Laboratorio n°5 motor diesel ct-151

Facultad de Ingeniería Mecánica

Departamento de Energía y Ambiente

Laboratorio de Termodinámica II

II Semestre 2014

Guía de Laboratorio realizada por Itamar Harris. Adaptación de la guía de laboratorio “ENSC 461: Four-Stroke Diesel Engine” diseñada por La Escuela de Ingeniería Mecatrónica de la Simmon Fraser University.

Laboratorio N°5

Curvas de Características de un Motor de Combustión Interna Diesel de 4 Tiempos

Objetivo General:

- Determinar las curvas características de un motor Diesel de cuatro-tiempos.

Objetivos Específicos:

- Adquirir experiencia práctica en cuanto a la puesta en marcha y funcionamiento de un

motor Diesel de 4 tiempos.

- Determinar las curvas características del funcionamiento del motor Diesel CT- 151 y

compararlas con las curvas del fabricante.

- Comprender el significado y usos de las curvas obtenidas para determinar características de

operación del motor.

- Evaluar el significado de la relación aire- combustible, en cuanto a emisiones de

contaminantes tras el proceso de combustión.

Materiales:

Cronómetro

Combustible Diesel

Equipos de la Marca GUNT HAMBURG:

- Módulo de Prueba de motores CT- 159

- Unidad Universal de Frenado y Manejo HM-365

- Motor Diesel de 4 tiempos CT- 151

Descripción del Equipo:

El módulo básico del motor de combustión interna forma la base para las investigaciones y

experimentos en los motores de combustión interna. En la figura 1, se muestran las partes del

arreglo experimental que utilizaremos, el cual está compuesto por 3 equipos fundamentales: el

modulo de prueba CT-159, la unidad de manejo y frenado HM- 365; y el motor Diesel CT-151.

Fig. 1 Arreglo Experimental




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Módulo de Prueba:

La unidad CT- 159 está provista de sensores para medir el consumo de combustible y aire; los cuales

registran las temperaturas del ambiente y del combustible. Conexiones adicionales y despliegues

para las medidas de temperatura del gas de escape y la ignición del motor están incluidas.

En la figura 2, se detallan las partes de módulo CT-159. El mismo se puede describir como un bastidor

de laboratorio móvil que cuenta con pantallas y un panel de control montado en amortiguadores

de vibración (4).

La parte inferior del bastidor está provista con un dispositivo para varios tanques de combustible

(1); una tubería (no visible aquí) se usa para llenar el tubo para las medidas de consumo de

combustible (7). La bomba de combustible está sumergida en el tanque que contiene el combustible

especificado para el motor que se está usando.

Una manguera (2) conecta el tanque de combustible y la tubería. El tubo de medida es llenado por

medio de una bomba de combustible normal. El consumo de combustible puede medirse manual y

electrónicamente. Después del proceso del relleno, el combustible puede alimentarse al motor vía

una conexión con un acoplamiento que se auto cierra (13); una segunda conexión (8) se provee para

motores con una línea del retorno. El motor es montado en una placa base lista para usar en la cual

se inserta y se asegura en su lugar. El aire que es atraído por el motor primero fluye a través de un

filtro (15) y luego a través de un tanque de sedimentación con una abertura de medición (16).

Después de eso, fluye vía una manguera para aire (3) al motor. Los sensores electrónicos miden las

temperaturas del aire entrante y el combustible.

Fig. 2 Detalles del Módulo de Prueba

El tubo de medida se usa por medir el consumo de combustible. El consumo de combustible es

determinado usando un cronómetro. El consumo correspondiente a la diferencia de tiempo, puede

calcularse usando la siguiente ecuación:

�̇�𝑓 =𝐿1 − 𝐿2

∆𝑡∙ 𝐴𝑟 ∙ 𝜌




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Donde, �̇�𝑓 es el consumo de combustible; 𝐿1, 𝐿2 son los niveles inicial y final, respectivamente; 𝜌

es la densidad del combustible y 𝐴𝑟 = 4.8 𝑐𝑚2 es el área de la sección transversal del tubo.

Unidad universal de freno y control:

La unidad HM-365 suministra la carga requerida para el experimento. La unidad esencialmente

comprende un motor de trifásico. El motor hace posible medir el torque directamente. Para este

propósito la carcasa del motor está montada en cojinetes rotativos. Unos sensores de fuerza

electrónica miden la fuerza soportada, la cual es proporcional al torque. El torque del motor es

calculado usando el brazo de la palanca en el punto de contacto del sensor. La fuerza se transmite

entre la unidad impulsadora y el motor usando una correa en V.

