Lab Ciclo Otto.docx

LABORATORIO DE MOTORES

Joan Felipe Amante Puentes 2120141021 Marcos Alexis Amaya Rey 2120131078 Rodrigo Adolfo Fajardo Gallo 2120142038

Universidad de Ibagué Facultad de Ingeniería Ibagué 2017

Contenido 1.

RESUMEN .................................................................................................................................... 3

2.

INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 4

3.

OBJETIVOS ................................................................................................................................... 5

4.

MARCO TEORICO ......................................................................................................................... 6

4.1 Ciclo Otto ....................................................................................................................................... 6 4.2 Etapas del ciclo Otto...................................................................................................................... 6 4.3 Eficiencia en función del calor....................................................................................................... 7 4.3.1 Intercambio de calor .................................................................................................................. 8 4.3.2 Trabajo realizado ........................................................................................................................ 8 4.3.3 Rendimiento .............................................................................................................................. 9 4.4 Eficiencia en función de las temperaturas .................................................................................... 9 4.5 Eficiencia en función de la razón de compresión ........................................................................ 10 4.6 Temperatura máxima .................................................................................................................. 11 4.7 Presión máxima ........................................................................................................................... 11 4.8 Trabajo neto ................................................................................................................................ 11 5.

Equipos e instrumentos de medición........................................................................................ 12

5.1 Instrumentos de medición .......................................................................................................... 12 5.1.1 Flexómetro ............................................................................................................................... 12 5.1.2 Pie de rey .................................................................................................................................. 12 5.1.3 Cronometro .............................................................................................................................. 13 5.1.4 Termocuplas tipo K................................................................................................................... 13 5.2 Equipos ........................................................................................................................................ 13 5.2.1 Balanza digital .......................................................................................................................... 13 5.2.2 Termo anemómetro ................................................................................................................. 14 5.2.3 Indicador de temperatura digital 5 zonas ................................................................................ 15

1. RESUMEN El presente documento se realizó con el fin de utilizar las metodologías del ciclo Otto para determinar la eficiencia real del ciclo y del motor de inyección electrónica de la marca Chevrolet Aveo 1.6 ubicado en el taller de motores de la Universidad de Ibagué. Para llevar a cabo el laboratorio fue necesario la utilización de una báscula digital marca fénix, también se utilizaron instrumentos como el termo anemómetro PCE-009, el termómetro infrarrojo digital, flexómetro, calibrador pie de rey, cronometro, tres termocuplas tipo K y un indicador de temperaturas digital 5 zonas; con los cuales se realizaron la medición de todos los datos correspondientes. En principio fue necesario inspeccionar el estado del motor y de todos sus componentes a los cuales se les realizaría la prueba, Seguido a esto se retiró el depósito de gasolina del alojamiento donde está ubicado; para ser puesto sobre la báscula digital y así tomar el peso inicial del depósito; a continuación se dio encendido al motor con el fin de darle puesta a punto y así inspeccionar la veracidad de los datos brindados por la ECU y el indicador de temperaturas digital. Una vez realizado esto; se dio a la tarea de verificar la posición del acelerador del motor en ralentí, habiendo cumplido con los requisitos anteriores y cerciorándose que el motor alcanzará la temperatura de trabajo, se realizó la toma de datos con los instrumentos ya nombrados. Para ello se tomaron como referencia 10 minutos de prueba en donde cada minuto se realizaba la toma de los datos en puntos clave del motor, los datos tomados fueron: las temperaturas registradas por el indicador de temperaturas digital 5 zonas, las temperaturas registradas por los relojes que se encuentran a la entrada y salida de radiador respectivamente, el peso del depósito de gasolina, las velocidades del viento en la entrada de aire; donde se encuentra conectado el filtro de aire y las velocidades del viento registradas en tres puntos distintos del radiador cada vez que el motor ponía en marcha el ventilador. Es importante aclarar que se realizaron 3 repeticiones a tres distintas revoluciones pero realizando el mismo procedimiento de toma de datos para cada una de ellas, también es importante consignar que se realizó la medición del diámetro de la entrada de succión de aire y de las dimensiones del radiador con el calibrador pie de rey y el flexómetro respectivamente ya que son datos claves para hallar el flujo másico de aire

