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G U I A PARA E L P R O Y E C T O D E MOTORES DE C O M B U S T I O N I N T E R N A Dr. I n g . Bacilio Quiroz J a v i e r / P r o f e s o r del c u r s o de motores.

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TÍTULO:

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C A L C U L O T E R M O E N E R G E T I C O Y ANALISIS D E L A S PROPIEDADES DINAMICO-TRACCIONALES D E L MOTOR DIESEL TURBOALIMENTADO

sógoiaufaoiq «O! ííb ilífOí b«i>!tn¿') •

Apellidos y nombre del estudiante:

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I

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N°de matrícula: Ciclo/año académico:

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Tema complementario de estudio: Incluye: cálculo y plano de diseño normalizado a escala.

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G U I A PARA E L P R O Y E C T O D E MOTORES D E COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz J a v i e r / P r o f e s o r del c u r s o d e motores.

CONTENIDO D E L I N F O R M E D E L P R O Y E C T O D E L CURSO D E M O T O R E S TÍTULO: "Cálculo Termo energético y análisis de las propiedades dinámico-traccionales del motor Diesel turboalimentado " RESUMEN INDICE ANALÍTICO , Pág. 1. INTRODUCCIÓN (Antecedentes, realidad problemática, justificación del trabajo, enunciado del problema, objetivos). 2. MARCO TEÓRICO 3. DESARROLLO D E L PROYECTO REQUISITOS D E ENTRADA L Parámetros de la sustancia de trabajo II. Productos de la combustión II. Cantidad total de los productos de la combustión IV. V. VI.

Parámetros del medio ambiente y de los gases residuales Parámetros del proceso de admisión Parámetros del proceso de compresión • ;

VII. Parámetros del proceso de combustión VIII. Parámetros del proceso de expansión IX. Comprobación de la temperatura de los gases residuales X. Parámetros Indicados del Ciclo Operativo del motor

, .

i

\f

-I ,

iii.s?. :

XI. Parámetros efectivos XII. Principales parámetros constructivos del cilindro y del motor i^íiá u XIII. Parámetros energéticos y económicos del motor siq / O UUiSü ;'j|4íiíífil

' 'biK

XIV. Construcción del diagrama indicado a) Inicio de la combustión l^) Combustión Visible c) Proceso de Escape d) ' Proceso de Admisión e) Gráficas del diagrama indicado real XV. Balance termo energético del motor XVI. Construcción de las curvas características extemas de velocidad del motor XVII. Construcción de las curvas características de carga del motor 4. Conclusiones 5. Recomendaciones 6. Referencias Bibliográficas 7. ANEXOS (el motor y la descripción de sus partes y sus especificaciones técnicas, los planos de diseño del tema complementario de estudio, su descripción y sus especificaciones técnicas).

2

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REQUISITOS DE ENTRADA: AHAM í

/ U ^ / J ^ ^ ^ M ^ a ^ l <$Oíl I •11^/M A'i

A Esveciflcaciones técnicas del motor:

^ ^ V ^ ^ ^ ^

r t m é f m i tit»

> *

Motor diesel „de 4 tiempos f/im'nado en el automóvil Potencia máxima en KWJ..t3a.|@ n = |.260O. jrpm; Torque máximo en Nm @,n= rpm; . Numero de cilmdros -- r Tipo de cámara de combustión jiií/isvi Relación de compresión: £•= " Tipo de aspiración (natural o sobrealimentado):..7777..7. Presión de sobrealimentación:pk=.-.OJ7MPa Tipo de turbocompresor (Tipo de compresor: con o sin refrigeración del cuerpo, tipo de difusor. Tipo de turbina: radial o diagonal con presión constante ante la turbina).

Datos que deben ser asumidos debido a la información no vertida por el fabricante: E n el trabajo de los motores vehiculares y de los tractores sobrealimentados, el aire ingresa al cilindro desde el compresor, donde el previamente se comprime. E n correspondencia con esto la presión y la temperatura del medio ambiente, durante el cálculo del ciclo de trabajo del motor sobrealimentado se toman iguales a la presión y la temperatura en la salida del compresor: pk y TA-. Cuando el motor tiene enfriador intermedio (Intercooler) el aire desde el compresor ingresa a él y después al cilindro del motor. E n este caso, la presión pk y la temperatura Tk del medio ambiente se toman la presión y la temperatura del aire después que sale del enfriador. E n función del grado de sobrealimentación se toman los siguientes valores de la presión de s o b r e a l i m e n t a c i ó n d e l aire: Para la baja sobrealimentación . 1 , 5po B ¡r Para la sobrealimentación media (1,5-2.2)/7o Para la alta sobrealimentación (2,2 - 2,5);7o O también: ri,3-l,9 TTj. = PkíPo

11,9 - 2,5 >2,5

ihajapresión) {mediana)

'-n^ „

^IV^m^l-ol t'L.^W = 4

(alta)

Generalmente, si no tiene Intercooler, entonces el turbocompresor es de baja presión. L a temperatura Tk del aire después del compresor: Tk===To (pk47o/"k " '''"k :im. . >3-JX3 S b SÍrtíOñ?Syi-iMim:i-*l'''^ Donde rik es el Índice politropico de compresión del aire en el compresor. De acuerdo a los datos experimentales, el índice politropico de compresión del aire en el compresor (uk) y en función del grado de enfriamiento con el intercooler: (a) Para los compresores a pistón: nk = 1,4 - 1,6 ._ (b) Para los compresores volumétricos: nk = 1,55 - 1,75. (c) Para los compresores centrífugos y axiales: nk= 1,4 - 2,0. La temperatura Tk también se puede determinar mediante la siguiente expresión: Tk = To{] + [(ph'Pof' - l]/riad.k) ' ^^^^a^"" '^^ En este caso, T)ad.k = 0,66 - 0,80 es el rendimiento adiabático del compresor. '

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L PARAMETROS DE LA SUSTANCIA DE TRABAJO: a. Composición gravimétrica: Petroperú)

I í ^ i M g^lKÍ

(como mínimo 45% de cetano, Norma peruana

Elegimos la composición del combustible diesel usando la tabla N° 1

COMBUSTIBLE DIESEL

c

H

O

0,87

0,126

0,004

\

I

COMPOSICIÓN ELEMENTAL

V

lii'

•ú) <m '••

b. Poder calórico bajo del combustible: Fórmula de Mendeleyev: .J

Hu = [33,91 C + 125.60 H - 10,89 ( 0 - 5 ) - 2,51 (9 / / + W)] x 10^

,

W: vapor de agua; S = azufre, elementos no permitidos en los combustibles para automóviles. Hu = 42,44[MJ/Kg.]

mimx.^s^im ú J

^Í<;'---Í^Í

-mhñrúm teb MIÍ..; á u p Bouqaob

^^'^^^ ^^^^ ^ ' ^

hb t. u itñ'mmi

t\ ¡''^Í^^TM

c. Los parámetros de la sustancia operante: Bir,ttmr\n'^^i&^^^^

'

L a cantidad teóricamente necesaria de Kmoles de aire para quemar I K g de combustible Lo y la cantidad teóricamente necesaria de K g de aire ara quemar I K g de combustible to ^ Lo = 1/0,208 (C/12 +II/9 -Oc/32) = 0,5 [Kmol/Kg.] to = 1/0,23 (8C/3 +8H -Oc) = 14,452 [Kg. aire/Kg. comb]

'

d. El coeficiente de exceso de aire (a ) : .b-fíii^ bu : \ En relación al coeficiente d e exceso d e aire: a La reducción d e a hasta cierto límite disminuye las dimensiones del cilindro, y

^

"íí •- consiguientemente a u m e n t a la potencia por unidad d e cilindrada, pero simultáneamente con esto crece notablemente la intensidad del c a m p o térmico del m o t o r , especialmente délas piezas del grupo pistón, a u m e n t a el h u m e a d o d e los gases d e escape. Los mejores ejemplares d e los m o d e r n o s motores diesel d e aspiración natural con formación d e la mezcla por chorro trabajan establemente en su régimen nominal sin sobrecalentamiento significativo con a =1,4 -1,5 y los motores sobrealimentados con a =1,6 - 1 , 8 .

