Formato Lab 6

Universidad Nacional de Colombia. Pérez Cristian, Cáceres Louis, Lemus Sebastián. Evaluación de un motor de combustión interna (SI)

Resumen—En esta práctica se realizó una prueba a un motor de combustión interna encendido por chispa (SI) para evaluar su desempeño a partir de mediciones experimentales, tomando como referencia el método propuesto por la NTC 1930. Se recolectó información pertinente a los sistemas del motor (partes, ajustes y tolerancias) con ayuda de catálogos y manuales de usuario, así como del lubricante y combustible utilizado. Posteriormente se hizo el ensayo del motor a distintos regímenes de velocidad, recolectando los datos de consumo de combustible, aire y potencia al freno. Todos los datos y resultados fueron organizados y consignados según los lineamientos de la norma técnica en este informe.

Índice de Términos—condiciones de referencia, factores de corrección, potencia, presión media efectiva, torque.

I. INTRODUCCIÓN

. Además de reconocer las diferencias que existen entre el

análisis de un ciclo Otto ideal y un proceso real en un motor de ignición por chispa, así como la diferencia en los valores de los parámetros de operación del motor para cada caso, es de vital importancia para el ingeniero mecánico en formación tener conocimiento sobre el procedimiento experimental estandarizado que se debe llevar a cabo para caracterizar completamente un motor en general, además de tener la capacidad de reportar de manera ordenada y concreta los resultados y observaciones que se realizan en este procedimiento para que sus pares puedan corroborar o corregir la información. La combinación de datos experimentales obtenidos durante un ensayo, junto con la recopilación de información pertinente al motor y los accesorios con los que trabaja, permite justificar de manera correcta y precisa su funcionamiento y rendimiento.

II. REFERENCIA TÉCNICA

Definiciones básicas:

Potencia al freno: es la potencia que se obtiene en un banco de pruebas en el extremo del eje del cigüeñal o su equivalente a la correspondiente velocidad del motor. [1]

Torque: es un indicador de la capacidad de un motor de producir trabajo. Es definido como fuerza actuando a una distancia de momento (brazo de palanca o momento).

Presión media efectiva: es un promedio de la presión que hay dentro del cilindro durante el ciclo, la cual cambia continuamente. Es un buen parámetro para comparar motores para diseño o desempeño debido a que es un parámetro independiente del tamaño del motor y/o de su velocidad. [2]

Descripción de los instrumentos de medición utilizados:

Termistor tipo K para medición de temperaturas: lecturas de temperatura en escala Celsius, tolerancia de ± 2,2 °C.

Dinamómetro de freno hidráulico DY-70: lecturas de revoluciones por minuto de 0 a 6000 RPM, tolerancia de ± 1% en la medición; lectura de torque de 0 a 15 lb y tolerancia de ± 0,1 lb. Peso: 35 lb. Exactitud en mediciones de ±2% y precisión de ±1%.

Higrómetro ANVI: lecturas de %HR (humedad relativa) de 0 a 100%, con tolerancia de ± 1%.

Manómetros para flujo de aire y flujo de combustible:

Cumplimiento de condiciones de ensayo:

1. Los datos de funcionamiento se deben obtener bajo condiciones de operación estables con un suministro de aire fresco: No cumple (las mediciones fueron realizadas no mucho tiempo después del encendido).

2. La temperatura del aire de admisión al motor se debe medir dentro de 0,15 m corriente arriba del ducto de admisión de aire: No cumple (no hay posibilidad física de medir la temperatura en la caneca de aire de admisión actualmente, se asumió temperatura ambiente).

3. La depresión de admisión se debe medir aguas abajo de los ductos de entrada, el filtro de aire, el silenciador, el dispositivo limitador de velocidad (si los hay o sus equivalentes: No aplica.

4. La presión absoluta a la entrada del motor, aguas abajo del compresor y el sistema de intercambio de calor, si los hay, se deben medir a la entrada del múltiple, y en cualquier otro punto donde sea preciso medir la presión para calcular los factores de corrección: No cumple (imposibilidad física para medir presión en la entrada del múltiple, se asume presión atmosférica).