2. INTRODUCCIÓN El presente laboratorio realizado al motor de inyección electrónica de la marca Chevrolet Aveo de 1.6 litros quiere llevar al lector a la aplicación práctica de los conceptos adquiridos acerca de los ciclos de combustión, para este caso específico la aplicación del ciclo Otto, y con ello comparar las diferencias que se pueden encontrar entre la teoría y la puesta en práctica; para así aterrizar de una mejor manera los conceptos que se tienen con anterioridad, y lograr que el lector tenga una interacción con instrumentos que le faciliten obtener datos importantes cuando no se tienen cerca los datos ofrecidos por el manual. También busca afianzar el manejo de instrumentos de medida que son claves para relacionar la información obtenida con la teoría enseñada, ya que; como bien sabemos el ciclo Otto es un ciclo ideal y por ende al evaluar factores como la eficiencia del ciclo sus valores van a estar muy por encima de los datos que verdaderamente obtenemos en el motor. Los datos obtenidos en la práctica fueron tomados a diferentes revoluciones con el propósito de que el lector analice y compare las distintas variables y los cambios que presentan gracias a las distintas posiciones de la mariposa del acelerador, y además de esto que sea capaz de determinar la relación aire/combustible del motor haciendo uso de los datos obtenidos con los respectivos instrumentos de medida. También se busca que el lector se encuentre preparado para determinar el flujo másico del combustible y que tenga los conceptos necesarios para hallar las perdidas en el radiador producidas por el aire y el agua.

3. OBJETIVOS Objetivo General 

Utilizar la metodología del ciclo de Otto para determinar la eficiencia del motor

Objetivos Específicos     

Establecer y ubicar los parámetros de medida del motor Analizar os resultados de eficiencia a diferentes posiciones de la mariposa del acelerador Hallar las perdidas en el radiador producto del agua y el aire Determinar la relación aire/combustible del motor a diferentes posiciones de la mariposa del acelerador Determinar el flujo másico del combustible

4. MARCO TEORICO 4.1 Ciclo Otto Un ciclo Otto ideal modela el comportamiento de un motor de explosión. Este ciclo está formado por seis pasos, según se indica en la figura. Pruebe que el rendimiento de este ciclo viene dado por la expresión

Siendo r = VA / VB la razón de compresión igual al cociente entre el volumen al inicio del ciclo de compresión y al final de él. Para ello, halle el rendimiento a partir del calor que entra en el sistema y el que sale de él; exprese el resultado en términos de las temperaturas en los vértices del ciclo y, con ayuda de la ley de Poisson, relacione este resultado con los volúmenes VA y VB.

4.2 Etapas del ciclo Otto Las fases de operación de este motor son las siguientes: Admisión (1) El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de mezcla (aire + combustible) en la cámara. Esto se modela como una expansión a presión constante (ya que

al estar la válvula abierta la presión es igual a la exterior). En el diagrama PV aparece como la línea recta E→A.

Compresión (2) El pistón sube comprimiendo la mezcla. Dada la velocidad del proceso se supone que la mezcla no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiabático. Se modela como la curva adiabática reversible A→B, aunque en realidad no lo es por la presencia de factores irreversibles como la fricción. Combustión Con el pistón en su punto más alto, salta la chispa de la bujía. El calor generado en la combustión calienta bruscamente el aire, que incrementa su temperatura a volumen prácticamente constante (ya que al pistón no le ha dado tiempo a bajar). Esto se representa por una isométrico B→C. Este paso es claramente irreversible, pero para el caso de un proceso isométrico en un gas ideal el balance es el mismo que en uno reversible. Expansión (3) La alta temperatura del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él. De nuevo, por ser un proceso muy rápido se aproxima por una curva adiabática reversible C→D. Escape (4) Se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una temperatura mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en la siguiente admisión. El sistema es realmente abierto, pues intercambia masa con el exterior. No obstante, dado que la cantidad de aire que sale y la que entra es la misma podemos, para el balance energético, suponer que es el mismo aire, que se ha enfriado. Este enfriamiento ocurre en dos fases. Cuando el pistón está en su punto más bajo, el volumen permanece aproximadamente constante y tenemos la isometría D→A. Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, empleamos la isobara A→E, cerrando el ciclo. En total, el ciclo se compone de dos subidas y dos bajadas del pistón, razón por la que se le llama motor de cuatro tiempos. En un motor real de explosión varios cilindros actúan simultáneamente, de forma que la expansión de alguno de ellos realiza el trabajo de compresión de otros.

