficamente las relaciones de los valores de eficiencia

volumétrica y coeficiente de exceso para un motor diesel. 

  Familiarizarnos con nuevos conceptos, apreciaciones, así como también

observaciones, en el funcionamiento del motor diesel, que pueden ofrecer

el desarrollo del presente informe.

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2. FUNDAMENTO TEÒRICO

Para realizar el ciclo de trabajo en un motor de combustión interna a pistón, es preciso

expulsar del cilindro los productos de la combustión del ciclo anterior e introducir en él la

carga fresca del aire o de la mezcla aire combustible. Estos dos procesos (admisión y

escape) están vinculados entre si y en función del número de tiempos del motor, así

como del procedimiento de admisión, en mayor o menor medida, transcurren

simultáneamente. La cantidad de carga fresca suministrada depende de la calidad con

que se limpia el cilindro del motor. Por eso el proceso de admisión se debe analizar

tomando en consideración los parámetros que caracterizan el desarrollo del proceso de

escape, examinando todo el complejo de fenómenos que se refieren al proceso de

intercambio de gases en conjunto.

PROCESO DE ADMISION

Es aquel proceso durante el cual se introduce carga fresca (aire o aire-combustible) al

cilindro del motor, este proceso comienza desde el momento que se abre la válvula de

admisión hasta el cierre de dicha válvula

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

depende del régimen de velocidad del motor, del régimen de carga del motor, de las

resistencias hidráulicas en todo el sistema admisión, del área de las secciones de paso

por donde se desplaza la carga fresca y de su densidad.

PARÁMETROS DE PÉRDIDAS DEL 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)  Pérdidas Hidráulicas.-  Estas pérdidas en el sistema de admisión hace disminuir la

presión de la carga suministrada en una magnitud P  

2) Gases quemados productos de la combustión.-  Estos gases residuales en el

cilindro ocupan un volumen que podría ser ocupado por una carga fresca

3) Calentamiento de la carga.- Este calentamiento producido por las superficies de las

paredes del sistema de admisión y por el espacio interior del cilindro, trae como

consecuencia la disminución de la densidad de la carga (menor carga en el cilindro del

motor).

COEFICIENTE DE LLENADO

El grado de perfección del proceso de admisión se acostumbra evaluar por el coeficiente

de llenado o eficiencia volumétricav

  , 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 cierra la válvula de admisión, y aquella cantidad de carga fresca que podría llenar al

cilindro (volumen de trabajo) en las condiciones de admisión (condiciones ambientales en

los motores de aspiración natural).

Los cálculos muestran que para los motores con formación externa de mezcla, que

funcionan con combustible líquido, la diferencia entre los coeficientes de llenado,

calculados considerando la condición de que la carga fresca puede ser el aire o la mezcla

aire-combustible, es insignificante. Por eso en lo sucesivo para estos motores así como

para los de tipo Diesel, vamos a determinar la nv por la cantidad de aire admitida al

cilindro

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a

M1a: # de moles

hasta el pto a

 

Vh

iVh

Gmreal

iVh

Gmreal

Gmteorica

Gmreal

nK K 

V  *

 / 

**

  

    

Donde

Vk: Volumen ocupado por la carga fresca y reducido a las condiciones de admisión

Del siguiente gráfico y según la ecuación característica de los gases, si p se da en Pa; V,

en m3 y T, en K se cumple:

PaVa = R (M1a + Mr) Ta donde R =8.314 J/(kmol.K)

Para la cantidad total de carga fresca que entra M1 referidas a las condiciones de

admisión

PKVK = R*M1*TK

La magnitud de M1 puede ser en el caso general mayor que M1a ya que desde el punto a

hasta el instante que se cierra la válvula de admisión es posible un llenado adicional,

considerado por el coeficiente de recarga

11

11

 Mr a M 

 Mr  M     10.103.11    

Además:

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1 / 

 

 VhVa  

De las 5 ecuaciones anteriores se obtiene

)1(11

r Ta

Tk 

Pk 

PanV 

   

  

