Estudio de los Procesos de Admisión y Formación de la Mezcla

INDICE

Pág.

I. OBJETIVOS .................................................................................................. 2

II. FUNDAMENTO TEÓRICO ......................................................................... 2

II.1. Proceso de admisión ................................................................................ 2

II.2. Factores que influyen en el proceso de admisión .................................... 2

II.3. Coeficiente de llenado ............................................................................. 3

II.4. Coeficiente de exceso de aire .................................................................. 4

III. EQUIPO E INSTRUMENTOS .................................................................... 4

IV. MEDICIONES A REALIZAR ..................................................................... 5

V. DATOS OBTENIDOS EN LOS ENSAYOS ................................................. 5

VI. CÁLCULOS Y RESULTADOS .................................................................... 6

a. Densidad del aire ......................................................................................... 6

b. Consumo horario de aire ............................................................................. 6

c. Cantidad de aire teórico que podría llenar el cilindro: ................................. 7

d. Consumo de combustible ........................................................................... 7

e. Coeficiente de llenado ................................................................................. 7

f. Coeficiente de exceso de aire ....................................................................... 7

g. Tabla de resultados ..................................................................................... 8

h. Gráficas ....................................................................................................... 9

VII. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES .................................................... 13

VIII. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................ 14

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Estudio de los Procesos de Admisión y Formación de la Mezcla

ESTUDIO DE LOS PROCESOS DE ADMISIÓN Y DE FORMACIÓN DE LA MEZCLA EN LOS MOTORES ECH

I. OBJETIVOS

Determinar el coeficiente de llenado (v) y el coeficiente de exceso de aire (α) de un motor de encendido por chispa, para diferentes cambios de velocidad a una posición de la mariposa constante y viceversa.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO

II.1. Proceso de admisión

Para realizar el ciclo de trabajo de un motor de combustión interna es preciso expulsar del cilindro los gases residuales e ingresar en éste la carga fresca del aire o mezcla aire-combustible. Los procesos de admisión y de escape están vinculados entre sí y en función del número de tiempos del motor, así como también del procedimiento de admisión. La cantidad suministrada de carga fresca depende de la calidad con que se limpia el cilindro del motor. Es por eso que el proceso de admisión se analiza tomando en cuenta el desarrollo del proceso de escape, estudiando todo el proceso de intercambio gaseoso.

II.2. Factores que influyen en el proceso de admisión

a. Perdidas de presión en el sistema de Admisión: ΔPa = P0 - Pa

Pa : Presión al final del proceso de admisión

Se busca que la ΔPa sea lo mínimo posible para un mejor llenado de carga fresca en el cilindro.

La existencia de resistencias en el sistema de admisión conduce a que la cantidad de carga fresca que entra al cilindro del motor disminuya, debido al decrecimiento de la densidad de la carga.

Otro factor que influye es el área de paso de la válvula de admisión (AVA), el cual si esta aumenta entonces hay un mejor llenado. Caso contrario ocurre con las RPM, el cual si aumenta el ΔPa también aumenta.

b. Presencia de gases residuales

Son los gases productos de la combustión que no pudieron ser desalojados en el proceso de escape. La cantidad de gases residuales Mr (en Kmol/ciclo), depende del procedimiento empleado para limpiar el cilindro.

Aquí interviene el coeficiente de gases residuales:

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Estudio de los Procesos de Admisión y Formación de la Mezcla

(M1 es la mezcla fresco que ingresa al motor por ciclo)

Es conveniente que Mr disminuya para que el γr disminuya.

c. Calentamiento de la mezcla fresca: ΔT

La carga fresca durante su movimiento por el sistema de admisión y dentro del cilindro entra en contacto con las paredes calientes, elevándose su temperatura en ΔT. El grado de calentamiento de la carga depende de la velocidad de su movimiento, de la duración de la admisión, así como de la diferencia de temperaturas entre las paredes y la carga.

Al aumentar la temperatura de la carga su densidad disminuye, por eso el calentamiento especial del sistema de admisión en el motor de carburador es conveniente hasta cierto limite correspondiente al calor necesario para la vaporización del combustible

El aumento de ΔT se debe a la temperatura de las paredes calientes del sistema de admisión así como su tiempo de contacto. También influye la presencia de los gases residuales calientes.

II.3. Coeficiente de llenado: (v)

El grado de perfección del proceso de admisión se acostumbra evaluar por el coeficiente de llenado o eficiencia volumétrica v, que es la razón entre la cantidad de carga fresca que se encuentra en el cilindro al inicio de la compresión real, es decir, al instante en que se cierra la válvula de admisión, y aquella cantidad de carga fresca que podría llenar el cilindro (volumen de trabajo) en las condiciones de admisión (condiciones ambientales en los motores de aspiración natural).

