Escuela Politcnica NacionalFacultad de Ingeniera Mecnica
Laboratorio de Termodinmica III Gua de prctica de Ciclo
OttoObjetivos de la prctica: - Obtener las curvas caractersticas de
un motor de combustin interna.- Determinacin del consumo especfico
de combustible - Determinacin de la potencia neta del motor de
combustin interna- Determinacin de diferencias entre motores de
cuatro y de dos tiempos. - Manejo y familiarizacin con software de
adquisicin de datos Marco TericoLas mquinas trmicas se disean con
el propsito de convertir energa trmica en trabajo y su desempeo se
expresa en trminos de eficiencia trmica. (Cengel & Boles, 2012)
Un motor de combustin interna es una mquina trmica que convierte la
energa qumica de la mezcla de combustible aire en energa mecnica
despus de un proceso de combustin. En la combustin, la energa
contenida en el combustible es liberada por medio de su encendido y
posterior inflamacin en el motor. Ventajas del motor de combustin
interna: Autonoma de funcionamiento, debido al alto poder calorfico
de los combustibles. Amplia gama de potencias Motor Otto Un motor
de ciclo Otto se diferencia de uno de ciclo Diesel principalmente
en la forma de encendido del combustible en la cmara de combustin;
ya que el primero se enciende por una chispa originada en la buja
mientras que el segundo se enciende por la compresin del pistn y
consecuencia de esto se eleva la temperatura del gas comprimido
(aire). Para el estudio energtico del ciclo ideal de potencia Otto
se eliminan todas las irreversibilidades y complejidades internas.
(Cengel & Boles, 2012) Es importante recalcar que tanto los
diagramas P-v como en los T-s, el rea encerrada por las curvas del
proceso de un ciclo representa el trabajo neto producido durante el
ciclo (Cengel & Boles, 2012) La suposicin de aire estndar
implica que, en los ciclos de potencia de gas, el fluido de trabajo
permanece como gas durante todo el ciclo. Se considera que en el
aire predomina el nitrgeno, el cual difcilmente participa en
reacciones qumicas en la cmara de combustin, todo el tiempo de
trabajo se parece mucho al aire. (Cengel & Boles, 2012) Motor
Otto de 4 tiemposEn estos motores el ciclo de trabajo se completa
en dos vueltas del cigeal o, lo que es lo mismo, en cuatro carreras
del pistn. Para una mejor compresin, a continuacin se muestra en un
grfico la relacin entre un ciclo real y un ciclo ideal para motores
de encendido por chispa (motores Otto) de 4 tiempos. Motor Otto de
2 tiempos Este tipo de motores se caracteriza porque el ciclo se
completa en dos carreras del pistn o, lo que es lo mismo, en una
revolucin, es decir, en 360 grados de giro del cigeal. Los procesos
que tienen lugar son los mismos que en un motor de cuatro tiempos,
aunque con menor duracin angular. (Payri, 2011) Imagen1 Ciclos real
e ideal en motores de encendido por chispa y sus diagramas P-v En
stas mquinas el crter se sella hacia afuera del mbolo se emplea
para presurizar ligeramente la mezcla de aire combustible en el
crter. Adems, las vlvulas de admisin y de escape se sustituyen por
aberturas en la porcin inferior de la pared del cilindro.Durante la
ltima parte de la carrera de potencia, el mbolo descubre primero el
puerto de escape permitiendo que los gases de escape sean
parcialmente expelidos, entonces se abre el puerto de admisin
permitiendo que la mezcla fresca de aire y combustible se precipite
en el interior e impulse la mayor parte de los gases de escape
restantes hacia afuera del cilindro. Esta mezcla es entonces
comprimida cuando el pistn se mueve hacia arriba durante la carrea
de compresin y se enciende subsecuentemente mediante una buja.