  …….. Válida para cualquier tipo de motor

).11 Tr r T Tk 

Tk 

Pk 

Pa

nV     

 

   

Ecuaciones de los coeficientesV n y r     

Examinando el escape puede admitirse que el proceso en el motor de cuatro tiempos

termina en el P.M.S. entonces

Tr 

Vh Mr )1(8314

Pr

 

 Tk 

nVhPk  M V 

.8314..1  

Por lo tanto:

Tr 

Tk 

Pk n M 

 Mr r 

Pr

)1(

1

1

     

En caso de que haya traslapo de válvulas, garantizando el barrido del cilindro, el

coeficiente r    disminuirá.

Para tomar en consideración el soplado adicional del cilindro del motor de 4 tiempos al

efectuar el barrido, especialmente característico sobre el motor sobrealimentado, se

introducirá un coeficiente de sopladoS

  .

Tr Tk 

Pk nr 

S Pr)1(

 

     

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Si el barrido es perfectoS

  = 0

Si no hay barridoS

  =1

Reemplazando r    en la última ecuación deV n  

 

  

 

Pk s

Pk 

Pa

T Tk 

Tk nV 

Pr..1

1

1   

  

PARÁMETROS QUE INFLUYEN ENV n  

Analizando las últimas ecuaciones paraV n notamos que esta depende de los siguientes

factores:

1) Relación de compresión . Si consideramos a los demás parámetros constantes,

entones a mayor   disminuyeV n , Sin embargo al elevar   ,

V n  puede disminuir como

aumentar ya que al variar   varían también otros parámetros (disminuye el coeficiente y

la temperatura de los gases residuales, aumenta el calentamiento de la carga y otros) de

los que dependeV n .

Investigaciones experimentales muestran que la relación de compresión no influye

prácticamente sobreV n .

2) Presión al final de la admisión (Pa). Esta presión es la que ejerce mayor influencia

sobreV n y esta a su vez depende de las resistencias en el sistema de admisión.

La caída de presión aP en el sistema de admisión varia proporcionalmente al cuadrado

de la velocidad media de la carga en la sección mínima de la tubería de admisión. Sobre

esta magnitud aP influyen también el diseño del colector de admisión (disposición de las

válvulas, existencia de codos, resistencias locales etc.), el acabado de las paredes del

sistema de admisión, la posición de la mariposa (para los motores con formación externa

de mezcla) y el régimen de velocidad.

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r

marcha

envacio

nvr

nv

Apertura de la mariposa

de gases

3) Presión y temperatura en la entrada (Pk, Tk  ). Al incrementar Pk sin variar la presión

de escape, la relación Pa/Pk aumenta produciendo esto un incremento enV n . Este

aumento es debido a que al crecer Pk, existe una disminución relativa de las perdidas

hidráulicas, así como también de cierta disminución del calentamiento T  , debido al

enfriamiento más intenso de las superficies que intercambian calor durante el barrido del

cilindro.

El aumento de la temperatura Tk disminuye la diferencia de temperaturas entre la carga y

las superficies produciendo esto un aumento enV n  

El incremento de V n con respecto al incremento de Pk no es mucho, varia de 1.5-3%

4) Presencia de gases residuales (Pr, Tr).  Estos gases a la presión Pr traen como

consecuencia que ingrese menos mezcla fresca al cilindro ( r    aumenta), por lo tantoV n  

disminuye. En la práctica la influencia de Tr es insignificante.

La grafica muestra la variación del coeficiente de gases residuales y coeficiente de

llenado en función de la carga del motor carburador

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T, K

nv

1

2

5) Calentamiento de la carga (mezcla). A mayor calentamiento de la carga expresado

por la magnitud T  , el coeficiente de llenadoV n disminuye. Hay que tener en cuenta

que el calentamiento excesivo del sistema de admisión sobre la carga fresca conduce a

un intercambio injustificado de la magnitud de T  y a la correspondiente disminución de

V n y de la carga másica.

