DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGIA Y MECANICA
CARRERA DE INGENIERIA MECANICA
LABORATORIO DE TERMODINMICA APLICADA
TEMA
CICLO OTTO
INTEGRANTES:
Carolina Cadena
Franklin Estvez
Gabriel Tapia
Jos Jahuaco
Santiago Chiluiza
FECHA
2013-04-02
ESCUELA POLITCNICA DEL EJRCITOLABORATORIO DE TERMODINAMICA
APLICADA
TEMA: CICLO OTTO.
OBJETIVOS
Objetivo general
Determinar la potencia indicada y la eficiencia de un motor a
gasolina mono cilndrico de cuatro tiempos, a partir de diagramas de
indicador para condiciones particulares de funcionamiento as como
tambin su eficiencia mecnica.
Objetivos especficos
Conocer el funcionamiento de un motor mono cilndrico en el ciclo
Otto.
Obtener los parmetros de flujo msico del combustible, aire en el
motor.
Conocer cmo se realiza un anlisis exergtico y aplicarlo a la
prctica.
MARCO TEORICO
LA PLACA DEORIFICIO
La placa de orificio es el elemento primario para la medicin de
flujo ms sencillo, es una lmina plana circular con un orificio
concntrico, excntrico o segmentado y se fabrica de acero
inoxidable, la placa de orificio tiene una dimensin exterior igual
al espacio interno que existe entre los tornillos de las bridas del
montaje, el espesor del disco depende del tamao de la tubera y la
temperatura de operacin, en la cara de la placa de orificio que se
conecta por la toma de alta presin, se coloca perpendicular a la
tubera y el borde del orificio, se tornea a escuadra con un ngulo
de 900grados, al espesor de la placa se la hace un biselado con un
chafln de un ngulo de 45 grados por el lado de baja presin, el
biselado afilado del orificio es muy importante, es prcticamente la
nica lnea de contacto efectivo entre la placa y el flujo, cualquier
rebaba, distorsin del orificio ocasiona un error del 2 al 10% en la
medicin, adems, se le suelda a la placa de orificio una oreja, para
marcar en ella su identificacin, el lado de entrada, el nmero de
serie, la capacidad, y la distancia a las tomas de presin alta y
baja. En ocasiones a la placa de orificio se le perfora un orificio
adicional en la parte baja de la placa para permitir el paso de
condensados al medir gases, y en la parte alta de la placa para
permitir el paso de gases cuando se miden lquidos.
Imagen No. 1 Placa de orificio, concntrica, excntrica y
segmentada.
Con las placas de orificio se producen las mayores prdidas de
presin en comparacin a los otros elementos primarios para medicin
de flujo ms comunes, con las tomas de presin a distancias de 2 y de
8 dimetros antes y/o despus de la placa se mide la prdida total de
presin sin recuperacin posterior. Se mide la mxima diferencial
posible con recuperacin de presin posterior y, con tomas en las
bridas se mide un diferencial muy cerca de la mxima, tambin con
recuperacin de presin posterior.
La exacta localizacin de tomas de presin antes de la placa de
orificio carece relativamente de importancia, ya que la presin en
esa seccin es bastante constante. En todas las relaciones de
dimetros D/d comerciales. Desde D antes de la placa en adelante
hasta la placa, la presin aumenta gradualmente en una apreciable
magnitud en relaciones d/D arriba de 0.5; debajo de ese valor la
diferencia de presiones es despreciable. Pero s en la toma de alta
presin, la localizacin no es de mayor importancia, si lo es en la
toma de baja presin, ya que existe una regin muy inestable despus
de la vena contracta que debe evitarse; es sta la razn por la que
se recomienda colocarlas para tuberas a distancias menores de2
pulgadasde las tomas de placa. La estabilidad se restaura a 8
dimetros despus de la placa pero en este punto las presiones se
afectan por una rugosidad anormal en la tubera.
Qu es el efecto Venturi?
El efecto Venturi lo cre Giovanni Battista Venturi, era un
efecto que explicaba como el aire caliente sube y el aire caliente
baja.
El aire caliente tiene menos presin que el aire fro. Por eso se
produce el efecto Venturi.
Ejemplo: El efecto Venturi ayuda a los aviones a volar, porque
sus alas tienen una forma que hace que el aire circule a mayor
velocidad en una zona. Y as se produce una diferencia de
presin.
Por qu algunos tipos de manmetros son inclinados?
El ngulo inclinado del manmetro proporciona muchas ventajas. Una
pequea o baja cantidad de presin contra el manmetro inclinado
producir un gran movimiento del lquido relativo a las graduaciones
del tubo. Como resultado, la escala de graduacin puede ser muy
precisa, hasta una centsima de pulgada. Adems, el diseo simple del
manmetro inclinado lo hace una herramienta barata pero precisa para
medir la presin de gas.