4

'i K i

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Si se asume a = 1.7para un motor sobrealimentado: js

Calculamos: La carga fresca M I :

hh m.iom\; / un) w^^iqmuD ÍO m '•jiinyj' y'Ái

Mi = a Lo = 1,7 (0,5) = 0,85 [Kmol de carga fresca / Kg. combustible] //.

LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN: •i-

B,

Mco2

a

MH2O=H/2= 0,063

=0,870/12 = 0 , 0 7 2 5

[Kmol

[Kmol C O 2 / I K g Comb]

H2O/

Kg. Comb]

' '

M O 2 = 0,208(a -1) Lo = 0,208 (1.7-1)0,5 f

M O 2 = o, 0728 [Kmol O 2 / K g Comb]

f

M N 2 = 0,792 ( a L i ) = 0,792 (1,7) (O, 5) = 0,6732 [Kmol N 2 / K g Comb]

///,

LA CANTIDAD TOTAL DE LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN M2

M2

= M CO2 + M H20 + M 02 + M N2

M 2 = o, 0725 + 0,063 + O, 0728 +0,6732 M2 = 0.8815 [Kmol Prod. Comb. / Kg Comb]

IV. LOS PARÁMETROS DEL MEDIO AMBIENTE RESIDUALES . . [r-

-

.únwi i

^ 0 = 0,1 M P a l = 1

bar

Y DE LOS GASES

miM;¿(.m-i.m¡ iv.KüuxuKy., obtí^nsf/ioaidoü ob.;ín:.>íniU odiiJl hy-M} lomn

To = 293 K 1,3-1,9

n^^ = Pk /Po 1,9-2,5

> 2,5 Asumimos:

{bajapresion) {mediana)

^^^^^^.olsbbutV -

.olv

(a/to) ;r^=2.1425 ;r;^.(Po) = 2 . 1 4 2 5 ( 0 , 1 ) ; es decir: ¡Pk = 0 . 2 1 4 3 MPa nk-l nk

Tk= To

-ATenf ra. vh y • :n>\t>i'iv\- ¿ft \

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De acuerdo a los datos experimentales el índice politropico de compresión del aire en el compresor (uk) y en función del grado de enfriamiento con el intercooler. t » ^ «•J Seleccionamos: nk=l,8 .

.

.1,8-1

X P

o,i

V.

¡M

JA = 293(2.143)"1X- ATenf \\

343 K (= 70° C ) = 411,138(=138,138°C) - ATenf ATenf = 68.138 °C Observación: Intemacionalmente se sabe que la temperatura del aire que ingresa al cilindro del motor no debe ser en extremo para los motores diesel turboalimentados no mayor de 100° C entonces, podemos asumir que el sistema de refrigeración (intercooler) absorbe una temperatura de 68.138 °C. L a temperatura y la presión de los gases residuales podemos configurarlos considerando que el valor suficientemente alto de la relación de compresión del motor diesel en estudio permite que durante la Turboalimentación del régimen térmico del motor aumente y aumenten también los valores de Tr y Pr por eso podemos asumir que para los motores diesel turboalimentados.

-Tr = 7 1 0 K - P r = 0,75Pk = 0,75 (0.2143)

[=> |Pr = 0, 1607rMPa1

PARAMETROS DEL PROCESO DE ADMISION:

¡on^Ál

L a temperatura de calentamiento de la carga fresca para el motor en estudio no tienen un dispositivo especial para el calentamiento de la carga fresca; sin embargo, el calentamiento de la carga del motor, turboalimentado a cuenta de la disminución de la caída térmica entre las piezas del motor y el aire sobrecalentado constituyen una magnitud de calentamiento que se reduce por esto para el motor diesel turboalimentado normalmente se elige la temperatura entre O y 10° C y considerando las condiciones ambientales propias de Trujillo podemos seleccionar A7' = 2° C. La densidad de la carga en la admisión podemos nosotros calcularlos del siguiente modo: futo) ^S - i Pk = 0.2143 MPa PK

=

Ra = 2 8 7 J K g / K RaT,

Tk = 343K

j

/ ? j , = 2.176 [Kg/m3] Las pérdidas de presión en la admisión es:

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\Eltjo:p'+^

= 3,9

Elijo:a)y=mmls PK = 2.176

M m m m r A l ^ \ f ,^,,4 ;>c o o t t e M i

Kg/m3

APa =0.04244 MPa^

Presión alfinal de la admisión: Pa = Pk - APa Pa = 0,2143-0,04244 Pa = 0.1718 Mpa

JF/ coeficiente de los gases residuales:

Yr

Yr

'343 + 2^

0.1607

710

22(0,1718)-0,1607 r,=o,02i5ii

'-4 -

, •/'

T = 343 + 2 + 0,02157(710) 1 + 0,02157 ,1

[Ta = 352.7K (=79.7°C)| Eficiencia

volumétrica:

4-

c 188^0

7^

(T,+AT)(£-l)P, IK-

- -

•-•

^ 343(22x0.1718 -0.1607) ^"

(343+ 2)(22-1)0,2143 = 0.7997

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VI. PARÁMETROS DEL PROCESO DE

COMPRESIÓN:

-

Del gráfico 25: Para T a = 352.7K y ^ = 22 ^ k l =1,3615

-

Pc = P a í " Pc=0.1718x22''''"' ^c=11.55MPa| Te = T a ^ " - ' Te = 3 5 2 . 7 x 2 2 ° ' " ' Tc=1078.2K(=805.2°d Te

Según tabla 5: para Te = 805.2°C :

= 22.298 [KJ/Kmol-K]

mCv V

J To

aire

Te

f

Según tabla 8: para Te = 805.2°C y « = 1,7 : YYiCv V .Te

Te

mCv

mCv V

(

mezcla J To

mCv

Y''

V

aire

1 +rr mCv

J To

^ 24.657 [KJ/Kmol-K] JTO

y

gases

J To

1+

= [22.298 + 0,02157(24,657)]-

V mezcla J To

1

1 + U.UZ15/

fyiCv = 22.76 [KJ/Kmol-K) mezcla

VIL PARAMETROS DEL PROCESO DE

COMBUSTIÓN:

Coeficieme teórico de variación molecular:

/"o

M,

0.8815

M,

0.85

//o =1.037

Coeficiente de variación molecular

^r

^Eo±rr ^ 1,037 + 0,02157 ~ ~ ~ — 1 + 7, 1 + 0,02157

^

//, =1.036

El poder calórico inferior de la mezcla operante:

CÍ

C>í)

8

G U I A PARA E L PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz Javier/Profesor del c u r s o de motores. Hu 42.44 E¥a

0.85(1 + 0,02157)

Hu

=

^^-^nMJIKg]

mezcla

El calor específico molar medio de los productos de la combustión, trabajando en el rango de 1501 a 2800" C: Tz

= 23,847+1,833 x 10"' *Tz [KJ/Kmol °C]

mCv y producios yTO

x7i

^Tz

mCp

mCv

\^ producios y

TO

+8,314

M V ••••

\^ productos ^TO

v7i mCp

= 32,161 + 1,833 X 1 0 " ' * T z [KJ/Kmol °C]

\^ productos j 70

Temperatura Tz Tz rp_

C, (Hu) + [(mCv)% + 8,314Á]Tc + 2270(2 -jUr) = Mr imCp)% Tz

E l coeficiente de utilización del calor ¿7, , para motores turboalimentados teniendo en cuenta que se acompaña con una elevada carga térmica y con la generación de mejores condiciones para el desarrollo de la combustión í^y =0.86. E l grado de elevación de la presión en los motores diesel depende fimdamentalmente de la magnitud del suministro cíclico de combustible, con el propósito de disminuir las cargas gásicas sobre las piezas del mecanismo bielamanivela, es conveniente tener máxima presión de combustión no mayor de 15 MPa. Asumo / l = l , 4 y Í^,,=0,86 Cvi^^^n^zcia)

[('^Cv^zc/a)7b

= 0,86 (48.87) = 42.028 [MJ/Kmol] +8,314/1]/;: =[22.76 +8,314(1,4)]805.2 = 27698.558 [KJ/Kmol]

2 2 7 0 ( 2 - ju^) = 2270(1,4-1,036) = 826.28 [KJ/Kmol] Mri^CpyTotz =l,036(32,161+l,833x 10-'Tz)Tz

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MMCpfrotz = 33,318 Tz +l,8989x 10"'Tz^ < + ni\

^

l,8989x 10-'tz2 +33,318 tz = 70552.838 [KJ/Kmol] rz=1909''C

Tz=2182K

La relación de expansión previa:

ÁTc 1,036(2J182) P =

1,4(1078.2)

/? = 1.498

j P z = 1,4(11.55) i / k

Pz=16.18MPa

H / / . PARÁMETROS DEL PROCESO DE e_ ^

J 2

p

1.498

EXPANSIÓN:

(5=14.68 úí

- Delgrqfico 30: Para Tz = 2182y S =14.68; i b = 1.269 ^

16.18

ni 5b ryiaüvjit. • ' • |Pb = 0.5347MPd

72 ,-1

S"'-'

"® obn-jms! ob

^í'^^^^ms'í'

obí,fM

!:

f>^''^¿'íiO'!T

2182

14.68

0,269

Ib=1059K IX. COMPROBACIÓN DE TEMPERATURA ASUMIDA INICIALMENTE -

7' =

'0,5347 P.