En la figura se observa la variación del coeficiente de llenado en función del

calentamiento de la carga para un motor de carburador de 4 tiempos (curva 2) y para un

Diesel (curva 2) en caso de To =288 K y Po =0.1MPa.

COEFICIENTE DE EXCESO DE AIRE

Uno de los parámetros más importantes que caracteriza el proceso de formación de la

mezcla en los motores de combustión interna, es el coeficiente de exceso de aire (   ), el

cual se define como la relación entre la cantidad real de aire para quemar 1Kg de

combustible y la cantidad de aire necesaria teóricamente para quemar la misma cantidad

de combustible (cantidad estequiométrica).

o

car 

l

GG  /    

Donde lo es la relación estequiométrica, para diesel lo = 14.3.

El coeficiente de exceso de aire depende del procedimiento de preparación de la mezcla,

del régimen de funcionamiento del motor y del tipo de combustible que se usa. El límite

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de variación del coeficiente   para motores de carburador, en función del régimen de

funcionamiento de los mismos, es de 0.60-1.15.

Si   <1 (insuficiencia de oxígeno), la mezcla se denomina rica; cuando   >1 (exceso de

oxígeno), la mezcla se denomina pobre.

En los motores de gasolina con encendido por chispa y con regulación combinada

(cualitativa y cuantitativa), cuando la mariposa de gases está completamente abierta, la

mayor economía de combustible y el transcurso de la combustión se logra siendo   =

1.1-1.2.

La máxima 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 la mezcla, para   <1, debido a la insuficiencia de

oxígeno, 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 combustión incompleta (CO, H, CH4).

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3.  METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

1. Comprobar el estado del banco de ensayos y del motor (sin arrancar éste): Agua en el

sistema de refrigeración, nivel de aceite en el cárter, cantidad de combustible en el

tanque, tensión eléctrica para el panel de control, ventilación de las resistencias

eléctricas, etc.

2. Arrancar el motor y calentarlo hasta que la temperatura del liquido refrigerante,

alcance los 70 ºC y mantenerlo en esta temperatura.

3. Para una posición fija de la cremallera variar las r.p.m. Realizar variaciones de

velocidad, tomando los datos correspondientes, esto se realiza para dos posiciones de

la cremallera.

4. Estableciendo un régimen de velocidad constante, ir variando la posición de lacremallera del motor. Realizar variaciones de la carga, tomando los datos

correspondientes.

5. Mediciones a efectuar

- Fuerza en el dinamómetro.

- Velocidad de rotación del cigüeñal.

- Tiempo de consumo de combustible.

- Temperatura de salida del agua de refrigeración

- Caída de presión en el manómetro inclinado

- Caída de presión en el manómetro en U

- Temperatura atmosférica.

- Presión atmosférica.

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4.  FÓRMULAS EMPLEADAS

1. Consumo de combustible Gc(kg/h)

 

 ΔV = volumen en cm3 

 Δt = tiempo en seg.

ρcomb = densidad del combustible en kg/m3

2. Consumo del aire teórico Ga(kg/h)

 

n = RPM

VH = cilindrada total en m3 

ρaire = densidad del aire en kg/m3

3. Consumo del aire real Gar (kg/h)

 

 Δp= Caída de presión en el manómetro en U (cm H2O)

 Δs= Variación del manómetro inclinado (cm H2O)

P0 = Presión ambiental (mmHg)

T0 = Temperatura ambiental (°C)

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4. Coeficiente de exceso de aire (α).

 

lo = relación estequiométrica

5. Coeficiente de llenado (eficiencia volumétrica)

 

Gar= Consumo del aire real 

Ga= Consumo del aire teórico 

5.  HERRAMIENTAS E INSTRUMENTOS UTILIZADOS

MOTOR DE ENCENDIDO POR COMPRESION

Para el motor Diesel (Petter)

Marca Petter

Modelo PH1W

Potencia Nominal 8.2HP a 2000RPM

DxS 87.3mm X 110 mm

Cilindrada 659 cm3 

Relación de compresión 16.5: 1

Presión de inyección 217 bares

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1. Banco de pruebas con motor Petter