Evaluación de un motor de combustión interna (SI)

Cristian Pérez, Louis Cáceres, Sebastián Lemus {ccperezv, loecaceresma, sclemusf}@unal.edu.co

Universidad Nacional de Colombia

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5. La contrapresión de escape se debe medir en un punto localizado al menos a 3 diámetros de la salida del reborde de la tobera de escape y aguas abajo del turbocargador, si lo hay: No aplica (no hubo medición de este parámetro, imposibilidad física de medir la contrapresíon en el escape).

6. No se deben tomar datos hasta que el torque, la velocidad y la temperatura se hayan mantenido constantes por lo menos durante 1 minuto: No cumple (mediciones de torque y velocidad imprecisas en dinamómetro, no fue posible garantizar la estabilidad).

7. La velocidad del motor durante una corrida o lectura no se debe desviar de la velocidad seleccionada por más de ± 1% o ± 10 min-1, lo que sea mayor: Cumple (las mediciones de todos los datos fueron realizadas rápidamente y se pudo garantizar velocidad constante durante la lectura).

8. Los datos sobre la carga observada aplicada al freno, el flujo de combustible y la temperatura del aire de entrada, se deben tomar en forma virtualmente simultánea y deben ser, en cada caso, el promedio de 2 lecturas consecutivas, en condiciones estables, que no varíen más de 2% para la carga aplicada al freno y el consumo de combustible. La segunda lectura debe determinarse sin ningún ajuste del motor, aproximadamente 1 minuto después de la primera: No cumple (se realizó únicamente una lectura simultánea, no un promedio).

9. La temperatura del refrigerante en la salida del motor debe mantenerse controlada termostáticamente dentro de ± 5 K de la temperature más alta, que especifique el fabricante. Si este no especifica ninguna, la temperatura debe ser 353 K ± 5 K.: No aplica (motor con sistema de refrigeración forzada).

10. La temperatura de combustible se debe medir lo más cerca posible de la entrada al carburador o ensamble de inyectores de combustible: No aplica (no hubo medición de este parámetro, imposibilidad física de medir la temperatura de combustible debido al montaje experimental).

11. La temperatura del lubricante se debe medir a la entrada del depósito de aceite o a la salida del refrigerador de aceite, si lo hay, a menos que el fabricante especifique otra ubicación para la medición. La temperatura se debe mantener dentro de los límites que el fabricante especifique: No aplica (no hubo medición de este parámetro, imposibilidad física de medir la temperatura del lubricante).

12. Se recomienda usar un combustible de referencia, o en su defecto uno que esté disponible en el comercio si sus características están especificadas según lo requiere la NTC 1930 y no contiene ningún supresor de humo o aditivo sumplementario: Cumple (combustible E10 utilizado en pruebas, características disponibles en la red y reportadas en el informe). [1]

III. CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR DE PRUEBAS

Sistema de enfriamiento

a) Liquido: Aire

Bombas de circulación (si/no): No

b) Por aire:Ventilador: No tiene. Sistema de refrigeración forzada

Sistema de admisiónDescripción: Aspiración natural, no turbocargado.Colector de admisión: No encontrado.Filtro de aire: Elemento DobleModelo: N/A Tipo: N/ASilenciador de entrada: N/AModelo: N/A Tipo: N/A

Sistema de alimentación de combustible

Por carburador(es) Número: 1

2


Modelo: 495912Tipo: VerticalAjustes: No encontrado.Surtidores: No encontrado.Venturis: No encontrado.Nivel del flotador: No encontrado.Peso del flotador: No encontrado.Aguja del flotador: No encontrado.Choque (Manual/automático): ManualGraduación de cierre: No encontrado.Bomba de alimentaciónPresión: No encontrado.

Sincronización de las válvulas

Ubicación de las válvulas: LateralesRangos de calibración: 0,13-0,18 mm de tolerancia en válvula de admisión, 0,18-0,23 mm de tolerancia en válvula de escape.