DE LOS GASES

f H'f'-,^-'

RESIDUALES

A - . . . ! ^ - ^ - U..:.,.^^ ' - - U

0,1607

Tr = 709.356 K]

10

-

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-

Tr calculado > Tr asumido (0,95) m'i- Vi -0^ 709.356

> 710(0,95)

709.356 i > 674.5 (Se cumple) X.

PARÁMETROS INDICADOS DEL CICLO DIESEL TRUBOALIMENTADO

OPERATIVO

DEL MOTOR

La presión media indicada: /; ^ = Pa-^mp

- 1 ) + ( 1 — L _ ) — 1 — (1 — L ) ]

I]^ = 0 , 1 7 1 8 [ 1 , 4 ( 1 . 4 9 8 - 1 ) + MLli^^^^(1 2 2 - ^ 1,269-K

1468''^'^-'^

i (1 1 U615-r 22'-'*"

P,_r= 1-567 MP^ Factor diagramático: 0,92 <0¡ <0,97, Asumo (j)^ = 0,92 Pi = 0,92(1,568) Pi = 1,442 MPa Rendimiento indicado: -ysnm^.

7, =

xm

1,442(1,7)14,452 48,87(2.176)0,7997 T].=0.4164 Consumo específico indicado de combustible (gi) . 3600 Hurí, 3600 48,87(0,4164) gi =176.9[gr/Kwh] XI. PARAMETROS

EFECTIVOS

DEL MOTOR

TURBOALIMENTADOS:

L a presión media de las pérdidas mecánicas: Pm = 0,105 +0,012Vp; donde Vp = ^ = ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ = 10.13 m/s 30 30 Pm = 0,105 +0,012(10.13) Pm = 0.2266 MPa

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Presión media efectiva: Pe = Pi - P m Pe = 1,442-0,2266 |Pe= 1.215 MPa -

Rendimiento mecánico y efectivo: Pe Pi

1.215 1.442 7 . =0.8428 Tj^ = 0,4164(0,8428)

Consumo especifico de combustible: 3600 ge =

ge=

3600 48,87(0,35099) ge = 209.85fgr/Kwh]

XII.

PRINCIPALES PARÁMETROS DEL MOTOR:

CONSTRUCTIVOS

DEL CILINDRO Y

La cilindrada del motor: iVe30ziV,. = Pe*n 1. Sin embargo, la reducción de esta relación para los motores Diesel así como para los motores a gasolina disminuye la velocidad del pistón y aumenta el rendimiento mecánico por esto es conveniente que en los cálculos de diseño se asuma la relación (S/D)= 1.1095 en este caso el diámetro debe ser igual a: D = 100 D (4(2,24) D = 100 3l V(112) |D= 136.986 mrn

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-

Area del pistón: '! >ilj V iteáiÜM >i w > y '

^ ^ ;r(136.986)^ A= 14738.126 mm2=14.738 cm^ XIII. PARÁMETROS ENERGÉTICOS Y ECONÓMICOS DEL MOTOR TURBOALIMENTADO Después de haber precisado los principales parámetros constructivos del cilindro y del motor se calcula definitivamente lo siguiente: - Ne =

PjV„n

_ 1.215(17.915)2000

30r

30(4) bíe = 363 K w

- Me

A^e(9550) _ 363(9550) 2000

n

Me = 1733 Nm - Me - Km-

2194 Nm

-M

^í^max 2194 '""^ - 1733

gq^/: v-M '-^ñ K m =1,266 • í/iM 8 1 . d i - ' s ' } L a potencia por litro o potencia por unidad de cilindrada: - NeL =

Ne

363

iVf,

17.9211

NeL=20.26[^] - Ge = Ne. ge = 363 (209.85) Ge = 76.176994 fKg/h] A / K CONSTRUCCIÓN DEL DIAGRAMA TURBOALIMENTADO:

INDICADO

REAL

DEL MOTOR

13

G U I A PARA E L PROYECTO D E MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz J a v i e r / P r o f e s o r del c u r s o d e motores. D I A G R A M A INDICADO R E A L D E U N MOTOR D I E S E L TURBO A L I M E N T A D O

^^^^i ' "''' ' 'b

P (MPa) r Pz" PI

= A

Pd .1

í -i>*

PC" b" - Bi' 'jb ':iuq;:-y . .

) m b j V OibnHi..

e

Pe Pr"" Pr Pr"

V(Lts.) Va"

PRESIONES

VOLUMENES

Pr =0,1607 MPa Pa~ =0,1718 MPa Pb^ = 0,5347 MPa Pe =11.55 MPa Pz=16.18MPa

Vc^=Vz =0.107 Lts. V a = Vb' = 2.347 Lts. 2 = 1,4 p = 1,4419 A-i^^QA

c

f=22 i =8 7, i V h = 17.9225 Vh = 2.2403 CONSTANTES Coeficiente politropico de compresión ( n i ) : 1.3615

_

-¡M

ou

Coeficiente politropico de expansión (n2): 1.269 índice politropico de compresión del aire en el compresor (nk): 1.

14

G U I A PARA EL PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz Javier/Profesor del curso de motores.

1.- Proceso de Compresión (Tramo a'c): • k l =Pa Va "' = 0,1718 (2.347)'-^^'5 k l =0.5489 • Para valores mtermedios entre a'y c~:

PV"i=kl

Pxi Vxi'-'^'^ = 0.5489

PROCESO DE COMPRESION (tramo a'C) Punto VxI(Lts) Pxl(MPa) 2.347 a' 0.172 2.299 0.177 2.252 0.182 2.204 0.187 2.156 0.193 2.109 0.199 2.061 0.205 2.013 0.212 1.966 0.219 0.226 1.918 0.234 1.870 1.823 0.242 1.775 0.251 1.727 0.261 1.680 0.271 1.632 0.282 1.584 0.293 1.537 0.306 1.489 0.319 1.441 0.334 1.394 0.349 1.346 0.366 -

-

-

-

1.298 1.251 1.203 1.155 1.108 1.060 1.012 0.965 0.917

0.385 0.405 0.427 0.451 0.478 0.507 0.540 0.576 0.618

0.869

0.664

0.822

0.717

00Ú.8 s

OOO i

15

G U I A PARA E L PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz Javier/Profesor del curso d e motores.

c'

0.774 0.726 0.679 0.631 0.583 0.536 0.488 0.440 0.393 0.345 0.297

0.778 0.848 0.930 1.027 1.143 1.284 1.458 1.677 1.960 2.337 2.862

0.250

3.630

0.202 0.154 0.107

4.844 6.988 11.555

PROCESO DE C O M P R E S I O N 14.000

SK.O 12.000 10.000 8.000

S

z o 6.000

5

4.000 2.000 1

0.000 0.000

0.500

1.000

iU!