2. Medidor de caudal de combustible.3. Cronómetro.

4. Tacómetro.

5. Manómetros.

6. Termómetros

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6.  RESULTADOS OBTENIDOS

Se hicieron 2 pruebas para el motor diesel:

1.- Característica de velocidad (hc=cte; carga eléctrica variable):

Datos obtenidos del laboratorio

hc=15Patmosferica=748.00 mmHgTamb.=25.9ºcTagua(entrada)=68.5ºCTagua (salida)=71.5ºC

n(RPM)

F(N)

V(cm3)

Δs (cm)

Δp (cm)

Icampo

(A)Vcampo

(V)Opacidad(m-1) 

Paceite

(PSI)Taceite (ºC)

Irotor (A)

Vrotor (V)

 

2015 81.0 8.4 11.4 10.3 1 22 2.05 43 74 45.5 1061810 86.5 7.5 10.8 9.8 1.2 26 1.85 35 76 45 1051594 93.5 6.6 9.5 9.6 1.4 33 1.54 27 79 44.3 1031393 95.0 5.5 8.5 7.2 1.7 38 0.63 22 80 41.8 981206 95.5 4.6 7.4 6.1 2 46 0.46 18 79 38.7 901021 90.0 3.8 6.2 5 2.2 51 0.48 12 70 33.6 78

Resultados obtenidos

n(RPM)

Torque(Nm)

Ne(kW)

Ga(kg/h)

Gc(kg/h)

α  ηv 

2015 24,71 5,21 31,40 1,61 1,36 0,681810 26,38 5,00 30,08 1,44 1,46 0,72

1594 28,52 4,76 26,57 1,27 1,47 0,73

1393 28,98 4,23 25,03 1,06 1,66 0,78

1206 29,13 3,68 22,29 0,88 1,77 0,80

1021 27,45 2,93 19,10 0,73 1,83 0,81

Gráficos obtenidos

a) Ga y Gc vs. RPM

0

5

10

15

20

25

30

35

1000 1500 2000 2500

Gc

Ga

Poly. (Gc)

Poly. (Ga)

Ga Gc vs. RPM

RPM

kg/h

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-  Tanto Ga y Gc aumentan conforme aumenta las RPM debido a que también aumentan los

ciclos por minuto que se desarrollan en el motor por lo cual se consume más aire y

combustible.

b)  Alfa y eficiencia volumétrica y Opacidad vs. RPM

-  Se observa que conforme aumenta la velocidad alfa disminuye por lo que la combustión

se hace más rica en combustible y esto aumenta la emisión de humos, por otro lado laeficiencia volumétrica disminuye porque al aumentar la velocidad también se

incrementan las perdidas en la admisión.

c)  Opacidad vs. Alfa (hc=cte)

-  Como se ve de la gráfica la emisión de humos se reduce conforme la mezcla se hace más

pobre y la combustión se hace más completa por el exceso de aire.

 

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

1000 1500 2000 2500

alfa

efic.

volumétrica

Opacidad

Poly. (alfa)

Poly. (efic.

volumétrica)

Poly.

(Opacidad)

Alfa, efic. volumétrica y Opacidad

RPM

0

0.5

1

1.5

2

2.5

1.00 1.50 2.00

Opacidad vs. Alfa

Opacidad vs.

Alfa

Poly. (Opacidad

vs. Alfa)

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0

5

10

15

20

25

30

2.00 3.00 4.00 5.00

Ga

Gc

Poly. (Ga)

Poly. (Gc)

Ga y Gc vs. Ne(kW)

Ne(kW)

k /h

2.- Característica de carga (RPM=cte y hc =variable):

Datos obtenidos del laboratorio

N=1400RPMPatmosferica=748.00 mmHgTamb.=25.9ºCTagua(entrada)=69ºCTagua (salida)=72ºC

hc F(N)

V(cm3)

Δs (cm)

Δp (cm)

Icampo

(A)Vcampo

(V)Opacidad(m-1)

