CALCULO DE LA POTENCIA AL FRENO

CALCULO DE LA POTENCIA AL FRENO. La potencia disponible en el eje de una máquina se conoce como la potencia al freno y la designaremos como Ne.

Motor Gasolina : El motor a gasolina utiliza un freno hidráulico y para la determinación de la potencia se usan las siguientes ecuaciones.

Donde : En revoluciones por minuto. Lectura del Dinamómetro en lb-f. R Radio de palanca 0.525 ft.

y

n

y

W 

y

Motor Diesel : El freno utilizado para medir el torque y la potencia es un dinamómetro eléctrico. Este dinamómetro utiliza una báscula para medir la fuerza que está operando sobre su armadura. La línea de acción de la báscula actúa a una distancia de 30 cm del eje del dinamómetro, es decir que éste es el radio del torque. Antes de calcular la potencia al freno se calculará el torque generado según:

Siendo : =Fuerza = Fuerza neta que actúa

F 

Entonces :

Radio del torque en m Peso que se coloca sobre el platil platillo. lo. Se dispone de dos pesas de 10 y 5 Kg. L=Lectura que se hace en la báscula (Kg). F=Fuerza neta que actúa sobre la armadura R=

W=

Debe tenerse en cuenta lo siguiente : Chequear el ajuste correcto de la báscula. En caso necesario mover la aguja a su posición correcta. Al efectuar la lectura en la báscula, la aguja indicadora de la armadura debe estar coincidiendo con la marca horizontal de la armadura. La potencia al freno se calcula como sigue:

Potencia Ne=Trabajo/tiempo Para una revolución el trabajo es : 2(Pi)RF Para n revoluciones por minuto : 2(Pi)RFn Para el caso R=0.3m La potencia desarrollada dentro del cilindro del motor por la expansión de los gases de la combustión se conoce como potencia indicada y la designamos como Ni. Parte de esta potencia es necesaria para vencer la fricción de las partes móviles de la máquina (perdidas mecánicas), mover los elementos y accesorios, cargar el aire fresco dentro del cilindro en la carrera de admisión y expulsar los gases residuales en la carrera de escape (trabajo de bombeo) . Por lo tanto la potencia disponible en el eje En es inferior a la potencia desarrollada dentro del cilindro Ni . Siendo Nf la potencia de fricción. Ni será igual a:

La potencia de fricción Nf es la suma de las pérdidas mecánicas y el trabajo de bombeo. Esta potencia varia según las condiciones de operación del motor y es difícil de estimar experimentalmente con exactitud. Un método aproximado consiste en acoplar el motor a un dinamómetro eléctrico y considerar que Nf es la potencia requerida para impulsar el motor apagado . Dentro de una serie de condiciones específicas (Velocidad , Temperatura de aceite y Agua, Grado de Apertura del Acelerador ,etc.). 5.

RENDIMIENTO MECÁNICO

Considerando Nf y Ne para diferentes velocidades se puede determinar Ni por lo tanto el rendimiento mecánico m que está definido por el factor :

6. PRESIÓN MEDIA EFECTIVA. Puede determinarse dos clases de Presiones Medias: y y

Presión Media Efectiva al Freno Presión Media Indicada

Motor de Gasolina:

Donde y

Pme :Presión media efectiva por cilindro

A : Área del pistón en m^2. L : Carrera del pistón en m. z : Número de cilindros . Ne(total): Potencia del motor. n : RPM. W : Carga en el manómetro en lb-f. K: 1 Para motor de dos tiempos. o 2 Para motor de cuatro tiempos. o y y y y y y y

Motor Diesel:

Donde Pme :Presión media efectiva por cilindro A : Área del pistón en m2 L : Carrera del pistón en m. z : Número de cilindros . Ne(total): Potencia del motor. n : RPM. F :Fuerza neta (Kg) K: 1 Para motor de dos tiempos. o o 2 Para motor de cuatro tiempos. y y y y y y y y

7.

FACTOR DE CONSUMO DE AIRE PARA CORRECCIÓN DE LA POTENCIA.