Qu significa la constante k3?
La constante k3 nos dice que para que un motor de combustin
interna pueda acabar con los 4 procesos de levas debern tener 6
revoluciones.
Diagrama indicador ciclo Otto
Ciclo real es el que refleja las condiciones efectivas de
funcionamiento de un moto y, cuando se representa en un diagrama
P-V, se denomina diagrama indicador
Imagen No. 2 Diagrama Ciclos Otto tericos e indicador
Las diferencias que surgen entre el ciclo indicador y el ciclo
terico, tanto en los motores de ciclo Otto como en los de ciclo
Diesel estn causadas por:
Prdidas de calor, las cuales son bastante importantes en el
ciclo real, ya que al estar el cilindro refrigerado, para asegurar
el buen funcionamiento del pistn, una cierta parte de calor del
fluido se transmite a las paredes, y las lneas de compresin y
expansin no son adiabticas sino politrpicas, con exponente n,
diferente de .
Tiempo de apertura y cierre de la vlvula de admisin y de escape,
aunque en el ciclo terico se supuso que la apertura y cierre de
vlvulas ocurra instantneamente, al ser fsicamente imposible, esta
accin tiene lugar en un tiempo relativamente largo, por lo que,
para mejorar el llenado y vaciado del cilindro, las vlvulas de
admisin y de escape se abren con anticipacin lo que provoca una
prdida de trabajo til.
Combustin no instantnea, ya que aunque en el ciclo terico se
supone que la combustin se realiza segn una transformacin isocora
instantnea, en el ciclo real la combustin dura un cierto tiempo.
Por ello, si el encendido o la inyeccin tuviese lugar justamente en
el P.M.S (Punto Muerto Superior)., la combustin ocurrira mientras
el pistn se aleja de dicho punto, con la correspondiente prdida de
trabajo.
Para evitarlo se recurre a anticipar el encendido de forma que
la combustin tenga lugar, en su mayor parte, cuando el pistn se
encuentra en la proximidad del PMS, lo que en el ciclo se
representa por un redondeo de la isocora de introduccin del calor,
y por tanto, una prdida de trabajo til. Evidentemente esta prdida
resulta bastante menor que la que se tendra sin adelantar el
encendido.
Prdidas por bombeo, las cuales aunque en el ciclo terico se
supone que tanto la admisin como el escape se realizan a presin
constante, considerando que el fluido activo circula por los
conductos de admisin y escape sin rozamiento, en el ciclo aparece
una prdida de carga debida al rozamiento, que causa una notable
prdida energtica.
Qu son los Motores Reciprocantes?
El motor de cuatro carreras encendido por chispa (ECH).
Imagen No. 3 Esquema de un motor- Admisin
La mayora de los motores de combustin interna, utilizan el
principio del mbolo reciprocante, segn el cual, un mbolo se desliza
dentro de un cilindro hacia atrs y hacia delante y transmite fuerza
a la flecha motriz, por lo general, mediante un simple mecanismo de
biela y manivela.
Imagen No. 4 Esquema de un motor- Compresin
Una carrera de admisin para inducir una mezcla combustible hacia
el interior del cilindro del motor, (vlvula de admisin
abierta).
Una carrera de compresin, para elevar la temperatura de la
mezcla Figura(ambas vlvulas cerradas).
Imagen No. 5 Esquema de un motor- Escape
Al final de la carrera de compresin, ocurre la chispa y el
incendio consecuente de la mezcla homognea, liberando energa que
aumenta la temperatura y la presin de los gases; enseguida
desciende el mbolo en la carrera de expansin o de potencia, (ambas
vlvulas cerradas).
ANLISIS EXERGTICO DE PROCESOS QUE RECHAZAN CALOR
Anlisis exergtico:
Para realizar un anlisis exergtico en un proceso que rechaza
calor primero se debe considerar el proceso como ideal, luego
calcular las entalpas y exergas en cada uno de los gases que
intervienen en el proceso.
En el caso de la exerga se hace referencia al estado muerto del
ambiente en donde se toma en cuenta una temperatura de 20 C y 1 atm
de presin.
Dependiendo el caso se debe tomar en cuenta el desequilibrio
tanto fsico como qumico.
CICLO OTTO
Segn el ciclo modelado de Otto, la energa que se suministra es
igual a la cantidad decalorque aporta el combustible. Lapotenciaque
se registra delmotora un rgimen dado es la potencia til que se
obtiene. La diferencia entre estosvaloreses el calor que se disipa
en el motor hacia elambiente, por los refrigerantes y los que se
llevan losgasesde combustin:
Para el clculo de la potencia til simplemente se multiplica el
par producido por las rpm para el rgimen del motor:
El clculo del calor suministrado se realiza multiplicando el
flujo msico de mezcla que ingresa a la cmara por elpodercalorfico
del combustible.
