Informe de Laboratorio de Maquinas
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Laboratorio 1 Reconocimiento de motores Otto y curvas
caractersticas de motores
ME5301-3 Laboratorio de
mquinas Profesor: Ricardo Daz
Nombre: Vctor Arroyo
Fecha de entrega: 17 de abril de 2015
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1 ndice
2 Introduccin ................................................................................................................................ 3
3 Objetivos ..................................................................................................................................... 4
4 Antecedentes .............................................................................................................................. 5
4.1 Ciclo Otto ............................................................................................................................. 5
4.2 Curvas caractersticas de motores Otto y ecuaciones ............................................... 6
5 Procedimiento experimental ...................................................................................................... 8
5.1 Montaje de equipos ............................................................................................................ 8
5.2 Descripcin de la experiencia .............................................................................................. 8
6 Desarrollo .................................................................................................................................... 9
6.1 Memoria de clculo ............................................................................................................. 9
6.2 Resultados ......................................................................................................................... 10
7 Anlisis de Resultados y Discusiones ........................................................................................ 12
8 Conclusiones.............................................................................................................................. 13
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2 Introduccin
Los motores de hoy en da no son muy distintos a los antiguos, y que todos ocupan la energa
almacenada en los combustibles para realizar un trabajo mecnico como es mover un eje. El uso de
estos motores es muy amplio en el aspecto de la ingeniera usado desde bombas de agua,
ascensores, autos, gras, maquinaria de construccin en general entre otros.
En este informe se detallaran muy ligeramente el funcionamiento del motor Otto con su ciclo
y sus curvas caractersticas las que nos servirn para entender en gran medida el funcionamiento
de los motores de combustin interna.
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3 Objetivos
Esta experiencia tiene como objetivo general conocer los fundamentos de un motor de
combustin interna con sus elementos constitutivos, dispositivos y accesorios de este, adems de
obtener una idea visual de como es el funcionamiento entendiendo los fundamentos que tiene este
ciclo.
Como objetivos especficos se tiene la realizacin de las curvas caractersticas del motor Otto
mediante la toma de datos en el laboratorio. Y adems de determinar los errores ms comunes que
influyen en la toma de datos.
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4 Antecedentes
4.1 Ciclo Otto El ciclo de Leinor modificado de cuatro tiempos, comnmente llamado ciclo Otto se puede
representar en un diagrama P-V con la figura 4.1, Otto fue la primera persona en construir un motor
que trabaje con este ciclo.
Figura 4.1 Diagrama P-V del ciclo Otto
Proceso de 1 a 2: corresponde a la aspiracin del combustible, donde el pistn va desde el
punto muerto PMS al punto muerto inferior PMI, para que esto suceda se debe abrir la vlvula de
admisin y cerrar la de escape, para que mediante el trabajo del pistn al bajar se produzca una
baja de presin entrando el combustible solo por la diferencia de presin.
Las vlvulas antes mencionadas se muestran en la siguiente
figura, donde la vlvula de admisin azul es por donde entra el
combustible, la vlvula de escape roja es por donde sale los gases de
combustin, el pistn indicado en la figura va desde el PMS al PMI,
generando trabajo haciendo girar el cigeal. Este ltimo reparte
energa para mover el sistema de refrigeracin, la apertura y cierre de
vlvulas, el torque en las ruedas, entre otras.
Proceso de 2 a 3: el proceso de compresin del combustible
sucede en esta parte de la figura 4.1, donde se cierran las vlvulas y el
pistn sube desde PMI a PMS, teniendo que entregar trabajo para que
esto ocurra, esta expansin como lo muestra la figura 4.1 se considera
adiabtica.
Figura 4.2 Dispositivo bsico del motor Otto
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Proceso de 3 a 4: al medio de ambas vlvulas mostradas en la figura 4.2 se encuentran las
bujas, estas son las encargadas de provocar la combustin, encendiendo una chispa en la mezcla
manteniendo ambas vlvulas cerradas, la combustin se considera instantnea a volumen
constante y con un aumento de presin en el sistema.
Proceso de 4 a 5: el aumento de presin provoca que el pistn baje al PMI, esta es la nica
seccin que genera trabajo, esto se genera con ambas vlvulas aun cerradas, este trabajo se supone
adiabtico.
Proceso de 5 a 2: cuando el pistn llega al PMI se abre la vlvula de escape, donde se produce
una baja en la presin, por lo que los gases de la combustin se liberan subiendo consigo el pistn
al PMS dado que este proceso se genera por la diferencia de presin existente, no requiere trabajo.
Y el sistema comienza de nuevo.
4.2 Curvas caractersticas de motores Otto y ecuaciones
Estas curvas entregan los valores de potencia, torque y consumo especfico para las
velocidades de giro del eje del motor. Se dar una breve explicacin de cada curva generada.
Adems de mostrar las ecuaciones con las cuales se realizaran los clculos.
