Escuela Politécnica Nacional. Bucheli José, Maldonado Santiago, Torres Eduardo, Oñate William
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Análisis Termodinámico de un motor de Combustión Interna Alternativo Bucheli José Luis, Maldonado Santiago, Torres Eduardo, Oñate William
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[email protected] Escuela Politécnica Nacional
Resumen — Se Se realizó las pruebas en el laboratorio CCICE, de un vehículo Chevrolet Sail año 2015, para encontrar la eficiencia térmica, mecánica y el porcentaje de pérdidas de potencia de un MCIA (Motor de Combustión Interna Alternatica) de cuatro tiempos, mediante el Ciclo Otto. Índice de Términos Términos — CCICE, CCICE, MCIA, Otto
En la mayoría de estos sistemas el émbolo ejecuta cuatro tiempos completos (dos ciclos mecánicos) y el desplazamiento del pistón en el cilindro se lo realiza en cuatro etapas que son: admisión, compresión, explosión-expansión y escape completa dos revoluciones por cada ciclo termodinámico. [4] El análisis termodinámico del ciclo real del motor de cuatro se lo representa en la Fig.1. [5]
I. INTRODUCCIÓN Los Motores de Combustión Interna Alternativos (MCIA), son aquellos que transforman la energía química en calor, mediante un proceso de combustión. La energía térmica adquirida se convierte en trabajo mecánico mediante la transmisión a un medio de trabajo en el cual la presión aumenta, y el trabajo se expande. [1]
c hispa Fig. 1 Motor de cuatro tiempos de encendido por chispa
III. ETAPAS DEL ANÁLISIS TERMODINÁMICO
Los MCIA, por el proceso de encendido, se clasifican en motores por: Encendido provocado A. Curvas de torque y potencia del motor (MEP) y Encendido por compresión (MEC). En los En el laboratorio CCICE, mediante la norma SAE J motores MEP, la mezcla de combustible y aire se enciende mediante una bujía, mientras tanto en los 1349, se obtuvieron datos de potencia, torque y motores MEC, el aire se comprime a una presión y velocidad angular, tal como se muestra en la Fig.2. alta temperatura, en el cual la combustión ocurre Estos valores serán utilizados para conseguir la espontáneamente cuando se inyecta al combustible. potencia máxima, máxima, normal normal y torque máximo. máximo. [2]
II. CICLO OTTO Se lo considera el ciclo ideal para las máquinas de encendido por chispa. Poseen un sistema mecánico de biela manivela, lo que transforma transforma el movimiento movimiento lineal del émbolo en movimiento de rotación del árbol. [3] Fig. 2 Curvas de Torque y Potencia
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B. Factor Lamba
Tabla 3 Datos del fabricante y valores obtenidos en el CCICE
La relación de la mezcla aire combustión real e ideal, que se obtuvieron en las pruebas estáticas, según la Norma NTE INEN 2204, de los resultados del analizador de gases a ralentí y RPM alta, son los que se muestran en la Tabla 1. Tabla 1 Valores experimentales del factor Lambda
Ralentí
Promedio
RPM
λ
800 2200 3140 4060 5090 3058
1,003 1,001 1,003 1,005 1,005 1,0034
λ
ALTURA (m) 0 2800
288 269,9
(°K)
CHEVROLET
MODELO SAIL N° Chasis (VIN) /PLACA 8LAUY627XF0269613 Kilometraje 13400 DATOS DEL MOTOR Motor LCU140890234 Cilindrada 1398 cm3 N° de cilindros 4 en línea Diámetro por carrera 79,8 x 81,8 Alimentación MPFI Potencia máxima 102 HP a 6000 rpm Par máximo 131 Nm a 4200 rpm Relación de compresión 0,418 ó 10,2:1 LABORATORIO DE PRUEBA (CCICE)
Valores de potencia
y Presión a nivel del mar y Quito
PRESION mm Bar Hg 760 1,013 539 0,718
MARCA
Temperatura(aire aspirado) 20,32 °C Presion aire 73,75 kpa
Los valores de temperatura de aire aspirado y presión de aire local se encuentra con indica la Tabla 3, así también en la Tabla 2 se puede observar valores de densidad y presión que varían asegún la altura. [3]
TEMP
DATOS GENERALES DEL VEHICULO
Valores del ambiente
C. Temperatura y presión local
Tabla 2 Densidad
2
DENSIDAD (kg/m3) 1,225 0,928
Estos valores son importantes al momento de evaluar las pérdidas de potencia por altura en función de la altura y presión como muestra la ecuación 1.
√
(1)
D. Coordenada P-V del ciclo teórico
Empleando algunas especificaciones técnicas del motor y valores extraídos de la prueba de verificación del vehículo, en modo estándar y sobrealimentado se obtuvieron los datos que se muestra en la Tabla 2. Consiguiendo mediante ecuaciones termodinámicas valores de V, P y T. [6]
Potencia normal Potencia del motor Par Max
71,2 kW en (5800 rpm) 49,5 kW en (5800 rpm) 127,44 Nm a (4295 rpm)
Para encontrar el V1 y V2 se debe considerar que la relación de compresión r que indica la tabla 2.