1.500

2.000

2.500

V O L U M E N (lts)

2.- Proceso de Expansión (Tramo b'z"): •

k3 = Pb^W"2 = 0,5347 (2.347)'

-¡^j . í.su t

PV"^ = k3

iV O

k3 = 1.5787

16

G U I A PARA E L PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz Javier/Profesor del c u r s o d e motores. •

V z ' = ( k 3 / P z ^y''"2^ Vz ' =(1.5787/16.18)*''''269)

V z " = 0.1598 Lts. • Para valores intennedios de z'' y b":

PKSVXS'-'''=1.5787

PROCESO DE EXPANSION Punto z"

-

Vx3(Lts) 0.15983 0.20636 0.25290 0.29943 0.34597 0.39250 0.43904 0.48557 0.53211 0.57865 0.62518 0.67172 0.71825 0.76479 0.81132 0.85786 0.90440 0.95093 0.99747 1,04400 1.09054

Px3(MPa) 16.17648 11.69628 9.03599 7.29268 6.07119 5.17277 4.48718 3.94867 3.51572 3.16088 2.86535 2.61584 2.40267 2.21869 2.05846 1.91781 1.79346 1.68283 1.58383 1.49478 1.41431

1.13707

1.34126

1.18361 1.23014 1.27668 1.32322 1.36975 1.41629 1.46282 1.50936 1.55589

1.27470 1.21382 1.15796 1.10652 1.05904 1.01508 0.97428 0.93632 0.90092

1.60243

0.86785

1.64897 1.69550

0.83689 0.80785

00 0;

00.í»

Dc.O

: • ^ ^ •il.ílCí'iiíL;--A

17

G U I A PARA E L PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz Javier/Profesor del curso de motores.

b*

1.74204 1.78857 1.83511 1.88164 1.92818 1.97471 2.02125 2.06779 2.11432 2.16086

0.78056 0.75488 0.73067 0.70782 0.68621 0.66576 0.64637 0.62796 0.61048 0.59384

2.20739

0.57800

2.25393 2.30046 2.34700

0.56290 0.54849 0.53472

Expansión

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

V O L U M E N (lts)

3.- Inicio de la combustión (tramo c-d):

Pxi=k2A/x2"''

Asumido: nk = 1.8 donde nk > (ni =1,369) Ve = Vc'+ Vli/2 [l-cos(360-(Zí,i)+|(l-cos(720-2(Z>„))] Asumiendo 4 . = 10°

mm

o"

18

G U I A PARA E L PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz Javier/Profesor del curso d e motores.

Ve = 0.14734 Lts. 51 i j u o l l a o c i í •
of3Íni 000 ñ... 000

(X)O.Oi

Pxi=0.09098A^x2''

Inicio de la Combustión (Tramo c-d) Punto d -

-

-

c

Vx2(Lts) 0.10668 0.10871 0.11075 0.11278 0.11481 0.11685 0.11888 0.12091 0.12294 0.12498 0.12701 0.12904 0.13108 0.13311 0.13514 0.13717 0.13921 0.14124 0.14327 0.14531 0.14734

Px2(MPa) 15.64439 14.97972 14.35484 13.76669 13.21251 12.68978 12.19623 11.72976 11.28846 10.87061 10.47459 10.09895 9.74234 9.40353 9.08136 8.77481 8.48288 8.20469 7.93941 7.68626 7.44453

uGC'.o

sV

1^

O- -

... I rel="nofollow"> ;

19

G U I A PARA E L PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz Javier/Profesor del c u r s o de motores.

I n i c i o d e l a Combustión ( T r a m o c - d )

18.000

Si

«

16.000 14.000 12.000 5 10.000

z

K

8.000

a. 6.000 4.000 2.000 0.000 0.000

0.020

0.040

0.060

0.080 0.100 V O L U M E N (lts)

4.- Combustión Visible (tramo d-z-I): •

•

0.140

0.160

(Vx2-Vz)2 = 4 k4 (Px2-Pz)

Vz =(Vz+Vz")/2 -rr Vz = (0.107+ 0.1598)/2 Vz =0.1279 Lts. k4=-^ ^ A{Pd-Pz)

0.120

mil')

ñ>Am^

^ j

: •,

VI-M"'.

k4=

•

(0.1066-0.1279)' 4(15.64439-16.17648) k4 =-0.000210 Para vL: (FJC2 - V-'Y

Parábola{comhustión):

Px2 =

Politrópica(escape):

Px2 =

— ~ + Pz 4k4 k3 ni

VxA

Solución: vL = 0.14981 Lts. •

PL=(k3/vL'^)

20

G U I A PARA EL PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz Javier/Profesor del curso de motores.

PL=( 1.5787/0.14981'^^'^) P L = 15.60506MPa ,

| eldítlV O

Para valores intennedios de d, z, L :

Px2 =

(Vx2-0.1279)' + 16.17648 4(-0.000210)

Tramo d-z-l

001.di

Punto d z -

V(Lts) 0.10668 0.10845 0.11021 0.11198 0.11374 0.11551 0.11727 0.11904 0.12080 0.12257 0.12433 0.12610 0.12786 0.12955 0.13124 0.13292 0.13461 0.13630 0.13799 0.13968 0.14137

P(MPa) 15.64439 15.72937 15.80697 15.87718 15.93999 15.99542 16.04346 16.08410 16.11736 16.14322 16.16170 16.17278 16.17648 16.17310 16.16295 16.14605 16.12238 16.09195 16.05475 16.01080 15.96008

-

0.14305

15.90260

1

0.14474 0.14643 0.14812 0.14981

15.83836 15.76735 15.68959 15.60506

000.^

ai

1 M

QOi ¿í

,0M

. ,,.,áV+W-dV

21

G U I A PARA E L PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiro£Javjher/Profesor del c u r s o d e motores.

Combustión V i s i b l e ( T r a m o d - z - l )

16.300 16.200 16.100 16.000

S z o 15.900 12 ce 15.800 o.

r- > ! ) «

•

15.700 15.600 15.500 0.000

0.050

0.100 V O L U M E N (lts)

0.150

0.200

5.- Proceso de Escape (tramo b-e-a-r-r): • Escape Libre(tramo b-e) (Px3-Pe)^ = 4k5 (Vx3-Ve) -

Pe

_ (Pb+Pa)

Pe =

2 (0,5347 + 0,1718)

Pe = 0,3533 MPa Ve = V c + V h Ve = 0.107+ 2.2403 Ve = 2.347 Lts. Asumo =80° para:

A-r^

í

^--

OfdCI.O

di

md'o di > r C'

; - i •1. í - "\

?; 1

Á

Vb = Vc'+ Vh/2 [l-cos(360-(í,,)+-(l-cos(720-2^,,))] 4 V b = 1.79280 Lts Pb = k3(Vb)-"2

Pb= 1.5787 (1.79280)-''^*^^ Pb = 0.75262 MPa ^^^(Pb-Pef 4(Vb-Ve)

k5 = (0.75262-0,3533)' 4(1.79280-2.347)

22

GUIA PARA EL PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz Javier/Profesor del curso de motores. k5 = 0.0001369 -

Para valor intermedios entre b y e: Px3 =0,3533 +2 V - 0,24385(F;c3 - 0,56463) Tramo b-e Pmito b -

-

-

-

-

e

Vx3(Lts) 1.79280 1.82540 1.85800 1.89060 1.92320 1.95580 1.98840 2.02100 2.05360 2.08620 2.11880 2.15140 2.18400 2.21660 2.24920 2.28180 2.31440 2.34700

m Px3(MPa) 0.75262 0.74070 0.72840 0.71568 0.70249 0.68879 0.67451 0.65956 0.64384 0.62722 0.60953 0.59052 0.56985 0.54698 0.52103 0.49024 0.45012 0.35327

002,0 á

s .„..,c, I

i

QdOJj

• oí:

vrii-

23

G U I A PARA EL PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz Javier/Profesor del curso de motores.

E s c a p e L i b r e ( t r a m o b-e) 0.800 0.700 0.600

(D O. 0.500 2 z 0.400 o 0.300

a. 0.200 0.100 0.000 0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

V O L U M E N (lts)

•

Escape forzado (tramo e-a): -

Va = V b = 1.79280 U s 'c

-

Po = Pe = 0,3533 MPa

-

Ro = V e - V o = 2.347-Vo

-

Pa = P r - ( P a ' - P r )

(Px4-Po)2 +(Vx4-Vo)2 = R o '

Pa= 0,1607-(0,1718-0,1607) Pa = 0,1496 Mpa -

Para el punto a: . _ (Pa - Po)2+(Va-Vo)^ = Ro^

'

.