Sistemas de ignición

Sensor de autoencendido (si/no): NoEstrategia (solo retardo o avance/retardo): Solo retardoModelo: Magnetron Ignition System Tipo: Electrico

BujíasModelo: Motorcraft AE42CTipo: Grado térmico medio, electrodos extendidos, diámetro de rosca de 14 mm, electrodo central con núcleo de cobre.Ajuste de la distancia de chispa: 0,76 mm.

Sistema de lubricaciónPosición del depósito de lubricante: Al costado del cilindroSistema de alimentación (Circulación por bomba, inyección en la entrada, etc): Lubricación por tubo salpicador.

CONDICIONES DE ENSAYO PARA MEDIR LA POTENCIA NETA DEL MOTOR

Presión barométrica total: 74,66 kPa.Presión del vapor de agua: 1,82 kPa.Contrapresión del escape: N/A.Presión absoluta en el ducto de entrada: 74,66 kPa.

Temperaturas medidas a la potencia máxima Del aire a la entrada: 21°C.

Características del dinamómetroMarca: Engine Analysis Dynamometer Modelo: DY—70Tipo: Freno hidráulicoClasificación: Indicador analógico.

CombustibleMarca y tipo: Combustible E10 (10% etanol)Especificación: Regular Número de Octano (RON): 84,30Número de Octano del motor (MON): 77,80

Porcentaje y tipos de oxigenados: 10,41Densidad [g/cm3 a 288 K]: 0,74Valor calorifico más bajo estimado [kJ/kg]: 44610

LubricanteMarca: Mobil Super 1000. Especificación: Multigrado.Viscosidad SAE: 20W-50.

IV. MUESTRA DE CÁLCULOS

Se obtuvo para cada una de las mediciones realizadas los siguientes datos:

Tiempo necesario para alcanzar un consumo de 5 mL de combustible.

Temperatura de los gases de escape. Potencia al freno medida directamente desde el

dinamómetro. RPM. Cabeza de agua en pulgadas.

Para la medición número 1 se obtuvo por tanto:

El combustible utilizado fue Gasolina E10 se procedió a investigar su densidad (750 kg/m3) y su poder calorífico (46100 kJ/kg) [3], así:

Caudalde combustible= 5mL18.47 s ( 1m3

1 ´ 000.000 mL )=2.7071 E−07 m3

Flujo decombustible=750kg

m3∗2.7071−07 m3=2.03 E−04

kgs

Se calculo con ayuda de la curva del medidor del flujo de aire

(M-1100 Air-flow) un valor de 19lbhr

=2.39× 10−3 kgs

teniendo en cuenta el valor del diámetro de la boquilla utilizada (0.500”) a 1 atm de flujo de aire a través del proceso. Ya que la práctica fue realizada bajo las condiciones atmosféricas de la ciudad de Bogotá (temperatura 21ºC y humedad relativa de 73%), por medio de la carta psicométrica (para un rango de alturas de 2206 – 2754 m.s.n.m.) se calculó

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una relación de humedad (kg de agua/kg de aire seco) de 0.0157, así:

Flujo deagua=(2.622 E−0.3kgs )∗0.0157=3.76 E−0.5

kgs

Flujo deaire=(2.39 E−0.3 )− (3.76 E−0.5 )=2.3524 E−03kgs

Por tanto:

AFR= mamf

=(2.35 E−03)(2.03 E−04)

=11.59

El motor Industrial Plus 3.5 HP, modelo 93432 sobre el cual se realizo la práctica, tiene los siguientes parámetros geométricos:

Donde:

V desplazamiento=Vd= CilindradaN º cilindros

V camara decombustion= Vdrc−1

V bdc=Vd+Vc

Ap=π4∗(Dcilindro∗100)2

Con el fin de hallar y aplicar el factor de corrección que dicta la Norma Técnica Colombiana (NTC) 1930 para la potencia al freno observada durante la práctica, se parte de las siguientes condiciones iniciales:

Factores atmosféricos de ensayo:

Presión barométrica total: 74.66 kPaTemperatura atmosférica: 294.15 K

Es necesario calcular para ello, la presión seca a la cual se realizó la práctica. Por lo tanto se procedió a consultar la presión de saturación del agua a 21ºC. De aquí se observo que dicho valor es 2.49 kPa [4] y junto con la humedad relativa (73%) se tiene:

Pvapor=2.49 kPa∗0.73=1.82 kPa

Finalmente:

Pseca (Pd)=Pbarometrica−Pvapor=74.66−1.82=72.84 kPa

Este resultado difiere del límite aceptado por la NTC 1930 la cual establece que para todos los motores, la presión seca debe encontrarse entre 80 kPa y 110 kPa.