Figura 4.3 Curvas caractersticas del motor Otto
Curva de potencia: En los motores de combustin interna como lo son los motores Otto, la
potencia depende de la velocidad, si aumenta la velocidad del eje aumenta la potencia, consigo
tambin aumenta el consumo, pero cuando la velocidad de giro es muy alta la combustin ya no es
del todo perfecta y la potencia comienza a bajar. Curva azul
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Ecuacin 4.1 Formula para la potencia
=2
60 75 T N
Donde
P: Potencia [CV]
N: Velocidad [RPM]
Curva de torque: El torque depende de la geometra del motor y por la presin media de los
gases, como ambas no cambian en demasa con la velocidad del motor, este no debera presentar
grandes cambios, aun as presenta una mximo a velocidades intermedias. Curva roja
Ecuacin 4.2 Formula de torque del freno
= L
Donde
T: Torque [Kgfm]
F: Fuerza del freno [Kgf]
L: largo del brazo [m]
Curva de consumo especfico: Esta es la cantidad necesaria de combustible para producir
una unidad de potencia en una unidad de tiempo, esta curva a velocidades medias presenta un
mnimo. Curva verde.
Ecuacin 4.3 consumo especfico el motor
= V
P
Donde
C: Consumo especifico [gr/CVhr]
t: Tiempo en consumir 50 cc
V: Volumen consumido (50 cc)
: Densidad del combustible [gr/cc]
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5 Procedimiento experimental
5.1 Montaje de equipos El montaje se puede explicar mucho mejor con la figura 5.1 donde se indican las partes ms
relevantes usadas de la instalacin, donde el motor usado fue un Suzuki 1000 conectado a un freno
Froude y este a un dinammetro, por lo que el freno ejerce distintas fuerzas y esas sern mostradas
en el dinammetro, pudiendo as calcular el torque. Adems contiene una probeta milimetrada
donde se saca el combustible para hacer funcionar el motor, con este y un cronometro se podr
medir el consumo especifico. Con ambos datos se podr encontrar la potencia del motor. Adems
se usa un tacmetro para medir la velocidad de giro del eje.
Figura 5.1 Instalacin de la experiencia para la toma de datos
5.2 Descripcin de la experiencia Se enciende el motor y se acelera al mximo, luego se fija una velocidad RPM mediante el freno, se
registra la fuerza provocada por este, la velocidad de giro, se toma el tiempo de consumo de 50 cc,
y con estas medidas ya se pueden calcular los datos necesarios para las curvas caractersticas, pero
este paso se debe hacer con 7 velocidades distintas de giro espaciadas a 500 RPM es decir desde
4000 RPM hasta 1000 RPM.
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6 Desarrollo
A continuacin se muestran los datos obtenidos y sus clculos para luego mostrar los resultados
generados en este laboratorio.
6.1 Memoria de clculo La siguiente tabla contiene los datos obtenidos directamente del laboratorio. Donde RPM es
la velocidad a la que gira el motor en revoluciones por minuto, la fuerza es la provocada por el freno
y el tiempo es el que se demora en consumir 50 cc de gasolina.
Tabla 6.1 Resultados obtenidos directamente del laboratorio
RPM Fuerza [kgf]
tiempo [s]
1000 13,55 74,81
1500 14,65 47,76
2000 15,15 35,37
2500 15,55 30,38
3000 15,65 25,5
3500 15 22,68
4000 14,3 20,38
Luego con las ecuaciones antes descritas se puede llenar la siguiente tabla. Los parmetros
de la tabla 6.2 sern usados para obtener las curvas caractersticas del motor Otto. Cabe destacar
que se usaron los valores de la tabla 6.2 para calcular los datos obtenidos en la tabla 6.3
Tabla 6.2 Datos usados en para las ecuaciones
Largo [m]
Densidad [gr/cc]
Volumen [cc]
0,358 0,75 50
Tabla 6.3 Resultados numricos obtenidos mediante formulas
RPM Torque [kgfm]
Potencia [CV]
Consumo especifico [gr/CVhr]
1000 4,85 6,77 266,55
1500 5,24 10,97 257,67
2000 5,42 15,14 252,1
2500 5,57 19,44 228,59
3000 5,6 23,46 225,67
3500 5,37 26,24 226,84
4000 5,12 28,6 231,61
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6.2 Resultados Las siguientes imgenes muestran los resultados grficos de los datos obtenidos para hacer
un anlisis de manera ms cmoda. Las tres primeras figuras muestran las curvas caractersticas por
separado, ya que tienen distintos orden de magnitud. Y en la ltima figura se muestran las tres
juntas pero algunas escaladas para que puedan caber las tres.