(0,1496 - 0,3533)2 +(1.79280 -Vo)^ = (2.347 -Vo)^ Solución Vo = 2.0325 -

Ro = Ve- Vo Ro = 2.347 - 2.0325 Ro = 0.315

24

G U I A PARA E L PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz Javier/Profesor del curso de motores.

-

Para valores intermedios entre e y a: Px4 = 0,3533 +,/0.315' - ( F x 4 - 2 . 0 3 2 5 ) ' Tramo e-a Punto e

-

Vx4(Lts) 2.34700 2.31440 2.28180 2.24920 2.21660 2.18400 2.15140

Px4(MPa) 0.35327 0.21382 0.16153 0.12532 0.09826 0.07764 0.06209

2.11880

0.05081

Escape Forzado (Tramo e-a) 0.400 0.350 0.300 £ 0.250

S

Z 0.200 lo ? 0.150 0.100 0.050 0.000 0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500 M.O

V O L U M E N (lts)

Oc.ü

25

G U I A PARA E L PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz Javier/Profesor del curso de motores.

Tramo (a-r^):

P = Pa = 0.14957 Mpa Tramo a-r'

Punto a r'

I

Vx4(Lts) 1.79280 1.71065345099468 1.62850395099468 1.54635445099468 1.46420495099468 1.38205545099468 1.29990595099468 1.21775645099468 1.13560695099468 1.05345745099468

Px4(MPa) 0.14957 0.14957 0.14957 0.14957 0.14957 0.14957 0.14957 0.14957 0.14957 0.14957

0.97130795099468 0.88915845099468 0.80700895099468 0.72485945099468 0.64270995099468 0.56056045099468 0.47841095099468 0.39626145099468 0.31411195099468 0.23196245099468 0.14981295099468

0.14957 0.14957 0.14957 0.14957 0.14957 0.14957 0.14957 0.14957 0.14957 0.14957 0.14957

00f!..C

Oíc.C

3

Tramo (a-r') 0.16 0.14 0.12

I 0.10 O

0.08 0.06

o.

0.04 0.02 0.00 0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

V O L U M E N (its)

26

G U I A PARA E L PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz Javier/Profesor del curso de motores.

•

Tramo ( r - r ) : -

(Px5-Pr)'

= 4 ke ( V x 5 - V r )

Pr = 0,1607MPa; Vr = Vc = 0T07Lts.

- Pr'= Pa = 0.14957 MPa; Vr = V L = 0.14981 Lts. -

K6 =

oai.o

(Pr'-Pr)' 4(Vr'-Vr) 3;;r O

K6 =

(0.14957-0,1607)'

4(0.14981-0.107) ,^ K6 = 0.0125 - Para valores intennedios entre r y r': Px5 = 0,1607 - ./4(0,0125)x (^<x5 - 0.107)'

- OcL-Ü

Tramo r'-r

•Oí-

PUNTO r' r

Vx5(Lts) 0.14981 0.14946 0.14911 0.14875 0.14840 0.14805 0.14770 0.14734

Px5(MPa) 0.14957 0.14979 0.15046 0.15159 0.15317 0.15521 0.15770 0.16065


Í8V*Í í Ü

27

G U I A PARA E L PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz^avieiVPi'o^ del c u r s o de motores.

Tramo r'-r 0.162

0,148

r

i 0.147

0.148

0.148

0.149

V O L U M E N (lts)

6.-Proceso de Admisión (r-r - a ) :

0.149 \f

0.150

0.150

fsi v4 ¡ i

(Pxó-Pr)^ =4k6(Vx6-Vr)

- Para valores mtermedios: Px6 = 0,1607 - J4(0,0125) x (1^6 - 0.107)' Tramo r-r "-a' PUNTO r

r" a'

Vx6(Lts) 0.14734 0.14769 0.14804 0.14840 0.14875 0.14910 0.14945 0.14981 0.15016

Px6(MPa) 0.16069 0.16489 0.16663 0.16797 0.16910 0.17009 0.17098 0.17181 0.17258

28

G U I A PARA E L PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz Javier/Profesor del c u r s o de motores.

P r o c e s o d e Admisión ( r - r ' - a ' ) 0.174

I

b

29

GUIA PARA EL PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz Javier/Profesor del curso de motores.

PROCESO TERMODÍNAMICO

•Compres.on •íD'Ciode

aCombuston

-Combustión V s b< •Escape L bre • Escape Forzado • tramo (a-r') "ramo r'-r Adm 5 on E;^pan5'On

2.CO0

c eco

C 5CC

1 OOC

1 500

2 OCC

VOLUMEN (hs) 30

2.500

G U I A PARA E L PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz Javier/Profesor del curso d e motores.

_

XV. BALANCE TERMOENERGETICO DEL MOTOR TURBOALIMENTADO a. Cantidad de calor introducido al motor con el combustible ^ HuGc ^ 48,87(76,177) 3,6 3,6 ' -AmAiA Vil 3 Q = 1034.2077 [kW] ' b. El calor equivalente al trabajo efectivo por cada segundo " \ Qe = Ne Wii Qe = 363 [kW] c. El calor transferido al sistema de refrigeración Qref=CiD^^'"^n"'q

Qref=CiD>^2'"n"'-

; C: , i'

i: * D: m: y ^ íi¡

a Constituye un coeficiente de proporcionalidad que comúnmente varía entre 0,45 y 0,53 Numero de cilindros. ! Jíi*'"'-Diámetro del cilindro en centímetros. • *>* ^ Es un índice exponencial experimental que para los motores de 4 tiempos es m = 0,60 - 0,70 Es la frecuencia rotacional del ciguieñal del motor (rpm) ^ ' '^ Elijo : c = 0,49

Qref=CiD'^2mj^m

1 D = l3Jcm

, a = l,7 '

Qref= 383.6 [kW]

- ^ i ^ '

<¿ Xfl cantidad de calor que se llevan los gases de escape

Qgas =

3600

^^^^ ''

^{M\{mCv)^^jr-M\{mCv)^„^jk]

1. Según tabla 5 : Para tk= 70° C: (mCv)carga = 22.8902 [kJ/kmol] 2. Según tabla 8: Para tr = 473C: (mCv)gases = 22.9948 [kJ/kmol]

31

G U I A PARA E L PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz Javier/Profesor del c u r s o d e motores.

Qgas = ^-—[0,85(22.9948)473-0,85(22.8902)70] . ....,V 3600 aV V4 Qgas = 157.4 [kW] e. La cantidad de calor no considerado en los casos anteriores llamado también calor residual. Qrest = Q comb - (Qe +Q ref+Q gases) .«^>v(mv, > -V^'M:-. Qrest = 1034.2077 - ( 3 6 3 +383.6 +157.4) '^y P.. Qrest = 130.2077 [kW]

BAL.:\NCE T E R . M I C O

MOTOR DIESEL TURBOALIMENTADO Q(k.l./s) qí%) 363 35.07 383.6 37.06

Qe Qref Qgases

157.4 130.2077

Qr Qt introducido al motor

15.21 12.59 100

1034.2077

XVL CONSTRUCCIÓN DE LAS CUR VAS CARACTERÍSTICAS EXTERNAS DE VELOCIDAD: Para los motores diesel el régimen mínimo de velocidad generalmente se asume entre los 350 y los 800 rpm, la frecuencia máxima de rotación del cigüeñal normalmente está limitada por las condiciones de desarrollo cualitativo de las condiciones de trabajo del motor, por los esfuerzos térmicos de las piezas, por la tolerancia de los esfuerzos inerciales y otros. El valor de n min se determina por la estabilidad de trabajo del motor operando a plena carga. Los puntos calculados en la parte termoenergéticos del motor sirven de base para la constnicción de las curvas características extemas de velocidad, los cuales se pueden calcular mediante las siguientes expresiones o modelos matemáticos. f-Xs (w'.)m»-«...>«V> ......r i . La potencia efectiva del motor diesel turboalimentado y con intercooler -

Para motores MEF:

Nex = Ne — [ 1 + ( — ) - ( — ) ] nN

nN

nN

32

GUIA PARA E L PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz Javier/Profesor del curso de motores. -

Para motores

de inyección directa:

nN Para motores

diesel con pre<ámara:

Para motores

diesel con cámara de

nN -

nN

nN

nN

nN

torbellino:

Nex = Ne —[0,70 +1,3(—) - ( — ) ' ] nN

nN

Se elige un motor de inyección directa

^m^^^x

,

„

.V

.,o

Nex = Ne '^[0,87 + l , 1 3 ( ^ ) - ( ^ ) ' ] nN

nN

nN

^

De los catálogos del motor se tiene: Ne=363Kw@nN=2000rpm Con esto se tiene que n^rnax = 1300 rpm . Para el cálculo del torque en el punto de régimen se usa el coeficiente de adaptabilidad por torque del motor que en porcentaje es de 27% con lo que: „

_ ^max ~ ^nom

Mnom = 1727.56 Nm IM„oT„1727.559Nm@ 2000 rpm

* ''i

uiOi

Luego se tiene que la ecuación de la potencia es:

fii 5i

Nex = 0.1815 n;,(0.87 + 1.3 f r ? ^ ) - í r ^ ) ) ^2000/ ^2000/ 2. Torque efectivo del motor , ^ U; r i r,mnf^ w ÍSÍIOÍSSÍOI

«q " "' BDÍÍSÍO. n

Debido a que las ecuaciones de Leiderman (según la ecuación escogida para la potencia según el tipo de motor) no predicen el momento máximo dado en el catálogo entonces se procede a hallar una ecuación para el momento tomando en cuenta que para 2000 rpm se tiene 1727.559 n-m y se asume que para 1100 rpm se tiene Mmax=2194 N-m siendo la pendiente cero en este punto. Mgj, = 1497.217765 -I- 1.26687679TI^ - 5.7585308 x lO"* x n^'^

33

GUIA PARA E L PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz Javier/Profesor del curso d e motores.

= 1727.559

N-m

TlMemox = 1100/?pm i . La presión media efectiva del motor - Pex =

Ne3UT

2 Pex = 1.21506(0.87 + 1.13 f - ? - ^ ) - f — ^ 1 ) ^ V2000/ V2000/ ^ V2000/ '

^2000/

,

-

a-^o^

r = 4 ; iVh =17.925 Lts.

A-i/ 4. La presión media indicada Pix = Pex +Pmx Pmx = 0,105+0,012 (^).S=152mm=0.152m

^ ' '

Pix = 0.105 + 6.08 X 10-5(n) + 1.21506(0.87 + 1.13 ( ^ )

- ( ^ )

2 )

5. Consumo específico efectivo -

gex = geN[l,55 -1,55 { — )+i — f]

-

geN = 229.46 [g/kwh]; nN = 2000 rpm fl„ = 229.466(1.55-1.55

--"'^Jí^''

'^^m

+

6. El consumo horario de combustible - Gcx = gexNex . 10"^ [kg/h] = 0.04165 n (l.55 - 1.55 f - ^ ) + ( - ^ ) ) x (0.87 + 1.13 f - J ^ ) - f - ^ ) ) V V2000/ V2000/ / ^ V2000>' ^2000/ ^ 7. La eficiencia volumétrica , ^, Para el caso de los motores Diesel para la detenninación de la eficiencia volumétrica del motor es necesario conocer la ley de variación de la composición de la mezcla («r) en fimción de lafi-ecuenciarotacional del motor. En este sentido, sabemos que en los motores diesel con el aumento de la fi-ecuencia rotacional a aumenta algo por esta razón para los motores diesel de 4 tiempos y de inyección directa se puede asmnir una variación lineal de a con la siguiente ecuación or min = (0,7-0,8) a N ,^ , r , ¡>^j-„¡ "Asumimos un omin=0.7(a)=1.19 luego asumimos una variación lineal del coeficiente de exceso de aire entre 1000 y 2000 rpm

34

G U I A PARA E L PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz Javier/Profesor del curso d e motores.

a - 1.19 n-2000

1.7-1.19 luego se tiene a = 0.68 + O.OOOSln 2000 - 1000

Una vez que se elige la ley de variación de la composición de la mezcla entonces la eficiencia volumétrica será calculada del siguiente modo: OI

3600/7, i;

lo = 14.452

i-i i

Pfc = 2.176 \

8. El coeficiente de adaptabilidad por torque y porfrecuencia de giro max

KM =

<x> i

ai -i.

í

'••-O

;^ i

l

•

l

0>-

j

••i.:' C-!

j í

;

í

f.f,.-

1

IMAX = ¿í-í^i^ -m Mgjv = 1733

_

N-m

>• ..1 -

Por tanto tenemos:

x> í.

o;'

ir"'

i

KM = 1,266

i i

Según el catálogo del motor la reserve de par es de 27% lo que corresponderia a im K M = 1,27 lo que da un error de 0.3159% respecto a lo calculado. I n ro

2000

íO

'^"'=ñoo K w = 1,8182

; 3

35

t--

I

GUIA PARA EL PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz Javier/Profesor del curso de motores.

«? i»

1000

1100

1200

1400

1600

1800

2000

237.38385

258.7464

2 9 7 . 5 5 11

329.31 36

351.8559

363

2 1 88.24 1 47

2194

2 1 88.24 1 47

21 42.1 7 3 2 2

2050.03673

1911.83199

1 727.559

1.43984937

1.44470962

1.44349456

1.42283849

1,37788 1 17

1,30862259

1.21 5 0 6 2 7 6

1.60564937

1.61 6 5 8 9 6 2

1.621 4 5 4 5 6

1.61 2 9 5 8 4 9

1.5801 61 1 7

1.52306259

1.441 6 6 2 7 6

0.1 1 8 0 7 6 7 1

0.1 1 9 4 3 2 9 4

0.1 2 0 7 3 1 78

0.1 2 3 0 9 1 1 1

0.1 2 5 0 2 2 2 7

0,1 2 6 3 9 2 8 4

0.1 2 7 0 7 0 4

209.85

205.653

200,40675

1 99.3575

202,50525

209.85

59.63 1 2489

65.65 1 1 36

71.252667

21

5.0775

3>

21

5.09625

46,2623637

49.81

50009

53.21

1 9734

76.1

7555

1.19

1,241

1.292

1,394

1,496

1,598

1,7

0.67992878

0.694 1 0933

0.70758607

0.73332634

0,7581 2793

0,781 25721

0.79969277

/^,/?36

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CURVA CARACTERISTICA

DE POTENCIA

EFECTIVA

Potencia en Kw

400 380 360 340 ^320 •»->

ro 5 300 o

— P o t e icia en Kw

280 !

260 240 220 200

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

Revoluciones por minuto.

1700

1800

1900

2000

G U I A PARA E L PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz Javier/Profesor del curso de motores.

CURVA CARACTERÍSTICA DE TORQUE

EFECTIVO

TORQUE

2200 2150 2100 2050 2000

.,™,TOR(

^950

Z

.1 /

n

—

- -

-

1900 1850 1800

X \

1750 1700

2000? 1727. 900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

Revoluciones por minuto.

38

1800

1900

2000

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CURVA CARACTERÍSTICA DE PRESION MEDIA 300

JOOO

INDICADA

Oí)

SOOO

5íOO

I .

Presión m e d i a i n d i c a d a

1.64

1

i

1.62 ID

a

1.6

g

1.58 f

i

!

S 1.56 O

•

i

— - P r e s ón media ndicada

Z 1.54 < Q 1.52 LU

S

H

i

1.5 1.48 1.46 1.44

1.42 900

1000 1100

1200

1300

1400

1500

1600 1700

Rpm

•r? ••••• • -•'

•m

ce 40

1800

1900

2000

2100

G U I A PARA E L PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz Javier/Profesor del curso de motores.

CURVA CARACTERÍSTICA DE PRESION MEDIA DE PÉRDIDAS

MECÁNICAS

ó 00

Presión m e d i a d e pérdidas mecánicas. 0.128

-I

,

,

1

<

1200

1300

1—i-

1

1

1500

1600

,

0.117 900

1000

1100

1400

Rpm

1700

1800

1900

2000

2100

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im

.süü í

INTERNA

CURVA CARACTERÍSTICA CONSUMO ESPECÍFICO EFECTIVO. ..^ ^ ^ ^ _^ i

I

\

'

'

'

•

,;jyc¡ „

OS I

i ,

;

5JC0 !