A pesar de que dicha condición no se cumple, se procede a calcular el factor de corrección (aA) para el motor encendido por chispa analizado.

Valores de referencia:

Presión seca: 99 kPaTemperatura: 298 K

α A=( 99Pd )

1.2

( T298 )

0.6

=( 9972.84 )

1.2

( 294.15298 )

0.6

=1.43

Esta fórmula se aplica a los motores carburados y a otros en los que el sistema de regulación está diseñado para mantener una relación combustible/aire, relativamente constante ante los cambios ambientales.

Esta fórmula solo se aplica si:

0.93 ≤ α A ≤ 1.07

Ya que el valor calculado (1.43) excede dicho límite, se muestra a continuación el valor de potencia al freno corregido y las condiciones de ensayo según el procedimiento indicado en la norma:

Presión barométrica total: 74.66 kPaTemperatura atmosférica: 294.15 KPotencia al freno corregida: 1.79 HP

Análisis termodinámico:

Considerando el sistema como Ciclo Otto de aire estándar, consideramos los valores de k, Cv y R como constantes a través del ciclo y de magnitud:

PV=mRT

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k=1.35

R=0.287kJ

kg∗K

Cv= Rk−1

=0.82kJ

kg∗K

Estado 1Estado de referencia, valores de entrada:

Masa mezcla=P 1∗V 1R∗T 1

¿74.66 kPa∗(1.71E-04)m3

(0.287kJ

kg∗K)∗294 K

=0.000151 kg

Masa aire=( AFRAFR+1 )Masa mezcla

¿( 11.5912.59 )∗0.000151 kg=0.00014 kg

Masa combustible=Masamezcla – Masa aire=0.000012 kg

Estado 2Compresión isoentropica:

P 2=P 1¿

T 2=T 1¿

Estado 3Proceso de combustión a volumen constante:Se supone una eficiencia en la combustión del 96% ya que no se cuenta con la capacidad para calcular dicho valor.

Qin=mf QHV ŋC=masamezcla Cv(T 3−T 2)

T 3=mf QHV ŋC

masamezclaCv+T 2

P 3=P 2T 3T 2

Estado 4Expansión isoentrópica:

P 4=P 3¿

T 2=T 1¿

Parámetros de funcionamiento:

Trabajo producido en la carrera isoentrópica de expansión:

W 3−4=Masamezcla R(T 4−T 3)

1−k=0.3057 kJ

Trabajo absorbido en la carrera isoentrópica de compresión:

W 1−2=Masamezcla R(T 2−T 1)

1−k=−0.0373 kJ

Trabajo neto:

Wneto=Wi=W 1−2+W 3−4=0.2684 kJ

El trabajo neto obtenido a partir del análisis termodinámico del ciclo Otto ideal será utilizado para calcular un estimado de la potencia neta real del motor. Se sabe que el trabajo neto en el análisis del ciclo ideal es entre 4 y 5 veces más grande que el trabajo neto real, por lo que el valor obtenido en los cálculos será dividido por 4.

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Wneto=0.26844

=0.0671 kJ

Esto se hace, porque no se tiene la capacidad de cuantificar experimentalmente la potencia de fricción del motor, con la cual se podría cuantificar de manera más precisa el funcionamiento del motor Industrial Plus TM 3.5 HP.