En este punto debemos hallar el flujo msico de combustible o de
lo contrario se usa la segundaigualdad, donde el calor especfico
para elairese toma de las tablas, la variacin de temperaturas se
halla asumiendo una combustin estequiomtrica completa (TMAX= TLLAMA
ADIABTICA), adems se tiene la presin del PMS de las
especificaciones tcnicas (850 kPa).
El flujo msico del aire para el motor se halla como sigue, para
un ciclo:
Donde:
- La cilindrada obtenida de las especificaciones se divide entre
tres, ya que un giro completo del rotor equivale a tres ciclos
completos.
N: nmero de revoluciones de cigeal (rev/s)
A: nmero de ciclos por giro de cigeal, para este caso se
especifican 2 ya que el motor es de doble rotor.
iii. Anlisis exergtico:
Se determinan las corrientes de exerga mediante las siguientes
frmulas:
Exerga que acompaa a los flujos de calor:
Exerga de la potencia obtenida:
Irreversibilidades:
Este motor presenta un inconveniente, que es la prdida de
potencia por friccin en los segmentos de sellado, sin embargo, sta
es menor que la que se genera al vencer la inercia durante la
transmisin delmovimiento(de lineal a rotatorio) en un motor
alternativo mediante el mecanismo de biela-manivela.
Tambin hay otros factores de diseo que definen elprocesocomo
irreversible. La diferencia de presiones entre la cmara adelantada
y retrasada al momento que avanza el frente de llama puede generar
una combustin deficiente en la segunda cmara, este problema se da
slo a velocidades lentas, y por ende fugas de combustible y prdidas
deeficiencia.
stos son las dos principalesfuentesde prdida de potencia en el
motor, la fraccin de prdida de potencia que generan stas y en
general todas las irreversibilidades existentes se puede calcular
mediante:
I= -T0*
Dnde:
T0:Temperaturadel ambiente
: factor de irreversibilidad (obtenido por la segundaley)
EQUIPO
Imagen No. 6.1 Equipo didctico ubicado en el Laboratorio de
motores.
Imagen No. 6.2 Equipo didctico ubicado en el Laboratorio de
motores.
Motor a gasolina Mono cilndrico de cuatro tiempos de ciclo
Otto
Imagen No. 6.3 Equipo didctico ubicado en el Laboratorio de
motores.
PROCEDIMIENTO
Asegrese de que el dinammetro y su correspondiente torqumetro
estn calibrados en cada banco de pruebas.
Chequear cuidadosamente las conexiones entre el banco de pruebas
y el equipo indicador.
Abrir totalmente la llave que controla el flujo de agua hacia el
banco de pruebas. Asegrese de que existe un flujo continuo de la
misma a travs del transductor.
Encender todos (os sistemas elctricos y electrnicos.' "Arrancar"
el motor y permitir su estabilidad de funcionamiento durante 10
minutos, a una velocidad de 2000 rpm y con aceleracin parcial.
Preparar cuidadosamente el equipo fotogrfico a usarse.
Establecer la velocidad y aceleracin particulares a las cuales
se va a hacer la prueba.
Regular los controles del amplificador, osciloscopio y generador
de funciones, hasta obtener en la pantalla respectiva un diagrama
correcto y ntido.
Proceda a tomar la fotografa correspondiente. Anote las
posiciones de velocidad y diafragma, as como tambin las escalas
elegidas en el osciloscopio.
Cambiar todo el sistema indicador al otro banco de pruebas.
Repetir el proceso.
TABLA DE DATOS
(SimbologaN Velocidad del motor ho Presin interna del tanqueTe
Temperatura de escapet Tiempo en segundos de utilizacin del motorVg
Volumen de gasolina consumido Dimetro de la placa orificio)Tabla de
datos No. 1
ENSAYO
N
Tq
Ho
t
Te
( C)
No
(rpm)
(Nm)
(mmH2O)
(s)
1
300
5
3
47,27
720
2
2600
5
3
47,71
675
3
2200
6
2,5
47,8
650
4
1800
5,5
1,5
48,27
580
5
6
58,7
540
Tabla de datos No.2
Dimetro pistn:
67
(mm)
Carrera pistn:
56
(mm)
k3:
50472103
(N/m^3)
Ap:
0,003848
A(diam. piston):
3525,65
(mm^2)
A(cilin. motor):
0,000197437
(mm^3)
k2:
2
TABLA DE RESULTADOS
Tabla No. 1 Resultados
N
w
potencia al freno
L'
PMEI
potencia indicada
eficiencia mecanica
perdidas
(rpm)
(rad/s)
(Kw)
(m)
(N/m2)
(Kw)
(%)
J
3050
319,40
1437,28
0,044
4414014,83
2215,31
6,489
20713,04
2650
277,51
1859,30
0,044
4414014,83
1924,54
9,661
17386,06
2250
235,62
1555,09
0,044
4414014,83
1634,40
9,517
14785,31
1850
193,73
1239,88
0,043
4516666,33
1374,79
9,019
12508,01
1450
151,84
911,06
0,043
4516666,33
1077,54
8,455
9864,31
Tabla No. 2 Resultados
P aire
masa de aire
Vol comb
n
Rev comb.