(Cengel & Boles, 2012) El combustible utilizado es 95% de
gasolina y 5% de aceite debido a que stos motores no tienen un
crter destinado propiamente para lubricacin, sino que el
combustible mismo se encarga de lubricar las partes del motor. Por
eso su combustin es ms contaminante. Es importante anotar que las
mquinas de dos tiempos son generalmente menos eficientes que los de
cuatro tiempos, debido a la expulsin incompleta de los gases de
escape y la expulsin parcial de la mezcla fresca de aire y
combustible en el escape. Sin embargo, son ms sencillas y Imagen2
Fases de un motor de barrido por crter (Payri, 2011) Imagen3 Ciclo
real Otto para un motor de 2 tiempos econmicas y tienen altas
relaciones de potencia y peso, lo que los hace adecuadas para
aplicaciones pequeas como motocicletas o podadoras. (Cengel &
Boles, 2012) Curvas caractersticas de un motorUna forma habitual de
mostrar las prestaciones, emisiones o parmetros de funcionamiento
de inters de un motor es hacerlo de forma grfica mediante lo que se
conoce como curvas caractersticas. Entre los principales objetivos
de las curvas caractersticas estn: mostrar el intervalo el uso de
un motor en concreto, trminos de rgimen y potencia mxima efectiva,
funcionamiento en un rango de operacin, permitir la comparacin de
motores o evaluar la idoneidad de un motor para una determinada
aplicacin. (Payri, 2011). Los parmetros de inters ms habituales son
la potencia, el torque, consumo combustible, consumo especfico y
emisiones de gases. Las curvas ms importantes son:Velocidad: se
mantiene constante el acelerador y se vara la carga Carga: se vara
la carga y se mantiene constante las revoluciones del motor.
Equipos del Laboratorio de Termodinmica EPN Banco de pruebas de
motores El Laboratorio de Termodinmica de la FIM cuenta con un
banco de pruebas de motor Otto de cuatro y de dos tiempos
(intercambiable) modelo TM3 marca Edibon. Las partes ms importantes
de los equipos se muestran a continuacin: Imagen4 Banco de pruebas
del Motor Otto Imagen5 Partes del Motor Otto de 4 tiempos Imagen6
Partes del Motor Otto de 2 tiempos Mecanismo de Freno Existen
diferentes maneras de someter a carga o par resistente a un motor
de combustin interna.El equipo del laboratorio tiene como elemento
para ejercer el par resistente un motor elctrico asncrono
alimentado con un variador de frecuencia. El eje del motor elctrico
est unido al eje del motor de combustin mediante un matrimonio
mecnico. La variacin de carga es realizada modificando la excitacin
de la dnamo con un restato. Haciendo crecer la reaccin
electromagntica entre el rotor y el estator, efecto que transmite
el par del rotor al estator, aumenta la carga resistente y
viceversa. La corriente producida puede ser disipada en forma de
calor en un banco de resistencias elctricas. El motor elctrico
posibilita mediante software el ajuste del par de frenado y de la
velocidad de frenado. Adems el equipo dispone de: Instrumentacin:
incluyen los sensores de temperatura, presin y caudal en distintos
puntos del equipo. 1)Termocuplas: son de tipo J y se encuentran en:
a)Temperatura de aire de entrada b)Temperatura de gases de escape
c)Temperatura del combustible d)Temperatura del aire de
refrigeracin e)Temperatura del aceite del bloque motor Imagen7
Motor generador elctrico para arranque y frenado del motor Otto
2)Dos caudalmetros de tipo de rea variable para medir el consumo de
combustible 3)Dos sensores de caudal de tipo placa orificio:
a)Caudal de aire de entrada al motor b)Caudal de gases de salida
4)Medida de la velocidad del motor y calculo indirecto del torque
en funcin del voltaje e intensidad del motor generador. Imagen8
Caudalmetros para motor de 2 y 4 tiempos respectivamente Imagen9
Esquema grfico del banco de pruebas y sensores acoplados Instalacin