En el análisis de resultados se explicará en más detalle dicha suposición. Por ahora se tiene que:

Entrada de calor:

Qin=mf QHV ŋC=0.5305 kJ

Eficiencia térmica:

ŋt=(WnetoQin )∗100=12.65 %

Presión media efectiva indicada:

imep= WnetoV 1−V 2

=453.40 kPa

Potencia al freno:

Valor medido directamente del dinamómetro

W b=0.93kW =1.25 HP

Presión media efectiva al freno:

bmep=W b nR

Vd∗N=302.31kPa

Dado que:

imep=bmep+ fmep

Se tiene que:

fmep=151.09 kPa

Potencia de fricción:

W fricción=fmep∗Vd∗N

nR

=0.47 kW

Potencia indicada:

W i=Wi∗N

nR

=1.40 kW =1.9 HP

Eficiencia mecánica:

ŋm=( W b

W i)∗100=66.68 %

Torque teórico:

τ=W b

2 πN=3.5605 N .m

Potencia especifica al freno:

BSF=W b

Ap=0.028

kWcm2

Salida por el desplazamiento:

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OPD=W b

Vd=6298.14

kWm3

Consumo especifico de combustible al freno:

bsfc=mf

W b

=2.18E-04kg

kW∗s

Eficiencia volumétrica:

Considerando la densidad del aire a la temperatura de entrada

como ρa=1.181kg

m3 se tiene que:

ŋm=( ma

ρa∗Vd )∗100=79.59 %

Temperatura al escape:

Asumiendo que la presión al escape es igual a la presión en la admisión, se tiene que:

Tex=T 3( PescapeP 3 )

(k−1)k =1396.38K

V. CURVAS CARACTERÍSTICAS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

Figura 1. Curvas de fabricante y experimentales de potencia al freno vs. RPM de motor.

Figura 2. Curvas de fabricante y experimentales de torque vs. RPM de motor.

Se puede observar en primer lugar que la presión seca en el ensayo del motor no cumplió por un amplio margen los límites admisibles para su realización según la NTC 1930 (límite inferior de 80 kPa cuando durante el ensayo el valor de presión seca fue de 72,84 kPa). Ni siquiera la presión total en el ambiente es lo suficientemente grande para que el ensayo sea considerado válido, sin embargo, los cálculos pertinentes fueron realizados como un ejercicio académico para corroborar distintas hipótesis.

A partir de esta observación también se puede afirmar que los factores de corrección calculados para indicar el desempeño del motor en las condiciones de referencia no estarán dentro del rango aceptado para utilizarlos de forma válida. Esto es corroborado en la muestra de cálculo y en las hojas de resultados anexas a este informe.

Como ya se explicó anteriormente, para hallar algunos de los parámetros de operación solicitados se realizó un análisis del ciclo termodinámico ideal del motor. A partir de los resultados obtenidos en este análisis, basándose en resultados de ensayos semejantes y en recomendaciones dadas por el docente de la asignatura, se hicieron aproximaciones a los valores reales de estos parámetros tomando solo una fracción numérica del resultado obtenido. Así, por ejemplo, se afirmó que el trabajo al freno real en el motor es una cuarta parte del trabajo teórico que se obtiene en el análisis termodinámico.

Esta suposición fue necesaria para hallar la potencia a fricción del motor. Usualmente este valor puede ser hallado a partir de las presiones medias efectivas indicadas y al freno. Sin embargo, para medir la imep se utiliza un sensor de presión dentro de la cámara de combustión, y esta implementación no era realizable en este ensayo. De modo que se tomó el trabajo indicado teórico aproximado obtenido anteriormente y a partir de este se calculó imep. Teniendo la relación entre presiones medias efectivas

imep−bmep=fmep

Se halló el valor estimado de fmep y con este, se halló el trabajo y la potencia a fricción. Parámetros como la eficiencia

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mecánica obtenida a partir del análisis de ciclo ideal ayudan a corroborar que la suposición de que la potencia indicada real es solamente la cuarta parte de la teórica se aproxima mucho a la realidad (eficiencia mecánica próxima al 70%).

Los resultados obtenidos que se observan en las figuras 1 y 2 muestran que a pesar de tener valores significativamente distintos, ambas curvas presentan un comportamiento muy similar en su trazo, como si la curva del fabricante y la experimental estuvieran desplazadas una de otra en el eje Y. La explicación de este hecho se encuentra en las condiciones ambientales a las que fue hecho el ensayo. Según la guía para el usuario del motor, el motor ensayado pierde 3 ½ % del valor de su potencia por cada 300 metros que este es elevado respecto a la altura sobre el nivel der mar. Esto significa que, a 2600 m.s.n.m. (altura de Bogotá) hay una pérdida de potencia de aproximadamente el 30% de los valores de la curva del fabricante.