Paceite

(PSI)Taceite (ºC)

Irotor (A)

Vrotor (V)

15.00 94.0 5.5 8.3 7.1 1.6 37 0.63 25 75 41.3 9615.25 92.5 5.4 8.4 7.1 1.6 36 0.51 24 76 41.1 9615.50 87.0 5.2 8.4 7.1 1.4 33 0.38 24 77 39.9 93

15.75 83.0 4.9 8.5 7.3 1.4 31 0.29 24 78 38.6 9016.00 75.0 4.5 8.5 7.4 1.2 28 0.26 23 77 37.0 8616.50 67.0 4.0 8.5 7.4 1.1 25 0.21 23 79 34.7 8117.00 58.0 3.5 8.5 7.3 1.0 22 0.32 23 79 32.2 75

Resultados obtenidos

Gráficos obtenidos

a) Ga y Gc vs. Ne

hc Torque(Nm)

Ne(kW)

Ga(kg/h)

Gc(kg/h)

α  ηv 

15,00 28,67 4,20 24,49 1,06 1,62 0,7615,25 28,21 4,14 24,79 1,04 1,67 0,7715,50 26,54 3,89 24,79 1,00 1,74 0,7715,75 25,32 3,71 24,98 0,94 1,86 0,78

16,00 22,88 3,35 24,93 0,86 2,02 0,7716,50 20,44 3,00 24,93 0,77 2,27 0,7717,00 17,69 2,59 24,98 0,67 2,60 0,78

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-En la gráfica se observa que mientras aumentamos la potencia, Ga disminuye ligeramente pero

Gc va aumentado obviamente porque el motor necesita más combustible para generar más

potencia.

b) Gc vs. hc (RPM =cte)

- Esta gráfica tiene una tendencia casi lineal debido a que la cremallera regula elsuministro del combustible en forma proporcional a su desplazamiento.

c) Alfa, eficiencia volumétrica y Opacidad vs. Ne

 

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50

alfa

efic. volumétrica

Opacidad

Poly. (alfa)

Poly. (efic.

volumétrica)

Poly. (Opacidad)

Alfa y efic. volumétrica y Opacidad vs. Ne(kW)

Ne(kW)

y = -0.2035x + 4.132

R² = 0.9886

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

14.00 15.00 16.00 17.00 18.00

Gc vs. hc

Gc

Linear (Gc)

kg/h

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- Al aumentar la carga se consume más combustible pero el consumo de aire enun motor diesel no varía mucho por lo que alfa tiende a disminuir mientras queeficiencia volumétrica permanece casi constante ya que esta dependeprincipalmente de la velocidad y esta también es constante. Por último la opacidad

tiende a aumentar con la carga debido a que la mezcla se hace más rica encombustible, sin embargo a bajas cargas se observa un incremento de laopacidad ya que se va produciendo una mala combustión.

d) Opacidad vs. Alfa (RPM= cte)

- La tendencia de la opacidad es a disminuir conforme alfa aumenta, sin embargopara mezclas muy pobres la calidad de la combustión se va empeorando y se vaincrementando la emisión de humo.

 

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

1.00 1.50 2.00 2.50 3.00

Opacidad vs. alfa

Opacidad

Poly.

(Opacidad)

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DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE FORMACIÓN DELA MEZCLA Y DEL PROCESO DE ADMISÓN 

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7.  CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES

  Se pudo conocer el procedimiento para obtener los principales parámetros de la formaciónde la mezcla y su influencia en el proceso de admisión de un motor diesel.

  Se entendió las causas que hacen variar estos parámetros analizando y comparando lasgráficas en función de la velocidad y la carga del motor diesel

  Al realizar la experiencia se utilizó un tacómetro digital en la medición de la velocidadpero para la medición de los caudales y la fuerza para el cálculo de la potencia, se usaronmedidores analógicos por lo que puede haber cierto error en la lectura de las mediciones.

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8.  BIBLIOGRAFIA

  M.S.Jovaj. 1982. Motores de Automóvil. Editorial MIR MOSCU