Para un mismo motor el valor experimental de la potencia, es diferente para diferentes condiciones ambientales locales (del lugar donde se efectúa la prueba), por ello el fabricante indica sus características a las condiciones ambientales "standard" o nominales establecidas por la S.A.E. Society of Automative Engineers y mostradas a continuación: y y

Temperatura del aire seco : 15.6ºC ( 60ºF) Presión atmosférica : 760 mmHg (29.92 pulHg)

Para que la potencia experimental obtenida a condiciones locales, pueda ser proyectada a otras condiciones atmosféricas diferentes, o pueda ser comparada con datos de potencia especificados por el fabricante (bajo condiciones "standard"), se debe efectuar la debida corrección, multiplicando la potencia experimental obtenida en el motor a las condiciones locales, por el coeficiente Cf. A pesar que el uso de este factor Cf no es aceptado por norma, se constituye en una buena aproximación, y por ello que se indica en la siguiente ecuación.

Donde : y y

8.

Pa : Presión barométrica local en mmHg Ta : Temperatura absoluta local del aire seco (ºK)

CONSUMO DE COMBUSTIBLE B,b.

B : Consumo horario de combustible en masa por unidad de tiempo. b : Consumo específico másico horario de combustible en masa por potencia - tiempo. El consumo específico de combustible b es un parámetro de primer orden que muestra la capacidad de la máquina para convertir una cantidad determinada de combustible en trabajo. En las especificaciones nominales del motor, este parámetro es preferido a la eficiencia térmica por estar dado en unidades "estándar". El método aceptado para medir la cantidad de combustible usado por un motor es el de pesar el combustible consumido en un intervalo de tiempo, obteniéndose el consumo medio de combustible durante el periodo de prueba. Por medio de este método se consiguen valores muy aproximados, pero su implementación es bastante compleja; por lo cual se prefiere una práctica más simple pero no aceptada formalmente y que es la que está implementada en el laboratorio, la cual consiste en la medición del volumen de combustible en un intervalo de tiempo determinado y convertir el volumen a masa o peso, utilizando la densidad o el peso específico. Bajo el procedimiento semiautomático, se admite manualmente combustible en un banco de buretas; el nivel baja al fluir el combustible al motor, al encontrarse el nivel con un diodo fotosensible este activa un reloj;

posteriormente al seguir bajando el nivel, llega hasta el punto inferior donde hay otro diodo fotosensible que detiene la marcha del reloj. Esta operación puede realizarse de modo manual utilizando un cronometro y verificando visualmente los pasos del nivel.

Los consumos de combustible vienen dados por las fórmulas:

Donde : y y y

9.

Densidad del combustible en gm/cm3. V Volumen consumido medido en la bureta en cm3 . t Tiempo gastado en consumir el combustible de la bureta en segundos. §

RENDIMIENTO TÉRMICO

A este rendimiento térmico también se le podrá llamar rendimiento indicado. El trabajo máximo de una cantidad determinada de combustible puede obtenerse a partir de la fórmula de CODY STODOLA que corresponde con diferencias despreciables al "Poder Calorífico '' o "Efecto Térmico" que se define como la cantidad de calor que se libera cuando se enfrían los productos de la combustión hasta la temperatura inicial. Solamente puede alcanzarse el aprovechamiento máximo de combustible cuando el proceso de la combustión se realiza de manera reversible. No debe existir proceso irreversible como estrangulación, rozamiento o transmisión de calor a las paredes. Además el Fluido que realiza trabajo debe llevarse desde la presión y temperatura del medio ambiente hasta las condiciones de combustión , en procesos reversibles. En realidad ,en toda máquina de combustión interna existe una pérdida muy grande ligada al proceso de combustión que en la práctica se realiza irreversiblemente. El rendimiento térmico definido termodinámicamente es la relación entre el trabajo desarrollado por el ciclo y el calor suministrado al mismo, es en realidad el que indica el grado de irreversibilidad con que la máquina eléctrica realiza el proceso de combustión . En el mejor de los casos esta eficiencia alcanza el 40% ; de acá , su influencia en el rendimiento total del motor.

n = Trabajo desarrollado en el cilindro / calor suministrado  

Si el trabajo indicado Wi (desarrollado en el cilindro) lo tomamos por unidad de tiempo lo mismo que el calor suministrado y aplicando el factor de conversión de trabajo en calor tendremos:

o o o o

Hi: Poder calorífico del combustible (Kjul/Kg) H: Calor suministrado por el combustible en Kw Ni: Potencia indicada en Kw Ne:Potencia efectiva al freno en Kw

o o

10.