C o n s u m o específico e f e c t i v o

198 -I 900 í rui

1

1

1

1

1

1

1100

1300

1500

1700

1900

2100

v'í-.-H.iv,

hit •.»•

Rpm

'

42

G U I A PARA E L PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION Dr. I n g . Bacilio Quiroz Javier/Profesor del curso de motores.

3ÜÜ

30ÜO

CURVA CARACTERISTICA

CONSUMO HORARIO DE

INTERNA

COMBUSTIBLE.

'í,n()

^ roo

Consumo horario d e combustible

80

...1.

J3 •43 7 0 (A

3

jQ C o n s u m o h o n rio d e combustible

tu T3 .2

60

ÍS o

4.

JC 0 E 3

c/i 1

55

so 45 900

1100

1300

1500

1700

Rpm

4.3

1900

2100

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íQv)

OOC

CURVA CARACTERISTICA

DEL EXESO DE AIRE

COEFICIENTE DE EXESO DE AIRE 1.8 i

i

•

1.7 •

.„

UJ

1

i

LU O

.....^— ....

)•• .

. . . .... ....

s

f

§ 1.5

i5 Ul

CO EFICIENTE DE EXESO DE AIRE

Q

1.4

!

z i

UJ u

o 1.3 —

-

.J

1.2

1.1 900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

Rpm

44

1800

1900

2000

2100

i

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CURVA CARACTERISTICA

EFICIENCIA

RENDIMIENTO

VOLUMETRICA

INDICADO

0.82 0.8 § < U

0.78 .«^

Q 0.76 Z

P Z

—-„REN )IMIENTO INDICADO

0.74

UJ

1

0.72

5 m oc

0.7

0.68 <

0.66

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

Rpm

1600

1700

1800

1900

2000

2100

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XVILCONSTRUCCIÓN

DE CURVAS CARACTERÍSTICAS DE CARGA DEL MOTOR

Ne Ne utilizada = —

xcarga(% 100 .

Ne = 363 kW

o

M

^

Nm =

^ 30r

o

415(2) Nm = 84.26 hp Ni = Ne + Nm n4n = (Ne/Ni)xl00 O

cr 5 1^ #»•

3

~3"'

2.117(17.92)2000

Nm =

^K^n^nJ,

8

— - — I -

xlOO

Asumo n ce = l nw=0,9;f = 22,2; «2 = 1,269

ne = ni.nm 3600 ge =

Hu ne

1000

; Hu = 48.87MJ/Kg

t

i

h

CURVAS CARACTERÍSTICAS D E L MOTOR E N FUNCIÓN D E L A CARGA: Teniendo en cuenta los parámetros dados como datos de partida y los encontrados a través de las fórmulas que relacionan los diferentes parámetros de interés, se encontraron las siguientes curvas: i ... 4.

—I-

•i

I

i

; S &5

46

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CURVA 01: curvas que relacionan la eficiencia mecánica (nm) e indica (ni) respecto a la relación entre la '• ^ " •' " potencia efectiva y la potencia efectiva nominal (Ne/Nen). . • . : : B -¡Ú fjui'y/'f^ -i-

1 0.1

C\

0.1 JC ó. 0.1

\r. >

0.1 0.1

H-ne (%)

0.08

- » - g e (Kg/hp-h)

0.06

-*

gi (Kg/hp-h)

0.04 0.02 0

o »

0.2

0.4

0.6

0.8

1.2

(Ne/Nen)

CURVA 02: curvas que relacionan la eficiencia efectiva (ne), consumo específico de combustible (ge) y consumo indicado de combustible (gi) respecto a la relación entre la potencia efectiva y la potencia efectiva nominal (Ne/Nen).

47

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C U R V A 03: curvas que relacionan el consumo horario de combustible (Ge) y el coeficiente de exceso de aire (a) respecto a la relación entre la potencia efectiva y la potencia efectiva >_ nominal (Ne/Nen).

C U R V A 04: curvas que relacionan la potencia efectiva (Ne), indicada (Ni) y de las pérdidas mecánicas (Nm) respecto a la relación entre la potencia efectiva y la potencia efectiva nominal (Ne/Nen).

8. CONCLUSIONES •

En cuanto a los resultados sobre las características de velocidad, especialmente sobre el hecho de que el coeficiente de adaptabilidad por torque calculado en el 48

GUIA PARA E L PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz Javier/Profesor del curso de motores.

^

algoritmo resulte 1.269 y que la reserva de par dada en el catálogo sea de 27% (1.27 de reserva de par) da la confianza de que los estos cálculos serán muy próximos a los reales en referencia al comportainiento de: la potencia, torque, consumo de combustible y rendimiento voliunétrico en función de las rpm del motor. •

Como podemos observar tenemos que comprobar los datos asumidos, para ello se utilizó el programa simulink, el cual nos da la facilidad de cambiar parámetros con la finalidad de obtener resultados con un error menor del 5%. ' .

•

Analizando las curvas de eficiencia mecánica e indicada en función de la carga, vemos que la eficiencia mecánica crece a medida que la relación entre las potencias efectivas puntual y nominal crece, lo cual es un resultado correcto ya que si la potencia efectiva se acerca a su valor nominal entonces necesariamente el rendimiento mecánico tiene que aumentar debido a que la potencia de las perdidas mecánicas lo asumimos en función de la velocidad media del pistón, es decir se mantiene constante; vemos que la eficiencia indicada, según la fonnula depende en forma lineal del valor de Ua lo cual se muestra en la curva. rií,.-aii;'j djiüsuf^í^

9. RECOMENDACIONES

"^-''^'^ '^'^^'""^ ''''

n6uml.i--ñ

•in-i-)?; h fio DÉb'.-r,;i,;'í

•

Mientras el turbocompresor ayuda al motor en la compensación de altura y aumento de fuerza y el intercooler aumenta más potencia todavía, ambos requieren mayores cuidados en su mantenimiento. E l único sistema de refiigeración del turbocompresor es el aceite que viene del cárter. Por lo que es necesario contar con un aceite que garantice su desempeño.

•

E l motor turboalimentado, después de operar en carretera, siempre debería enfriarse entre 3 a 5 minutos antes de ser apagado. Cuando se apaga el motor con el cojinete caliente, se corta la circulación del aceite, cocinando el aceite en el cojinete. Si vuelve a encender el motor (con el aceite cocinado sobre el cojinete y el cojinete caliente) éste podrá agriparse. .ÍUÍVJÚ ^-^

•

E l motor turboalimentado normalmente tiene un enfi-iador de aceite como parte del sistema de refrigeración del motor para reducir la temperatura del aceite antes de volver al cárter. Para aprovechar la máxima vida útil del turbocompresor, se requiere un refrigerante de máxima tecnología. Uno que tenga la máxima transferencia de calor y mayor inhibición de depósitos, que evite la cavitación y corrosión.

•

E l motor turboalimentado requiere lubricación instantánea. Es por eso que la bomba de aceite en el cárter tiene dos salidas de aceite. Entonces la viscosidad del aceite es determinante. Si el aceite es muy viscoso, demora en alcanzar el mrbocompresor, causando mayor desgaste. No se recomiendan aceites monogrados en motores equipados con turbocompresor.

49

G U I A PARA E L PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz Javier/Profesor del c u r s o de motores.

El turbocompresor está diseñado de tal modo que suele durar lo mismo que el motor. No precisa de mantenimiento especial; limitándose sus inspecciones a unas comprobaciones periódicas.

Para garantizar que la vida útil del turbocompresor se corresponda con la del motor, deben cumplirse de forma estricta las siguientes instrucciones de mantenimiento del motor que proporciona el fabricante: ^ .4í=ji..