Vol/rev
masa comb
A/C
N/m2
kg
m3
Rev
rev
m3/rev
kg
30,324
0,00164486
0,000008
66,2324
33,1162
2,4157E-07
0,00020051
8,204
35,378
0,00164494
0,000008
49,4219
24,7109
3,2374E-07
0,00026871
6,122
20,216
0,00164470
0,000008
38,8534
19,4267
4,118E-07
0,0003418
4,812
15,162
0,00164461
0,000008
19,3494
9,6747
8,269E-07
0,00068632
2,396
EJEMPLO DE CALCULOS
GRAFICOS
Imagen No.7 Diagrama N vs. Pf
Imagen No.8 Diagrama N vs. Pi
Imagen No.9 Diagrama N vs. PMEI
ANALISIS DE RESULTADOS
En la actualidad, las mejores mquinas y motores existentes
poseen eficiencias de 40% y son consideradas como excelentes
motores a lo largo de pases industrializados, en nuestro caso y con
los clculos expuestos las eficiencias dependen del nmero de
revoluciones siendo la ms elevada de 30 % y la menos eficiente de
14% teniendo datos coherentes ya que el motor ha pasado por gran
parte de su vida til y por tanto est desgastado.
En el porcentaje de potencia perdida se puede mencionar toda la
energa que se ha disipado como calor teniendo porcentajes de 70%
hasta 86% dependiendo del nmero de revoluciones.
Las prdidas se deben a procesos incompletos, y desgaste de la
mquina por el tiempo de uso, y al hecho que durante la historia no
se ha podido optimizar un motor con altas eficiencias.
Al comparar los resultados con datos tericos, se puede verificar
que las eficiencias varan en 3, 4 y hasta 10 puntos por ciento ya
que la mquina tiene su tiempo de uso y de igual manera los datos
tomados pueden presentar errores.
CONCLUSIONES:
Los dos motores e encuentra con una eficiencia relativamente
baja por lo que su funcionamientos no el esperado, lo que impide un
anlisis y una comparacin ms afondo de los ciclos termodinmicos.
Como podemos darnos cuenta, la presin media efectiva, es un
indicador muy confiable para determinar el trabajo neto realizado,
pero este solo tiene un bajo margen de error ciclo Otto, como se
pudo observar en las grficas.
Se pudo ver que a medida que las revoluciones son reguladas y
bajan existe un consumo lento de combustible.
Al tener una relacin de compresin baja, el motor a gasolina
(ciclo Otto), tiene una relacin de aire combustible baja, es decir
que el motor necesita mayor cantidad de combustible para realizar
la explosin dentro del motor, por el contrario, una relacin de alta
se traduce como menor cantidad de combustible para la explosin
dentro del motor.
RECOMENDACIONES
No se debe confundir el volumen con las masa de un mismo
elemento, ya que la densidad del mismo es diferente entre
substancia y substancia, podemos ver esto en la relacin de aire
combustible, y las densidades de la gasolina y del diesel.
Para la manipulacin de los equipos, se debe tener en cuenta que
el freno de promedio de circulacin de agua, es muy sensible a los
cambios bruscos de caudal, controle el caudal con suma
precaucin.
BIBLIOGRAFIA
http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/apuntes/Medicion_de_Caudal.pdf
http://proton.ucting.udg.mx/dpto/maestros/mateos/clase/Modulo_05/detectores/orificio/index.html
http://www.slideshare.net/guest53e8ee/efecto-venturi
http://www.taringa.net/posts/apuntes-y-monografias/4788762/Los-motores-de-combustion-interna.html
Potencia Efectiva VS N
y = -3E-07x2 + 0,0024x - 1,8788R = 0,9911
300026002200180014001.88495559215387611.76976386152225021.26710903694788321.03672557568463160.73303828583761788
N[RPM]
Pf(kN)
Potencia Indicada vs N
y = 0,0014x - 1,0449R = 0,9958
300026002200180014002.81598707373176272.16704646283011871.61307942369727430.875219914088666620.5726924993660506
N[RPM]
Pi(kw)
PMEI[kN/m]300026002200180014004750.31557647059444476.25890859728414217.53189452055183458.27372407407573143.0355050000012
N(RPM)
PMEI(KN/m^2