B: Consumo horario de combustible en Kg/h Nf:Potencia de fricción en Kw

PODER CALORIFICO DE COMBUSTIBLES (Hi)

El poder calorífico de un combustible puede darse con bastante exactitud por las siguientes fórmulas: Para combustibles livianos como la gasolina :

En Kw Para combustibles pesados como el fuel oíl:

Para combustibles medios como el petróleo:

Con aproximación puede usarse la siguiente formula que relaciona el poder calorífico inferior y superior :

Donde w es el % de agua. 11.

RENDIMIENTO TOTAL O EFECTIVO.

Se define como la relación entre la energía liberada por la combustión del combustible y la potencia obtenida en el eje; es el parámetro que muestra la capacidad de la máquina para convertir la energía química del combustible en trabajo útil disponible en el eje.

12.

RELACION AIRE- COMBUSTIBLE ( A/C)

Al analizar el rendimiento de un motor de combustión interna es de gran importancia determinar las cantidades relativas de aire y combustible presentes en la mezcla suministrada. Esta relación puede obtenerse con gran precisión mediante el análisis químico de los gases de escape. Sin embargo también puede determinarse efectuando las mediciones por separado del aire y del combustible suministrado al motor en un tiempo determinado.

A/C=ºG/B ºG= consumo real de aire Kg/h B= consumo horario de combustible Kg/h Se ha encontrado experimentalmente que es necesaria una relación definida para obtener la máxima potencia y otra relación diferente para máxima economía. La máxima economía del motor se obtiene cuando la liberación sea máxima. Esta condición se logra cuando el combustible se quema completamente. La siguiente curva representa las características de un motor de encendido por chispa en función de diferentes relaciones aire-combustible.

Las características de un motor Diesel se especifican en la siguiente gráfica.

13.

MEDICIÓN DEL CONSUMO DE AIRE ºG

Para efecto de los cálculos, se considera el aire a la entrada del orificio en condiciones atmosféricas. Para medir la diferencia de la presión a la entrada y salida del orificio se ha conectado un manómetro en U que se llena con alcohol cuya gravedad específica es 0.784. CALCULO Utilizando una de las siguientes fórmulas:

Donde   

§=Pa/R*T

en Kg/m`3. R 287 joul/KgºK T: Temperatura en ºK Pa = Presión atmosférica en Pa = 133.32 * h mg [Pa]

La ecuación 2 para P pequeños. La ecuación 3 para todos los casos. Donde:   

ºV = volumen de aire por unidad de tiempo G = peso de aire por unidad de tiempo = f(m,Re)

Este valor se encuentra de la gráfica (1) según el valor del coeficiente "m" que depende del orificio o boquerel el que se está utilizando. ( hoja 9`).            

Ao = Área del orificio o boquerel en m2 d = Diámetro del orificio utilizado g = Aceleración de la gravedad 9, 81 m/s2 §= Densidad del aire en Kg/m3 P = Presión atmosférica en Pa R= Constante del aire 287 joule/(KgºK) T = Temperatura absoluta de aire (ºK) P1 = Presión antes del orificio o boquerel P2 = Presión a la salida del orificio P1-P2= P lectura del manómetro en mm de alcohol SA = gravedad específica del alcohol 0,784 (a 18ºC) H = diferencia de alturas en el manómetro de alcohol en m.m

Si se quiere determinar el valor E deberá usarse la gráfica U determinando los valores de  deberá usarse la gráfica 2 determinando los valores de m, P y P1. 14.

CALCULO DE PESO TEÓRICO DE AIRE ASPIRADO ºGt

El flujo teórico de aire que el motor puede aspirar se obtiene en unidades de desplazamiento por revoluciones del motor. Peso Teórico del Aire Aspirado

Donde      

15.

D = diámetro del cilindro en metros L = carrera del pistón en metros n = (R.P.M.) Revoluciones del cigüeñal por metro k = 1 motor de dos tiempos k = 2 motor de cuatro tiempos §= Densidad del aire

RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO

Se define como la relación entre el volumen real de la carga de aire fresco tomado durante la carrera de admisión y el volumen teórico del desplazamiento total del pistón.

16.

EQUIPO DE ENSAYOS TECQUIPMENT / LISTER.