de arranque: el motor elctrico se encarga en primera instancia de
acelerar el movimiento del motor desde cero hasta la velocidad de
autosustentacin para encenderlo. Una vez encendido, el motor
elctrico se apaga. A continuacin si se quiere cargar el motor de
combustin interna, el motor elctrico se utiliza ahora como
generador y acta de freno segn sea asignada la carga en el
software.El equipo utilizado para este propsito es el motor
asncrono (utilizado para el freno tambin) cuya velocidad mxima es
3000 rpm. (Ver imagen 7) Instalacin de combustible: se compone de
un depsito y un caudalmetro. La bomba y filtro de combustible (que
en este caso es un cedazogeneralmente pertenecen al motor. (Ver
imagen 8) Terminologa importante Consumo especfico de combustible
del motor El consumo de un motor de combustin interna es el caudal
msico de combustible utilizado en el proceso. Entonces, el consumo
especfico es la cantidad decombustible consumida por unidad e
potencia de salida. Rendimiento trmico de un motor de combustin
interna Es la relacin entre la potencia mecnica y la potencia
calorfica del combustible utilizado. Potencia mxima neta Se refiere
al valor mximo de potencia neta medida con el fin de determinar la
potencia bajo unas condiciones atmosfricas de referencia Utilizacin
del software de medicin El banco de pruebas de Motor Otto MC3
Edibon utiliza una interface para la adquisicin de datos y
presentarlos en pantalla. A continuacin se detalla las partesBotn
Start: enciende los actuadores y pone a punto los sensores para su
utilizacin, alimenta el sistema de medicin. Botn Calibrate: permite
calibrar los sensores antes de su medicin. Botn View Data: permite
observar las grficas a tiempo real y tomar datos que a su vez se
guardarn en un archivo externo. Seccin Sensor Plot: indica las
variables que se pueden graficar una en funcin de la otra. Si se
desea obtener dos grficos se pulsa el botn 2 Graphs.Seccin Sensors:
indica las mediciones de temperaturas, presiones y flujos de los
distintos sensores a tiempo real. Se puede observar su
correspondencia con la utilizacin del grfico en el medio para
determinar qu valor de medicin arroja un sensor cualquiera. Seccin
Actuators: -Start Motor: enciende inicialmente el motor elctrico ya
que es utilizado como arranque, a continuacin el motor Otto se
enciende. El elctrico se apagar una vez que el Otto llegue a su
punto de autosustentacin.-Botn Run: permite acelerar o desacelerar
el motor de combustin interna. -Columna AM-1: permite imprimir
carga al motor. Este actuador enciende el generador elctrico que
ser utilizado de freno para simular una carga. Procedimiento de la
prctica (curvas de velocidad) Compruebe el nivel de aceite sea el
suficiente Comprobar disponibilidad de combustible en los tanques
de almacenamiento. Comprobar toma de aire est limpia y sin
obstrucciones Abrir vlvula de salida del depsito de almacenamiento.
Abrir vlvula de aguja del caudalmetro Girar vlvula de apagado del
combustible a posicin ON Presionar START para arrancar el motor.
Encender software y colocar el acelerador en la posicin asignada
por el ayudante de laboratorio. Variar la carga del motor pulsando
el botn RUN. Esperar estabilizacin del motor para tomar datos (se
recomienda 10 minutos). Obtencin de curva presionando SAVE DATA con
frecuencia de muestro establecida por el ayudante. Ir frenando el
motor paulatinamenteSi se desea obtener las curvas en distintos
regmenes de aceleracin, situar el acelerador en otro punto y
repetir los puntos anteriores. Detener el motor utilizando la
vlvula de aceleracin y colocarla al mnimo. Presionar STOP y VIEW
DATA para observar los datos. Bibliografa Cengel, Y. A., &
Boles, M. A. (2012). Termodinmica. Mxico : McGraw-Hill . Payri, F.
(2011). Motores de Combustin Interna Alternativos . Valencia Espaa:
Revert.