4.3 Eficiencia en función del calor Al analizar el ciclo Otto ideal, podemos despreciar en el balance los procesos de admisión y de escape a presión constante A→E y E→A, ya que al ser idénticos y reversibles, en

sentido opuesto, todo el calor y el trabajo que se intercambien en uno de ellos, se cancela con un término opuesto en el otro.

4.3.1 Intercambio de calor De los cuatro procesos que forman el ciclo cerrado, no se intercambia calor en los procesos adiabáticos A→B y C→D, por definición. Sí se intercambia en los dos procesos isométricos. 

En la ignición de la mezcla B→C, una cierta cantidad de calor Qc (procedente de la energía interna del combustible) se transfiere al aire. Dado que el proceso sucede a volumen constante, el calor coincide con el aumento de la energía interna

El subíndice "c" viene de que este calor se intercambia con un supuesto foco caliente. 

En la expulsión de los gases D→A el aire sale a una temperatura mayor que a la entrada, liberando posteriormente un calor | Qf |al ambiente. En el modelo de sistema cerrado, en el que nos imaginamos que es el mismo aire el que se comprime una y otra vez en el motor, modelamos esto como que el calor | Qf | es liberado en el proceso D→A, por enfriamiento. El valor absoluto viene de que, siendo un calor que sale del sistema al ambiente, su signo es negativo. Su valor, análogamente al caso anterior, es

El subíndice "f" viene de que este calor se cede a un foco frío, que es el ambiente.

4.3.2 Trabajo realizado De forma opuesta a lo que ocurre con el calor, no se realiza trabajo sobre el sistema en los dos procesos isométricos. Sí se realiza en los dos adiabáticos. 

En la compresión de la mezcla A→B, se realiza un trabajo positivo sobre el gas. Al ser un proceso adiabático, todo este trabajo se invierte en incrementar la energía interna, elevando su temperatura:



En la expansión C→D es el aire el que realiza trabajo sobre el pistón. De nuevo este trabajo útil equivale a la variación de la energía interna

Este trabajo es negativo, por ser el sistema el que lo realiza. 

El trabajo útil realizado por el motor será el trabajo neto entregado, igual a lo que produce (en valor absoluto) menos lo que emplea en funcionar

Por tratarse de un proceso cíclico, la variación de la energía interna es nula al finalizar el ciclo. Esto implica que el calor neto introducido en el sistema debe ser igual al trabajo neto realizado por este, en valor absoluto.

Como se comprueba sustituyendo las relaciones anteriores.

4.3.3 Rendimiento El rendimiento (o eficiencia) de una máquina térmica se define, en general como “lo que sacamos dividido por lo que nos cuesta”. En este caso, lo que sacamos es el trabajo neto útil, | W | . Lo que nos cuesta es el calor Qc, que introducimos en la combustión.

Sustituyendo el trabajo como diferencia de calores

Esta es la expresión general del rendimiento de una máquina térmica.

4.4 Eficiencia en función de las temperaturas Sustituyendo las expresiones del calor que entra en el sistema, | Qc |, y el que sale de él, | Qf | , obtenemos la expresión del rendimiento

Vemos que el rendimiento no depende de la cantidad de aire que haya en la cámara, ya que n se cancela. Podemos simplificar estas expresiones observando que B→C y D→A son procesos isométricos, por lo que

y que A→B y C→D son adiabáticos, por lo que cumplen la ley de Poisson (suponiéndolos reversibles)

Con γ = 1.4 la relación entre las capacidades caloríficas a presión constante y a volumen constante. Sustituyendo la igualdad de volúmenes

y dividiendo la segunda por la primera, obtenemos la igualdad de proporciones

Restando la unidad a cada miembro

Intercambiando el denominador del primer miembro, con el numerador del último llegamos a

Y obtenemos finalmente el rendimiento

Esto es, la eficiencia depende solamente de la temperatura al inicio y al final del proceso de compresión, y no de la temperatura tras la combustión, o de la cantidad de calor que introduce ésta. Puesto que TB < TC, siendo TC la temperatura máxima que alcanza el aire, vemos ya que este ciclo va a tener un rendimiento menor que un ciclo de Carnot que opere entre esas las temperaturas TA y TC.

4.5 Eficiencia en función de la razón de compresión Aplicando de nuevo la relación de Poisson

Podemos expresar el rendimiento como

Con r = VA / VB la razón de compresión entre el volumen inicial y el final.

La eficiencia teórica de un ciclo Otto depende, por tanto, exclusivamente de la razón de compresión. Para un valor típico de 8 esta eficiencia es del 56.5%.