En el tablero frontal, mostrado en la Fig. 3, hay dos pantallas digitales para la velocidad (1) y el

torque (3). Debajo de las pantallas,hay potenciómetros para la velocidad (2) y ajuste del torque (4).

El interruptor (6) se usa para especificar la dirección de rotación requerida y el interruptor de cambio

de “Mando” (7) se usa para seleccionar la variable requerida (velocidad o torque). El motor trifásico

se enciende o se apaga usando el interruptor (9). El interruptor maestro (5) y el interruptor de

parada de emergencia (8) completan los controles.

Fig. 3 Tablero de Control de la Unidad

Motor Diesel de 4 Tiempos

El motor es de Diesel CT- 151 consta de un cilindro, es de 4-tiempos y el mismo, está refrigerado por

aire. Se muestran el frente y las vistas laterales del motor en la Fig. 4a y b, respectivamente. El motor

está montado en una placa base (1) que se instala en el asiento del módulo básico del motor de

combustión interna. La velocidad del motor se fija con un controlador (11). Para medir la

temperatura de escape, el motor está provisto con un sensor de temperatura (6) el cual está

instalado en el área del silenciador (7). La conexión (8) para el tubo de escape de la descarga también

se localiza en el silenciador.

El motor puede arrancarse manualmente con la cuerda (19). Una polea (12) está montada en la

salida del cigüeñal del motor (4) que se usa para acoplar el motor al dinamómetro en la unidad del

freno.




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Fig. 4. Motor Diesel de 4 tiempos CT-151 a) Vista frontal b) Vista Lateral

Partes del Motor:

1. Base

2. Carter

3. Amortiguadores

4. Salida del cigüeñal

5. Cubierta de la volante

6. Sensor de temperatura

7. Silenciador

8. Conexión del escape

9. Recipiente del filtro de aire

10. Conexión de la manguera de aire

11. Control de velocidad

12. Polea

13. Control de velocidad

14. Imán de parada

15. Tapón de sensor de temperatura

16. Suministro de fuerza del imán de parada.

17. Línea de combustible

18. Línea del retorno

19. Sistema de arranque manual

20. Tapón de relleno de aceite

21. Tapón de drenaje de aceite.

Marco Teórico:

El ciclo Diesel es el ciclo de trabajo de un motor de ignición por compresión. El combustible se rocía

en el cilindro en 𝑝2 (alta presión) cuando la compresión está completa, y hay una ignición sin chispa.




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La siguiente figura muestra el diagrama p-v y T-s para un ciclo Diesel ideal; donde p es la presión, v

es el volumen específico, T es la temperatura absoluta y s es la entropía.

Fig. 5 Curvas p-v y T-s correspondientes al Ciclo Diesel

El ciclo Diesel ideal sigue los siguientes cuatro distintos procesos:

• Proceso 1 a 2 es la compresión isotrópica

• Proceso 2 a 3 es calentamiento reversible a presión constante

• Proceso 3 a 4 es la expansión isotrópica

• Proceso 4 a 1 es el enfriamiento a volumen constante reversible

Si asumimos calores específicos constantes y utilizamos la Primera Ley de la Termodinámica, podemos calcular la razón de calor añadido durante el proceso de 2 a 3, 𝑞𝐻 y la transferencia de calor al ambiente durante el proceso de 4 a 1, 𝑞𝐿 :

Como consecuencia, el trabajo neto hecho por el pistón será:

La eficiencia térmica del ciclo se define como:

Introduciendo la relación de corte como 𝛼 =𝑣3

𝑣2⁄ y la relación de compresión como

𝑟 =𝑣1

𝑣2⁄ podemos reescribir la ecuación anterior como:




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Donde 𝛾 =𝐶𝑝

𝐶𝑣⁄ .

Otro parámetro importante analizando los motores de combustión interna es la presión eficaz media (mep):

En el ciclo real, la característica de un motor es el resultado de los valores medidos determinados en una prueba a varias velocidades para la potencia de salida, P, el torque, 𝑀𝑑, y el consumo de combustible específico, 𝑏𝑒 ; introduciendo estos valores medidos en un diagrama contra los resultados de velocidad en las curvas características del motor creadas por la curva de los puntos medidos. Sin embargo, una distinción debe hacerse entre la carga plena y las curvas de carga parciales. Se define la carga plena como la tensión que un motor puede superar sin una reducción en la velocidad. En una carga completa, el motor se frena en un equipo de prueba a la temperatura de operación y con bomba inyección totalmente activada usando un dispositivo frenado. En este caso la posible cantidad más grande de combustible está disponible. Los valores determinados sobre todo el rango de velocidad bajo cargas diferentes son la base para la progresión de la curva de torque, rendimiento y consumo de combustible específico. Dado que un motor en uso diario raramente está bajo carga plena, las medidas bajo carga parcial son importantes. Varias medidas deben llevarse a cabo a velocidad constante y bajo varias cargas del motor. La disponibilidad de una cantidad suficiente de datos hace posible establecer las características de desempeño del motor. La salida de fuerza puede calcularse de la ecuación siguiente:

Donde n es la velocidad del motor en rpm. El consumo de combustible específico también es un parámetro importante que es la proporción de consumo de combustible y la fuerza de salida:

La eficiencia térmica del ciclo real es calculada como:

Donde ℎ𝑟𝑝 es la entalpía de combustión del combustible.

Procedimiento:

1. Ajuste el motor Diesel en la unidad de prueba y verifique su correcta conexión a la unidad

universal HM- 365.




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2. Verifique el nivel de aceite y combustible disponible en los tanques de reserva.

3. El controlador de velocidad en el motor debe ponerse en la posición “start” (encendido)

(“start” significa la máxima inyección de combustible).

4. Encienda el motor eléctrico colocando una velocidad de arranque de aproximadamente

2000 rpm (6.66 en el potenciómetro) mediante el ajustador de velocidad del HM- 365. El

torque se debe mantener fijo en 100%, para ambas direcciones (10.0 del potenciómetro).

Garantice un giro del motor hacia la izquierda.

5. Arranque el motor Diesel. Apague el motor eléctrico y espere 2 minutos.

6. Encienda el motor eléctrico.

7. Luego del paso anterior, el motor gira entonces a una velocidad que debe regularse con el

controlador de velocidad entre 2000 a 2500 rpm. Tome 7 mediciones de torque para

distintos valores de rpm comprendidos en este rango de RPM.

8. Calcule la potencia en kW.

Resultados:

1. Complete la siguiente tabla:

𝑁 (𝑟𝑝𝑚) 𝑀𝑑(𝑁 ∙ 𝑚) 𝑃 (𝑘𝑊) 𝑇𝑎𝑖𝑟−𝑖𝑛 𝑇𝑎𝑖𝑟−𝑜𝑢𝑡 𝑇𝑓𝑢𝑒𝑙 �̇�𝑓 �̇�𝑎𝑖𝑟

2. Utilizando los datos previamente tabulados, obtenga las curvas 𝑃 𝑣𝑠 𝑁, 𝑀𝑑 𝑣𝑠 𝑁 y

�̇�𝑓 𝑣𝑠 𝑁.

3. Calcule la razón de calor transferido al ambiente circundante para los casos de potencia

máxima y mínima. Asuma un comportamiento modelable mediante un ciclo Diesel ideal de

aire estándar. Realice las operaciones tanto con calores específicos constantes; como

variables.

4. Obtenga la relación aire- combustible para los procesos de mayor y menor consumo de

combustible. Determine el porcentaje de cada uno de los tipos de contaminante emitidos

con respecto al volumen total de la mezcla gases de combustión, según la figura mostrada

a continuación,




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Fig. 6. Constituyen del gas de escape de un motor de combustión Diesel vs las relación de

combustible- aire. Tipo de Combustible: Diesel Pesado (Tomado de Holtz y Elliot, Ref. 4.)

Preguntas y Análisis previo:

1. ¿Qué información nos brindan las curvas obtenidas (T vs RPM, P vs RPM y

Consumo de combustible vs RPM)? Busque la curvas dadas por el fabricante para

el motor CT-151 y compare el comportamiento de las mismas.

2. Analice el comportamiento del motor (torque, potencia y consumo de

combustible) en los puntos de máximo y mínimo valor de RPM.

3. Compare los resultados de calor transferido para los dos casos analizados

(máxima y mínima potencia). Explique.

4. ¿Por qué encendemos el motor eléctrico inicialmente, antes de encender el

motor Diesel?

5. Investigue sobre el efecto negativo de los contaminantes: metano y monóxido

de carbono. ¿Qué opina sobre los porcentajes de emisiones contaminantes

obtenidos, según la curva, en los gases de escape del motor, para los casos de

máximo y mínimo consumo?

Referencias:

- Fraser University. «ENSC 461: Four Stroke Diesel Engine.» s.f.

http://www.sfu.ca/~mbahrami/ENSC%20461/Lab/Four-Stroke%20Diesel%20Engine.pdf

(último acceso: 14 de Mayo de 2014).

- Obert, Edward. “MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA: Análisis y Aplicaciones”, 2da

Edición, Editorial CECSA, México, 1999.

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