(2)
Además, el volumen del cilindro es la resta del V1 menos V2, obteniendo dos ecuaciones lineales y con ello el valor de V1 y V2, seguido de esto mediante la ecuación 3 se obtiene el valor la masa del aire y con ello la masa de combustible en la ecuación 4, conociendo antes el valor .
(3) (4)
Conociendo la constante de gas ideal con calor especifico k y la relación de compresión r se encuentra Presión 2 y Volumen 2 tal como muestra las ecuaciones 5 y 6 respectivamente.
(5) (6)
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Para encontrar la cantidad de energía que se añade al motor Q1 se debe tomar en cuenta el poder calórico interno PCI, en nuestro caso 43400J/g, como indica la ecuación 7.
(7)
Con los valores obtenidos de Q1 y T2 y la constante de capacidad volumétrica del aire Cv, se encontraría Temperatura 3 y Presión 3 con las ecuaciones 8 y 9, finalmente se obtendrá la Temperatura 4 con la ecuación 10.
(8) (9) (10)
Tabla 4. Coordenadas P-V Ciclo Teórico
E. Rendimiento térmico El rendimiento térmico, es un valor en un ciclo ideal, donde el ciclo es adiabático; por lo tanto, no tiene relación directa con el consumo de combustible y la cilindrada, dicha cifra se obtiene mediante la ecuación 11.
( )
(11)
F. Potencias en el régimen de giro Los valores obtenidos de la potencia teórica, indicada y efectiva, se realizó a los 5800 rpm y con una temperatura de aspiración del motor en 20,32°C, obteniendo los siguientes pérdidas de potencia y torque, tal como indica la Tabla 5. Tabla 5 Pérdidas de Potencia y Torque
PERDIDAS DE POTENCIA Y TORQUE
Con los datos recopilados de las ecuaciones termodinámicas se consiguen los siguientes valores de Presión, Volumen y Temperatura mismo que fueron obtenidos a una Potencia indicada del fabricante a 76,06 Kw y 6000 rpm, tal como muestra en la Tabla 4 y la Fig.3.
P [ Kpa] V [ ] T [°K]
3
1
2
3
4
73,75 443,48 293,32
1949,34 43,48 760
12596,93 43,48 4911,84
476,58 443,48 1895,48
PÉRDIDA DE POTENCIA POR ALTURA
√
Porcentaje de Perdida de Teórica a 2800 msnm 26%
PORCENTAJE DE PERDIDAS DE POTENCIA
100 % 93,62 % 100 % 69,53 %
Porcentaje de Perdida Potencia 0 msnm 6,38%
de
Porcentaje de Perdida Potencia 2800 msnm 30,46 %
de
PÉRDIDA DE TORQUE
Fig. 3 Coordenadas P-V Ciclo Teórico
Porcentaje de Perdida de Torque a 2800 msnm 2,73%
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IV. CONCLUSIONES En la práctica se verifican los diferentes parámetros para realizar el análisis de un MCIA, y realizar las comparaciones con el procedimiento teórico necesario para realizar los diferentes cálculos de potencia, se realizan las comparaciones con los datos del fabricante y los obtenidos en el laboratorio, y se logran cuantificar las diferencias que existen, debido a factores como: la presión atmosférica, la temperatura y las aproximaciones matemáticas con las que los sensores proporcionaron los datos. Las pérdidas de potencia entre el los datos teóricos e ideales dieron 6,38% en la potencia indicada a nivel del mar. El porcentaje de pérdidas de la potencia efectiva obtenida con los datos del laboratorio es de 30,46%, por la diferencia de altura entre 0 m a nivel del mar y 2800 m que es la altura de Quito. Se determinó el porcentaje de pérdidas de potencia efectiva teórica en 26%, que dependen de la altura y la temperatura, que fueron calculados de acuerdo a la ecuación 1. Se determinó una pérdida de 56 Nm, que corresponden al 2,52%, al comparar los valores proporcionados por el fabricante a 4200 rpm y el teórico a 4295 rpm. Se verificó que los parámetros obtenidos fueron muy cercanos a los datos teóricos; debido, a que el motor del vehículo de pruebas es relativamente nuevo, por lo que no presenta desgaste mecánico que podrían modificar los cálculos realizados.
V. BIBLIOGRAFÍA [1] R. Bosh, Manual de la técnica del automóvil,
Alemania, 2005. [2] H. N. S. Michael J. Moran, Fundamentos de termodinámica técnica, Barcelona : Reverté, 2005. [3] X. V. José Correa, «Implementación de un sistema
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de sobrealimentación, en un motor Volkswagen con sistema de inyección electrónica MPFI,» Universidad Politécnica Salesiana, Cuenca , 2009. [4] J. D. F. Payri, Motores de Combustión Interna Alternativos, Barcelona, Bogotá, Buenos Aires, Caracas, México: Reverté, 2011. [5] M. B. Y. Cengel, Termodinámica, México: Mc Graw Hill, 2011. [6] F. P. Felipe Orellana, «Implementación de un súper cargador de aire en el motor del vehículo Chevrolet Corsa 1.8,» Universidad del Azuay, Cuenca, 2012.
VI. AGRADECIMIENTO Los autores agradecen al CCICE, por permitir realizar las respectivas pruebas para la elaboración de este proyecto.