Los cálculos muestran que para los motores con formación externa de mezcla, que funcionan con gasolina, la diferencia entre los coeficientes de llenado, calculados considerando la condición de que la carga fresca puede ser el aire o la mezcla aire combustible, es insignificante. Por eso en los motores de carburador (al igual que en los motores Diesel), se va a determinar v por la cantidad de aire admitida al cilindro (despreciando la cantidad de combustible) según la definición:

Gar : Cantidad másica real de aire que se encuentra en el cilindro al inicio de la compresión.

Vh : Volumen de trabajo.

ρ0 : Densidad del aire atmosférico

II.4. Coeficiente de exceso de aire

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Estudio de los Procesos de Admisión y Formación de la Mezcla

Es la relación entre la cantidad real de aire para quemar un kilo de combustible y la cantidad de aire necesaria teóricamente para quemar la misma cantidad de combustible (cantidad estequiométrica).

Donde:

Gar : Cantidad másica real de aire que se encuentra en el cilindro al inicio de la compresión.

Gc : Cantidad de combustible que se quema

l0 : Relación estequiométrica de aire-combustible

La cantidad de aire que participa en el proceso de combustión puede ser mayor o menor que la cantidad teóricamente necesaria para la combustión completa del combustible, por lo que se dan los siguientes casos:

Mezcla rica: (insuficiencia de oxígeno)Debido a la insuficiencia de oxígeno, el combustible no se quema totalmente, como consecuencia de lo cual, durante la combustión, el desprendimiento de calor es incompleto y en los gases de escape aparecen los productos de la combustión incompleta (CO, H y otros)

Mezcla pobre: (exceso de oxígeno)Hay más aire de lo que teóricamente se necesita para la combustión completa del combustible. En los motores Diesel siempre se utilizan mezclas pobres. En motores con encendido por chispa se utilizan mezclas pobres y ricas.

Para motor ECH : α (0.6 – 1.15)

Para motor Diesel : α (6 – 1.4) > 1

III. EQUIPO E INSTRUMENTOS

Banco de pruebas con motor ECH (Daihatsu tipCB-20).

Dispositivo para medir el consumo de combustible por el método volumétrico.

Dispositivo para medir el caudal de aire.

Tacómetro

Cronómetro.

Termómetros.

V. DATOS OBTENIDOS EN LOS ENSAYOS

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Estudio de los Procesos de Admisión y Formación de la Mezcla

1/16 de pinta es igual a 35.52 cm3.

La densidad del combustible es 0.715 kg/L.

La cilindrada total del motor es 993 cm3.

Diametro de la tobera es 2 cm.

Brazo del dinamometro es 0.33 m.

φ n ΔH ΔV Δt F% rpm cm pinta s kgf20 1900 7.0 1/16 35.84 13.820 2100 7.2 1/16 39.01 13.120 2300 7.6 1/16 30.55 12.320 2500 8.4 1/16 32.54 11.840 1900 11.4 1/16 27.68 20.040 2100 13.8 1/16 27.99 19.140 2300 15.4 1/16 25.06 18.240 2500 17.6 1/16 22.09 17.760 1900 13.0 1/16 23.23 21.360 2100 15.8 1/16 22.52 20.860 2300 18.0 1/16 19.55 21.060 2500 20.6 1/16 17.82 20.6

VI. CÁLCULOS Y RESULTADOS

a. Densidad del aire: (ρ0)

[kg/m3]

Donde:

P0  : Presión barométrica

T0  : Temperatura atmosférica

Condiciones ambientales del laboratorio:

P0 = 751.4mm-Hg y T0 = 20.7°C

Reemplazando: →

b. Consumo real de aire: (Gar)

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Estudio de los Procesos de Admisión y Formación de la Mezcla

[kg/h]

Donde:

Cd : Coeficiente de descarga de la tobera (0.98).

A : Área de la sección de la tobera (en m2).

g : Aceleración de la gravedad (9.81 m/s2)

agua : Densidad del agua (1000 kg/m3)

0 : Densidad del aire (1.188 kg/m3)

S : Caída de presión en el manómetro inclinado (en m-H2O.)

c. Cantidad de aire teórico que podría llenar el cilindro: (Gat)

Para 4 tiempos: [kg/h]

Donde:

Vh · i : Cilindrada total (0.993 L)

0 : Densidad del aire atmosférico (1.188 kg/m3)

n : Velocidad de rotación del cigüeñal (RPM)

d. Consumo de combustible: (Gc)

[kg/hora]

Donde:

ρc : Densidad del combustible (0.715 kg/L)

ΔV : Volumen de combustible consumido en cada ensayo (35.52 cm3)

Δt : Intervalo de tiempo en el que se consumió el ΔV (en seg.)

e. Coeficiente de llenado: (ηv)

Donde:

Gar : Consumo horario de aire (kg/h)

Gat : Cantidad de aire teórico que podría llenar el cilindro (kg/h)

f. Coeficiente de exceso de aire: (α)

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Estudio de los Procesos de Admisión y Formación de la Mezcla

Donde:

Gar : Consumo horario de aire (kg/h)