''^'^'í

_ -

Intervalos de cambio de aceite / ÍH;ÍÍÍ;;:U ¡e^itos^a Mantenimiento del sistema de filtro de aceite Hriptioq Control de la presión de aceite M t r - ^ ^ « 5 ^ <)a»i3;>&"í J ^ " = Mantenimiento del sistema de filtro de aire ZQIUi,mi¿t oi ¿r./JÍÉJUÍÍ

E l 90% de todos los fallos que se producen en turbocompresores se debe a las siguientes causas: ^, u i ..^ . -

"

Penetración de cuerpos extraños en la turbina o en el compresor Suciedad en el aceite Suministro de aceite poco adecuado (presión de aceite/sistema de filtro) Altas temperaturas de gases de escape (sistema de arranque/sistema de inyección).

i

Estos fallos se pueden evitar con un mantenimientofi"ecuente.Cuando, por ejemplo, se efectúe el mantenimiento del sistema de filtro de aire se debe tener cuidado de que no se introduzcan fragmentos de material en el turbocompresor. Diagnóstico de fallos Si el motor no ftmciona de forma correcta, no se debe dar por asumido que el fallo viene provocado por el turbocompresor. Suele suceder que se sustituyen turbocompresores que funcionan perfectamente pese a que el fallo no se encuentra en éstos, sino en el motor. ' "

9. R E F E R E N C I A S BIBLIOGRÁFICAS • Jovaj M.S. "Motores de Automóvil" Editorial.MIR.1979.Moscú. •

Satu/fO ípUí^o^ •

'^6"ufcXyOei<^ -

'

-

g/^/^ .í)Orc;OT!u:>

50

GUIA PARA E L PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA ^"9- Bacilio Quiroz Javier/Profesor del c u r s o de motores.

I

1

I

. 1 j_j-<

' - '-^^-"'"^ ,

ANEXOS

GUIA PARA E L PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz Javier/Profesor del c u r s o d e motores.

Figura 25

52

G U I A PARA E L PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz Javier/Profesor del c u r s o de motores.

^¿

2,0

1,8

1,6

ÍA-

U2

r,J/?| I I I I I M I I I I I M I I I I I I I I I I I I I I I M l i l i l í

f,0<x ITTTI

f,25 5

W

Í5

20

25

Figura 30

53

8-

G U I A PARA E L PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz Javier/Profesor del curso de motores.

TABLA 8

Cp«R« NOJb iHM Ten;i(!n«onb npeayuion cropaHN«.(tíim/linfojb-rpaí), naeJbHoro mnm np«« TeimepMvpa /. "C

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 120O 1» 1400 1500 1500 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800

1

22,184 22,545 22,908 23,324 23.750 24,192 24,631 25,069 25,490 25,896 26,278 26,641 26,987 27,311 27,618 27,907 28,175 28,432 28,669 28,895 29,107 29,310 29,503 29,680 29,851 30,011 30,164 30,311 30,451

1,1

1,2

22,061 21,958 22,398 22,275 22.742 22,602 23.142 22,989 23,554 23,390 23,985 23,811 24.413 ^ 24,229 24.840 l4,648~ 25,251 25,050 25,648 25,439 26,021 25,804 26,375 26.151 26,713 26,482 27,0'29 26,792 27,328 27,085 27,610 27,36! 27,873 27,618 28,123 27,863 28,354 28,089 28,575 28.305 28,782 28,608 28,980 28,703 29,169 28,888 29,342 29,057 29,510 29,222 29,566 29,375 29,816 29,523 29,950 29,664 30.097 29,799

1,3

1,4

1,5

1,6

1,8

2,0

2,2

21,870 22.169 22,482 22,858 23.249 23,662 24,073 24,484 24,879 25,261 25,620 2m %,m %,m 26,877 27,¡48 27,400 27,641 27,863 28,076 28,275 28,465 28,648 28,815 28,976 29,127 29,272 29,412 29,546

21,794 22,078 22,379 22,745 23,128 23,533 23,937 24,342 24,731 25,107 25,460 25,795 26,116 26,415 26,698 26,965 27,212 27,449 27,568 27,877 28,073 28,262 28,441 28,a)5 28,754 28,913 29.055 29,194 29,326

21,728 21,999 22,289 22,647 23,022 23,421 23.819 24,218 24,602 24,973 25,321 25,652 25,967 26,262 26,541 26,805 27,049 27,282 27,497 27,704 27,898 28,083 28,250 28,422 28,580 28,726 28,868 29,004 29,135

21,670 21,929 22,210 22,560 22.930 23.322 23.716 24,109 24.488 24,855 25,199 25.525 2:,837 26,128 26,404 26,664 26,905 27,135 27,348 27,552 27,743 27,926 28,101 28,261 28,417 28,562 28,702 28,837 28,966'

21,572 21,812 22,077 22,415 22.774 23,157 23,541 23,927 24,298 24,657 24,993 25,313 25,618 25,903 26,173 26,427 26,663 26,888 27,096 27,296 27,483 27,663 27,834 27,991 28,144 28,286 28,424 28,557 28,684

21,493 21,717 21,970 22,300 22,548 23,023 23,401 23,780 24,144 24,487 24,828 25,142 25,442 25.722 25,986 26,237 26,468 26,690 26,^4 27,090 27,274 27,451 27,619 27,774 27.924 28,064 28,199 28,331 28,456

21,428 21,640 21,882 22,202 22,544 22,914 23,285 23,659 24,018 24,366 24,692 25,001 25,296 25,572 25,833 26,080 26,308 26,526 26,727 26,92! 27,102 27,275 27,442 27,595 27,743 27,881 28,015 28,144 28,269

2,6

21,374 21,574 21,808 22,121 22,457 22,822 23,188 23,557 23,912 24,256 24,578 24,883 25.175 25,447 25,705 25,948 26,173 26,389 26,587 26,781 26,958 27,130 27,294 27,444 27,591 27,728 27,860 27,988 28,111

21,328 21,519 21,745 22,052 22,384 22,743 23,106 23,471 23,822 24,162 24,48! 24,783 25,071 25,341 25,595 25,836 26,059 26,272 26,40 26,658 26.835 27,005 27,168 27.317 27,462 27,598 27,729 27,856 27,978

o .1

Calor especifico molar medio de los productos de la combustión expresado en KJ/Kmol.K í del petróleo diesel cuando alfa=... ;

54

G U I A PARA E L PROYECTO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Dr. I n g . Bacilio Quiroz Javier/Profesor del curso de motores.

TABLAS

CpeflHHfl MojibHa» Ten/iocMKocTb OTfleJibHwx r a s o s npH nocTOflHHOM o<5T>eMe, K¿l3K/(KM0Jibrpafl)

é. 'C

1

0 100 200 300 400 SOÚ

600

700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2500 2600' 2700* 2800*

20,759 20.839 20,985 21.207 21,475 21,781 22,091 22,409 22:714 23,008 23,284 23,548 23.795 24,029 24,251 24.460 24,653 24,837 25.005 25,168 25,327 25.474 25,612 25,746 25,871 25,993 26,120 26,250 26,370

0.

20,960 21,224 21,617 22,086 22.564 23,020 23,447 23,837 24,188 24,511 24.804 25.072 25,319 25,549 25,763 25,968 26,160 26,345 26,520 26,692 26,855 27,015 27,169 27,320 27,471 27,613 27,753 27,890 28.020

20,705 20,734 20,801 20.973 21,186 21.450 21,731 22,028 22.321 22,610 22,882 23,142 23.393 23.627 23,849 24,059 24,25! 24,435 24,603 24,766 24,917 25,063 25,202 25,327 25,449 25,562 25,672 25,780 25,885

H.

CO

CO.

H.0

20.303 20.621 20.759 20,809 20,872 20,935 21,002 21,094 21,203 21,333 21.475 21,630 21.793 21.973 22.153 22,333 22,518 22,698 22,878 23,058 23.234 23,410 23,577 23,744 23,908 24,071 24,234 24,395 24,550

20.809 20,864 20.989 21,203 21,475 21.785 22.112 22,438 22,756 23,062 23,351 23,623 23,878 24.113 24,339 24,544 24.737 24,917 25,089 25,248 25,394 25,537 25,666 25.792 25,909 26,022 26,120 26,212 26,300

27,546 29.799 31,746 33,442 34,936 36.259 37,440 38,499 39.450 40,304 41,079 41,786 42.427 43.009 43,545 44.035 44,487 44,906 45,291 45,647 45,977 46.283 46,568 46,832 47.079 47,305 47,515 47,710 47,890

25,185 25,428 25,804 26,261 26,776 27,316 27,881 28.476 29,079 29.694 30,306 30,913 31,511 32,093 32,663 33.211 33.743 34.262 34,756 35,225 35,682 36,121 36,540 36,942 37.331 37,704 3S,060 38,395 38.705

Calor especifico molar medio de diferentes gases a volmnen constante expresado en KJ/Kmol K Aire

55