REFERENCIA DEL MOTOR. Tipo Potencia efectiva Dirección de rotación Nº de cilindros Sistema de enfriamiento Diámetro del pistón Carrera del pistón Volumen de cilindrada Relación de compresión Diesel Relación de compresión Gasolina Magneto Bujía Cámara de combustión Campo de revoluciones Carburador

E:R.I. Estándar Diesel 9 BHP a 1000 rpm Antihorario mirando sobre el volante Uno de cuatro tiempos Circulación forzada de agua por bomba 95.2 mm (3.75 pul) 114.3mm (4.5 pul) 815 cm^3 (49.74 pul^3) 22 : 1 hasta 9 : 38. Variable 8.87 : 1 hasta 5.97 : 1. Variable Tipo lucas FV 10 W N Chispa variable Lodge C-10. Hogera 0.015 Tipo Ricardo 750 a 1800 r.p.m. Zenith 26 zic. Control de mezcla manual

Temperatura de los gases de escape Lubricación Presión de aceite   Alimentación del combustible Alimentación del aire Arranque Tiempo de inyección Tiempo de chispa

Como Diesel 350ºC Como Gasolina 550ºC Por bomba de engranaje. Aceite S.A.E. 10w. Detergente Entre 20 y 40 lib-f/pul^2 Por gravedad Por compresor con válvula de control graduable Dinamómetro Eléctrico. ( motor - generador) 20º Antes del PMS 10º Antes de PMS

INSTRUCCIONES DE OPERACIÓN PREPARACIÓN y y y y

y y

y y y

Chequear el nivel de aceite del motor Abrir las válvulas de combustible y asegurarse de que este circule por la tubería. Drenar las tuberías de burbujas de aire , especialmente en el caso de MOTOR DIESEL . Abrir las llaves del agua de enfriamiento y chequear su circulación y el sobreflujo que va al drenaje. Asegurarse que la tubería de escape esté abierta. Asegúrece que las válvulas de la presión de aire a los tanque de combustible este abierta y las tapas de los tanques bien ajustadas. Conectar la manguera para enfriamiento del indicador de presiones. La palanca de descompresión del motor debe estar en posición vertical. Los interruptores de la corriente de alimentación debe estar abiertos.

ARRANQUE VERSIÓN DIESEL y

y y

Colocar el volante de la unidad de compresión variable a una regulación de compresión aproximada de 15 a 1 ver la curva de calibración. Ajustar el volante del regulador de combustible (acelerador) a media velocidad. La palanca para el control de combustible OFF hacia la izquierda.

En el panel eléctrico. Chequear el motor de arranque. Verificar que el Switch Mot/Gen está en la posición apagado (OFF). Verificar que el volante del reóstato ( Field/Rehostal ) esta girado completamente, esto en la dirección antihoraria. Asegurarse que el switch de carga este en la posición "FULL SPEED" y que todos los swiches de las resistencias de carga estén en OFF. Conectar el interruptor principal de alimentación de energía eléctrica. Poner el switch overspeed contactor. Poner a funcionar el compresor de aire. Para dar enfriamiento a la unidad de compresión variable. Si el motor se va a sobre alimentar se abre la válvula de control de presión del o tanque de aire ( según la presión ), se simula la altura o se obtienen condiciones y y y

y

y

y

y

y y

y

y y

estándar de prueba. Para arrancar gire el switch (Mot/gen) a la posición "motoring" y gira el volante del reóstato (starting/motoring) "despacio" en dirección horaria hasta que el motor empiece a girar. Incrementar gradualmente la velocidad hasta aproximadamente 500 R.P.M. Mover la palanca del control de la bomba de injección hacia la derecha, (posición Start) y después de unos segundos bajar la palanca de descompresión a la posición horizontal. El motor hará entonces su primera explosión y girará a una velocidad media de 1.000 R :P :M que fue regulada con anterioridad. Entonces mover el switch mot/gen a la posición "generating". Se hace funcionar el motor unos 5 minutos hasta que la temperatura del agua de enfriamiento esté a más o menos 65ºC.(temperatura de salida del agua). Observar que la presión de aceite sea de más o menos 20 lb/pulg2. Proceder a los ensayos . Seguir las instrucciones dadas para efectuar la práctica.

PARADA VERSION DIESEL. y y

y y y y

Reducir la velocidad del motor e ir quitando carga. Cuando la velocidad sea mínima mover la palanca de control de combustible de la bomba de una inyección hacia la izquierda, posición STOP :El motor entonces se parará . Colocar la palanca de descompresión vertical Cerrar la llave de combustible. Bajar los interruptores de la corriente de alimentación . El agua y aire de enfriamiento deben circular por más o menos 10 minutos con el objeto de enfriar el motor y la unidad de compresión variable.