Es muy probable que las desviaciones existentes entre el comportamiento del motor descrito por el fabricante y el comportamiento obtenido en el ensayo también se deban a un mal procedimiento durante la práctica y a la imposibilidad de realizar mediciones más exactas de los parámetros de operación debido a los instrumentos de medición. Es necesario mencionar que las mediciones de estos parámetros fueron realizadas poco tiempo después de haber arrancado el motor, por lo cual no se puede afirmar sin lugar a dudas que durante las mediciones este estaba trabajando en un régimen estable, lo cual no es conforme con los procedimientos que dictamina la NTC 1930. Por otro lado, la toma de datos en instrumentos de medición con indicadores analógicos dificulta verificar las condiciones de estabilidad en el motor, así como también obtener resultados precisos de manera consistente para cada medición.

VI. CONCLUSIONES

La labor de caracterización del motor es extensa y meticulosa, y debido a esto requiere no solo un análisis y consideraciones precisas en el procesamiento y reporte de los datos obtenidos experimentalmente, sino una identificación adecuada de todos los componentes que conforman cada sistema del motor. Durante la realización de este informe se encontraron numerosas dificultades con esta última labor, dado que la información proporcionada por catálogos no fue en todas ocasiones suficiente para llenar todos los campos requeridos por la norma, y examinar el motor de manera superficial no arrojó mejores resultados. Se presume que varios ítems han faltado para llenar el reporte debido a esto. Los autores recomiendan realizar, como práctica adicional o un proyecto alternativo para la asignatura con acompañamiento de algún docente, el desarme e identificación de las piezas de este motor, de modo que se pueda tener acceso a esta información mediante consulta en el laboratorio para futuras ocasiones.

Por otra parte, los resultados obtenidos en la evaluación del motor permiten concluir que si bien los valores de los parámetros de operación difieren en gran medida con los proporcionados por el fabricante para su motor, el comportamiento del motor a los distintos regímenes de velocidad se aproxima muy bien al dado por el fabricante, encontrándose los 2 puntos de máxima potencia y máximo torque en cada gráfica en velocidades muy cercanas para cada caso. Esto no permite una caracterización completa del motor, sin embargo puede ser útil a la hora de determinar una aplicación menor para el mismo teniendo en cuenta las notas de desempeño en distintas condiciones proporcionadas por el fabricante.

Finalmente, se puede concluir que la realización de una práctica según lineamientos de una norma técnica es una actividad muy enriquecedora para el estudiante de ingeniería mecánica, ya que lo acerca más a aspectos más prácticos relacionados con la vida laboral por fuera de la academia, lo cual es también importante para su formación integra como profesional.

REFERENCIAS

[1] Instituto Colombiano de Normas Técnicas (ICONTEC), “NTC 1930: Vehículos automotores. Motores de combustión interna. Potencia neta (Norma técnica colombiana)”. Disponible en base de datos de ICONTEC. Consultada: 25 Mayo 2013. Última revision: Septiembre 11, 2001, pp. 4–34.

[2] W.W. Pulkrabek, Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engine (Libro). Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2003, pp. 63–66.

[3] J. Torres, D. Molina, C. Pinto, F. Rueda, “Estudio de la mezcla de gasolina con 10% de etanol anhidro. Evaluación de propiedades fisicoquímicas (Artículo)”. Disponible en: http://www.ecopetrol.com.co/documentos/estudio_gasolina.pdf. Consultado: 26 Mayo 2013. Noviembre, 2002, pp. 11.

[4] M. J. Moran, H.N. Shapiro, Fundamentos de Termodinámica Técnica (Libro). Barcelona: Editorial Reverté, 2004, pp 810.

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http://www.ecopetrol.com.co/documentos/estudio_gasolina.pdf

http://www.ecopetrol.com.co/documentos/estudio_gasolina.pdf

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