Gc : Consumo de combustible (kg/h)

l0 : Relación estequiométrica de aire-combustible Diesel (≈14.45kgaire / kgcomb)

g. Tabla de resultados

Manteniendo φ constante y variando n:φ n ΔH ΔV Δt F Gat Gar Gc nv α Me Ne% rpm cm pinta s kgf kg/h kg/h kg/h N.m kW

20 1900 7.0 1/1635.8

413.8

67.27

37.65

2.55 0.56 1.02 44.67 8.89

20 2100 7.2 1/1639.0

113.1

74.35

38.19

2.34 0.51 1.13 42.41 9.33

20 2300 7.6 1/1630.5

512.3

81.43

39.23

2.99 0.48 0.91 39.82 9.59

20 2500 8.4 1/1632.5

411.8

88.51

41.25

2.81 0.47 1.02 38.20 10.00

40 1900 11.4 1/1627.6

820.0

67.27

48.05

3.30 0.71 1.01 64.75 12.88

40 2100 13.8 1/1627.9

919.1

74.35

52.87

3.27 0.71 1.12 61.83 13.60

40 2300 15.4 1/1625.0

618.2

81.43

55.85

3.65 0.69 1.06 58.92 14.19

40 2500 17.6 1/1622.0

917.7

88.51

59.71

4.14 0.67 1.00 57.30 15.00

60 1900 13.0 1/1623.2

321.3

67.27

51.31

3.94 0.76 0.90 68.95 13.72

60 2100 15.8 1/1622.5

220.8

74.35

56.57

4.06 0.76 0.96 67.34 14.81

60 2300 18.0 1/1619.5

521.0

81.43

60.38

4.68 0.74 0.89 67.98 16.37

60 2500 20.6 1/1617.8

220.6

88.51

64.59

5.13 0.73 0.87 66.69 17.46

Manteniendo n constante y variando φ:n φ ΔH DV Dt F Gat Gar Gc nv α Me Ne

rpm % cmpinta

s kgf kg/h kg/h kg/h N.m kW

1900 20 7 1/1635.8

413.8

67.27

37.65

2.55 0.56 1.02 44.67 8.89

1900 40 11.4 1/1627.6

820

67.27

48.05

3.30 0.71 1.01 64.75 12.88

1900 60 13 1/1623.2

321.3

67.27

51.31

3.94 0.76 0.90 68.95 13.72

2100 20 7.2 1/16 39.0 13.1 74.3 38.1 2.34 0.51 1.13 42.41 9.33

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1 5 9

2100 40 13.8 1/1627.9

919.1

74.35

52.87

3.27 0.71 1.12 61.83 13.60

2100 60 15.8 1/1622.5

220.8

74.35

56.57

4.06 0.76 0.96 67.34 14.81

2300 20 7.6 1/1630.5

512.3

81.43

39.23

2.99 0.48 0.91 39.82 9.59

2300 40 15.4 1/1625.0

618.2

81.43

55.85

3.65 0.69 1.06 58.92 14.19

2300 60 18 1/1619.5

521

81.43

60.38

4.68 0.74 0.89 67.98 16.37

2500 20 8.4 1/1632.5

411.8

88.51

41.25

2.81 0.47 1.02 38.20 10.00

2500 40 17.6 1/1622.0

917.7

88.51

59.71

4.14 0.67 1.00 57.30 15.00

2500 60 20.6 1/1617.8

220.6

88.51

64.59

5.13 0.73 0.87 66.69 17.46

h. Gráficas

- Variando φ y manteniendo n constante.

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

1.10

1.20

1800 2000 2200 2400 2600

nv, α

RPM

|φ|=20%

nv

alfa

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0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

1.10

1.20

1800 2000 2200 2400 2600

nv, α

RPM

|φ|=40%

nv

alfa

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

1.10

1.20

1800 2000 2200 2400 2600

nv, α

RPM

|φ|=60%

nv

alfa

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0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

1.10

1.20

1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500

nv, α

RPM

Superposicion

nv a φ=20%

nv a φ=40%

nv a φ=60%

alfa a φ=20%

alfa a φ=40%

alfa a φ=60%

89

101112131415161718

1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600

Ne

(kW

)

RPM

Ne vs n

φ=20%

φ=40%

φ=60%

- Variando n y manteniendo φ constante.

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0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

15 25 35 45 55 65

nv

|φ|

nv vs |φ|

1900 RPM

2100 RPM

2300 RPM

2500 RPM

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

8 10 12 14 16 18

nv

Ne (kW)

nv vs Ne

1900 RPM

2100 RPM

2300 RPM

2500 RPM

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VIII. BIBLIOGRAFÍA

‘‘Experimentación y cálculo de motores de combustión interna’’ - Luis

Lastra, Guillermo Lira, Andrés Valderrama, Elizabet Vera, Fidel

Amesquita.

‘‘Motores de combustión interna’’ – Obert E.

“Motores de automóvil” - Jóvaj, M. S., Edit. Mir, Moscú

http://www.geocities.com/sadocar2/index.html

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