ARRANQUE MOTOR A GASOLINA OTTO. y y y

y y

y y

y

y

y

Seguir las instrucciones de PREPARACION dadas para el arranque con motor DIESEL Poner una relación de comprensión aproximada de 7 :1. Ajustar el regulador de la mezcla de combustible del carburador aproximadamente a 3.0. Ajustar la chispa aproximadamente 10º antes del P.M.S. Seguir los pasos para arranque con DIESEL desde el punto (1) hasta el (6) en el panel eléctrico. Poner el volante del acelerador a una posición media. Abrir el switch de encendido (chispa) a la posición ON. El motor empezará a hacer explosión y se acercará a una velocidad aproximada de 1.200. Después de unos segundos el switch MOT/GEN debe ser colocado en la posición GENERATING. Dejar funcionar el motor cerca de 5 minutos hasta que la temperatura del agua de enfriamiento llegue a 60ºC aproximadamente. Procedimiento a los ensayos.

Aplicar progresivamente la carga por medio de los switchs y seguir las demás instrucciones dadas para realizar la practica chequear durante los ensayos la presión de aceite, que debe estar entre l8 y 40 lb/cm2, temperatura del agua y cualquier otra medida que se presente. PARADA

VERSIÓN MOTOR A GASOLINA OTTO y y y

y y y y

Reducir la velocidad del motor e ir quitando carga Poner el switch de encendido en posición OFF. El motor se apagará en ese momento. Aplicar el botón rojo del overspeed contactor. Si el compresor esta funcionando, apagarlo. Dejar la palanca de descompresión en posición vertical. Cerrar la llave de combustible. Bajar los interruptores de la corriente eléctrica. El agua y aire de enfriamiento deben circular por 10 minutos más con el objeto de enfriar el motor y la unidad de compresión variable.

ADVERTENCIAS En ningún caso intente parar el motor moviendo las palancas de descompresión o cerrando la entrada de combustible. PARADAS DE EMERGENCIA Para el caso de motor Diesel, mover la palanca de control de combustible de la bomba de inyección a la posición STOP ( izquierda ) En caso de motor a gasolina Otto, mover el switch de encendido a la posición OFF. Antes de intentar arrancar la máquina de nuevo, corregir la falla OPERACIÓN EN FUNCIONAMIENTO Seguir las aplicaciones dadas para el ensayo. y y y y

y

Aumentar la carga gradualmente. Chequear de vez en cuando la presión de aceite. Observar que el nivel de aceite no se rebose o riegue sobre la maquina. Tener cuidado que el motor no se valla a quedar sin combustible por tener las llaves cerradas Estar pendiente a cualquier anomalía que se presente.

CALCULO DE FLUJO DE AGUA DE ENFRIAMIENTO. La máquina tiene acondicionado un rotámetro con el fin de medir el caudal de agua circulante. Téngase en cuenta que la lectura del flotador debe promediarse debido a su oscilación vertical. La altura en cm a la cual se eleva el flotador se apunta y luego con ella se va a una gráfica donde se obtiene el caudal de agua en litros/min. CÁLCULO DEL CONSUMO DE AIRE ºG luid Meter New York 1937  Referenciado en Report of ASME Special  . Research Conmittees of  F  Cálculos según British Standar 726/1957 apé ndice a sección 2.

Donde 

=Factor de la boquilla o del boquerel instalado

               

=2.36E-6 m =Relación de áreas (d/D)2 =0.173 (valor constante) E=Coeficiente de velocidad E=1/(1-m2 )=1.016(valor constante) d=diámetro del boquerel d=25mm D=Diámetro del tubo D=60mm C=Coeficiente del boquerel C=0.985 P=Diferencia de presión a la entrada y salida del boquerel en mm de agua P2=Presión a la salida del boquerel en mm de Hg P1=Presión a la entrada del boquerel ;lectura del manómetro T=Temperatura absoluta del aire a la salida del boquerel ºK =Coeficiente de expansión debido al cambio en la densidad por la aceleración del aire en el boquerel

Ejemplo : Ensayo con motor Diesel a 1500 rpm con sobrealimentación. Carga de resistencia constante Variación de la velocidad Presión atmosférica=750 mm de Hg (presión de admisión total) Temperatura ambiente 18ºC=291ºK Datos obtenidos en el ensayo : y y y

P=28 mm de agua P1=204 mm de Hg Ta=291ºK

Cálculo :

ºG=6.477*10-3 Kg/seg ºG=23.317 Kg/hora