4.6 Temperatura máxima El aire contenido en el motor se calienta en dos fases: durante la compresión y como consecuencia de la ignición. En la compresión, obtenemos la temperatura final aplicando la ley de Poisson

4.7 Presión máxima La presión también se incrementa en dos fases, pero para hallar la presión máxima no necesitamos calcular los incrementos por separado. Nos basta con hallar la presión en el punto C y esto lo podemos hacer aplicando la ley de los gases ideales

El volumen en C es el mismo que en B y este lo sacamos del volumen A mediante la razón de compresión

4.8 Trabajo neto El trabajo neto (por unidad de masa) lo podemos obtener conocidos el calor que entra y el rendimiento del ciclo

5. Equipos e instrumentos de medición 5.1 Instrumentos de medición 5.1.1 Flexómetro Este instrumento de medición es el más comúnmente usado en la gran mayoría de los procesos de manufactura y es mucho más conocido como simplemente metro. Básicamente es una cinta de acero templado enrollado dentro de una caja con un dispositivo que permite que está siempre regrese dentro de la caja una vez efectuada la lectura de la medida. La cinta está grabada con los dos sistemas internacionalmente vigentes, el sistema métrico decimal y el sistema imperial de unidades. Tiene una precisión de hasta 0.5 de mm, o de 1/32” para el sistema imperial de unidades (ingles), estos instrumentos regularmente tienen dos presentaciones, una que tiene una longitud de 3 metros y otra con una longitud de cinta de 5 metros

5.1.2 Pie de rey Es un instrumento para medir dimensiones de objetos relativamente pequeños, desde centímetros hasta fracciones de milímetros (1/10de milímetro, 1/20 de milímetro, 1/50 de milímetro). En la escala de las pulgadas tiene divisiones equivalentes a1/16 de pulgada, y, en su nonio, de 1/128 de pulgadas. Consta de una "regla" con una escuadra en un extremo, sobre la cual se desliza otra destinada a indicar la medida en una escala. Permite apreciar longitudes de 1/10, 1/20 y 1/50 de milímetro utilizando el nonio. Mediante piezas especiales en la parte superior y en su extremo, permite medir dimensiones internas y profundidades. Posee dos escalas: la inferior milimétrica y la superior en pulgadas.

5.1.3 Cronometro Un cronómetro es un reloj de precisión que se emplea para medir fracciones de tiempo muy pequeñas. A diferencia de los relojes convencionales que se utilizan para medir los minutos y las horas que rigen el tiempo cotidiano, los cronómetros suelen usarse en competencias deportivas y en la industria para tener un registro de fracciones temporales más breves, como milésimas de segundo.

5.1.4 Termocuplas tipo K 5.2 Equipos 5.2.1 Balanza digital Las balanzas digitales son instrumentos de pesaje de funcionamiento no automático que utilizan la acción de la gravedad para determinación de la masa. Se compone de un único receptor de carga (plato) donde se deposita el objeto para medir. Una célula de carga de carga

mide la masa a partir de la fuerza (peso) ejercida por el cuerpo sobre el receptor de carga. El resultado de esa medición (indicación) aparecerá reflejado en un dispositivo indicador. La balanza digital suele ser un equipo de laboratorio y resultan equipos imprescindibles en operaciones químicas, analíticas y de formulación en industrias y en laboratorios de calidad.

5.2.2 Termo anemómetro El pirómetro es el instrumento adecuado, si usted desea de llevar a cabo una medición con gran precisión y sin contacto de la temperatura. Gracias a las buenas propiedades ópticas, el pirómetro es una herramienta fiable para la medición precisa de la temperatura El pirómetro está indicado especialmente para aplicaciones en las que no se pueden utilizar los sensores convencionales. Así por ejemplo, en el caso de objetos en movimiento o lugares que requiere una medición sin contacto debido a posibles contaminaciones u otras influencias negativas.

5.2.3 Indicador de temperatura digital 5 zonas El indicador de temperatura es un instrumento de instalación que puede procesar la señal de sensores de temperatura e indicarlos en pantalla. Así, el indicador de temperatura permite una valoración sencilla y económica de sensores de resistencia, como por ejemplo, los Pt100, o también termoelementos de diferentes tipos. Los sensores se pueden conectar directamente al indicador de temperatura, lo que evita tener que instalar un transductor. Algunos modelos de indicador de temperatura sólo permiten la valoración de determinados sensores. Al indicador PCE-N20T solamente puede conectar sensores Pt100.