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DESARROLLO DE UN SISTEMA PARA LA MEDICIÓN DE CONSUMO DE COMBUSTIBLE EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
DAVID GREGORIO ORTEGA PRADA
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA
BOGOTÁ D.C.
2009
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DESARROLLO DE UN SISTEMA PARA LA MEDICIÓN DE CONSUMO DE COMBUSTIBLE
EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
Trabajo de grado presentado como Requisito para optar al título de Ingeniero Mecánico
DAVID GREGORIO ORTEGA PRADA
Asesor:
MSc. Rafael G. Beltrán Pulido Ing. Mecánico
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA
BOGOTÁ D.C.
2009
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AGRADECIMIENTOS
A Dios por permitirme crecer en la familia que él dispuso para mí. Por darme la oportunidad de estudiar en esta gran universidad. Y por hacerme guardar la ilusión de luchar por un futuro mejor para mi país.
A mis padres, hermanas y familiares por estar siempre ahí apoyándome, por su esfuerzo y dedicación para hacer de mi la persona que soy.
A mi asesor, profesor Rafael G. Beltrán por brindarme su conocimiento y experiencia para el desarrollo de este proyecto, y enseñarme la humildad y la sencillez para hacer las cosas.
Al profesor Álvaro Pinilla por enseñarme a que cada trabajo en ingeniería requiere de valor, esfuerzo y sacrificio para llevarlos a cabo.
Al técnico encargado del laboratorio de conversión de energía Hugo Sierra por brindarme su amistad, conocimiento y apoyo incondicional durante estos seis meses de trabajo en el laboratorio.
A los técnicos de laboratorio Ramiro Beltrán, Jorge Reyes, Juan Carlos García, Omar Rodríguez y Juan David Hernández por brindarme su colaboración y amistad para la realización de este proyecto.
Y por último, a todas las personas que de una u otra forma me dieron su mano, conocimiento y enseñanzas para la vida durante estos últimos cinco años.
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TABLA DE CONTENIDO
Pág.
INTRODUCCION………………………………………………………………………………………………………………10
OBJETIVOS………………………………………………………………………………………………………………………12
1. CAPITULO I – CONCEPTOS GENERALES DE LOS MOTORES DE COMBUSTION………13 1.1 Los Motores de Combustión Interna…………………………………………………..………..13 1.2 Ciclo de Otto - Motor 4 Tiempos gasolina ……………………………………………….…..14 1.3 El Proceso de Combustión…………………………………………………………………………....16 1.4 Combustibles líquidos en Colombia para Motores de Combustión Interna…..17
1.4.1 Gasolina Corriente…………………………………………………………………….17 1.4.2 Gasolina Extra…………………………………………………………………………..18 1.4.3 Diesel Corriente………………………………………………………………………..18 1.4.4 Diesel Extra……………………………………………………………………………...18 1.4.5 JET 1A……………………………………………………………………………………...19 1.4.6 Gasolina de Aviación grado 100………………………………………….…...19
1.5 Clasificación de los Motores de 4 Tiempos…………………………………………………..20 1.6 Relaciones generales de los motores de combustión de 4 tiempos…….………..21 1.7 Componentes de los Motores de 4 Tiempos…………………………………………………25
2. CAPITULO II – SISTEMAS DE MEDICION DE FLUJO PARA COMBUSTIBLES…………….28
2.1 Instrumentos de medición para el consumo de combustibles……………………...28 2.1.1 Flujometros Acumulativos…………………………………………………………...28 2.1.1.1 Medidores Volumétricos………………………………………….28 2.1.1.2 Medidores Gravimétricos………………………………………..29 2.1.2 Medidores de Tasa de Consumo………………………………………………….32 2.1.2.1 Flujometros de Desplazamiento Positivo………………….32 2.1.2.2 Flujometros de tipo Turbina (turbimetros)………………..35
3. CAPITULO III – ADECUACION Y PUESTA A PUNTO DEL BANCO DE PRUEBAS………..37
3.1 Sistema de Extracción de Gases para el uso de los motores de Laboratorio…37 3.2 Adecuación del Motor………………………………………………………………………………….41