Figura 6.1 Grfico de torque versus velocidad
Figura 6.2 Grfico de potencia versus velocidad
4,8
5
5,2
5,4
5,6
5,8
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Torq
ue
[kgf
m ]
Velocidad [RPM]
Torque del motor segun su velocidad
0
5
10
15
20
25
30
35
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Po
ten
cia
[CV
]
Velocidad [RPM]
Potencia del motor segun su velocidad
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Figura 6.3 Grfico de consumo especfico versus velocidad
Figura 6.4 Grfico de las curvas caractersticas versus velocidad
220
230
240
250
260
270
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Co
nsu
mo
esp
ecif
ico
[gr
/CV
hr]
Velocidad [RPM]
Consumo especifico V/S velocidad
0
1
2
3
4
5
6
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Velocidad [RPM]
Curvas caractersticas
Consumo especifico [gr/100CVhr] Torque [kgfm ] Potencia [CV/10]
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7 Anlisis de Resultados y Discusiones
Se puede notar en la figura 6.1 que el torque que ejerce el eje sobre el freno tiene un mximo
y est alrededor de las 3000 RPM, el consumo especifico muestra un mnimo en esa misma
revolucin lo que quiere decir que es una velocidad muy ptima para el motor, pese a eso se
muestra que la potencia aumenta sin importar la cantidad de revoluciones.
El torque generalmente muestra un mximo a velocidades media como se muestra en la figura
4.3 y adems el consumo especifico tiende a tener un mnimo, en este caso ambas situaciones
suceden a velocidades muy cercanas, por no decir la misma, pero la potencia debera mostrar un
mximo, que no lo muestra en el figura 6.2, sin embargo este mximo es lgico que est a mayor
revolucin que las dos anteriores, debido a que no sucede a velocidades medias sino que a altas, ya
que se ve afectado el tiempo que tiene el combustible en detonar, provocando que no se consuma
todo el combustible, por lo tanto no aprovechando toda su energa.
Se puede ver adems que la en la partida del motor o cuando se est trabajando a bajas
revoluciones, se tienen bajos niveles de torque y potencia, pero lo ms notable es la cantidad de
consumo del motor que son muy superiores en comparacin con las otras revoluciones, luego
desciende de manera drstica al aumentar las revoluciones.
En estos clculos no fueron consideradas las prdidas, ya que calculamos la potencia y el torque
del motor a partir de los datos obtenidos pese a eso no fueron necesarias para una buena
aproximacin debido a que se calcularon estas magnitudes con las revoluciones y la fuerza del freno.
La nica medicin que incluye las perdidas es el consumo especifico ya que el motor est generando
la potencia calculada y adems est generando ruido, calor, u otras perdidas no consideradas.
Puede que el deterioro del freno, por la antigedad de la maquina ya no est generando la
fuerza indicada por el dinammetro, por lo que cuando se muestra una cierta fuerza puede que esta
sea mayor, provocando un mayor torque en el eje y por lo tanto un mal clculo de este.
Por otro lado no se consideraron las fugas de combustibles no notorias visualmente, pero que
pueden existir, estas provocaran un consumo de combustible aunque este el motor parado,
entonces el consumo especifico calculado anteriormente debera ser menor a lo esperado.
La velocidad de giro nunca fueron los nmeros usados, pero s se acercaban mucho, entonces
se decidi ocupar los valores aproximados considerando que estos cambios no afectan en gran
magnitud el torque y la potencia calculada.
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8 Conclusiones
Se termina conociendo en gran medida el funcionamiento del motor Otto conociendo que debe
transformar la energa de la explosin del combustible para generar energa mecnica, lo que
provoca grandes prdidas de calor.
Las partes del motor de combustin interna son muy variadas, ya solo el hecho de mostrar solo
las partes que estn alrededor del pistn, se complica mucho el asunto de explicar cmo funcionan,
aun as cabe destacar que muchas partes del motor no fueron explicada y ni siquiera mencionada
por el solo hecho de simplificacin del problema.
Se puede apreciar que las curvas caractersticas entre la terica figura 4.3 y experimental figura
6.4 no varan de gran manera por lo que la toma de datos de este proceso es muy exacto y los
errores asociados se deben a la antigedad de las mquinas y no por las prdidas normales de la
combustin.
Los errores ms influyentes en esta experiencia fueron los asociados al freno y la precisin de
la toma de datos, el primero es por el desgaste del resorte del dinammetro que a temperaturas
altas se van descalibrando y adems el brazo de freno en la zona va cambiando y no as regulndose
con el dinammetro.
Otro error asociado es la precisin de la toma de datos ya que las revoluciones se deban tomar
con un tacmetro que tena una variacin de su velocidad de giro constantemente por lo que se
tiene que tomar un valor cercano, en este caso nmeros cerrados para facilitar la explicacin.
La forma humana de tomar diferencias de tiempo son muy precarias, por lo que se necesitan
sensores que midan la diferencia de tiempo que se necesita, ya que en nuestro caso se midieron 50
cc de cada de volumen en una probeta calibrada, pero con la simple precisin del ojo y reaccin
humana.
En general los datos estn acordes con la teora y no es necesario mayor cantidad de datos para
un anlisis de estos, sin embargo; si se quiere una mayor precisin de trabajo se recomienda tomar
medidas cada 200 RPM en lugares de velocidad baja, cada 100 en velocidades medias y altas, por
que como ya vimos estas son las velocidades de inters para la potencia, torque y consumo
especifico, que eran las tres mediciones de las curvas caractersticas.