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4. CAPITULO IV – DISPOSITIVO DE MEDICION…………………………………………………………44 4.1 Trabajo Previo de Medición de Consumo de combustible……………………………44 4.2 Sistema de Medición Escogido…………………………………………………………………….47 4.2.1 Calibración del vaso de vidrio………………………………………………………………..48 4.2.2 Selección, Montaje y Calibración de los Sensores…………………………………..50 4.2.2.1 Los Sensores Capacitivos……………………………………….50 4.2.2.2 Calibración Previa de los Sensores…………………………54 4.2.2.3 Montaje de los Sensores………………………………………..55 4.2.2.4 Calibración en el Montaje final………………………..…….55 4.2.3 Programa para la adquisición de datos……………………………………………………57 4.2.4 Montaje final y Prueba de funcionamiento……………………………………………..59
5. CAPITULO V – PRUEBAS DE CONSUMO...................................................................62
6. CAPUTILO VI – RESULTADOS……………………………………………………………………………….63 6.1 Prueba N°1 - Velocidad de giro de 650 rpm………………………………………………...63 6.2 Prueba N°2 - Velocidad de giro de 900 rpm…………………………………………………64 6.3 Prueba N°3 - Velocidad de giro de 1200 rpm……………………………………………….64 6.4 Prueba N°4 - Velocidad de giro de 1500 rpm……………………………………………….65 6.5 Prueba N°5 - Velocidad de giro de 1700 rpm……………………………………………….66 6.6 Prueba N°6 - Velocidad de giro de 2000 rpm……………………………………………….66 6.7 Prueba N°7 - Velocidad de giro de 2300 rpm……………………………………………….67 6.8 Prueba N°8 - Velocidad de giro de 2500 rpm……………………………………………….68 6.9 Resumen de las Pruebas………………………………………………………………………………68
7. CAPITULO VII – ANALISIS DE RESULTADOS………………………………………………………….70
8. CAPITULO VIII – CONCLUSIONES………………………………………………………………………...72
BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………………………………………………………...73
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LISTA DE FIGURAS
Pág.
FIGURA 1. Ciclo de combustión en motores de cuatro tiempos………………………………15 FIGURA 2. Motor en línea……………………………………………………………………………………….20 FIGURA 3. Motor en V…………………………………………………………………………………………….20 FIGURA 4. Motor Bóxer………………………………………………………………………………………….21 FIGURA 5. Mecanismo del motor de combustión de cuatro tiempos………………………22 FIGURA 6. Partes importantes del motor de 4 cilindros en línea…………………………....25 FIGURA 7. Medidor Volumétrico…………………………………………………………………………....29 FIGURA 8. Medidor Gravimétrico…………………………………………………………………………..29 FIGURA 9. Medidor Gravimétrico de Puente de ponderación…………………………………30 FIGURA 10. Circuito integrado de bomba con retorno y medidor gravimétrico……..31 FIGURA 11. Medidor de desplazamiento positivo de Paletas Deslizantes……………….33 FIGURA 12. Medidor de desplazamiento positivo de tipo Tri-rotor………………………..33 FIGURA 13. Medidor de desplazamiento positivo de tipo Birotor…………………………..34 FIGURA 14. Medidor de desplazamiento positivo de Pistón Oscilante……………………34 FIGURA 15. Medidor de desplazamiento positivo de Rueda Oval…………………………..35 FIGURA 16. Flujometro de tipo Turbina………………………………………………………………….36 FIGURA 17. Caldera soldada a la tobera de extracción de gases……………………..….....37 FIGURA 18. T usada para el sistema de extracción de gases…………………………………..38 FIGURA 19. Brida fabricada para el sistema de extracción………………………………….....38 FIGURA 20. Extractor EMI utilizado…………………………………………………………………………38 FIGURA 21. Brida montada en la T para la extracción................................................39 FIGURA 22. Sistema de extracción de gases…………………………………………………………...40 FIGURA 23. Electro-ventilador………………………………………………………………………………..41 FIGURA 24. Interruptor Maestro…………………………………………………………………………….42 FIGURA 25. Bombas de gasolina……………………………………………………………………………..42 FIGURA 26. Velocidad de giro del motor en ralentí…………………………………………………43 FIGURA 27. Medidor Gravimétrico………………………………………………………………………...44 FIGURA 28. Toma de datos con ayuda de la balanza………………………………………………45 FIGURA 29. Densidad experimental de la gasolina………………………………………………….45 FIGURA 30. Cronómetro para las pruebas………………………………………………………………46 FIGURA 31. Montaje usando la balanza……………………………………………………………......46 FIGURA 32. Datos de consumo……………………………………………………………………………….47 FIGURA 33. Medidor Volumétrico………………………………………………………………………….47
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FIGURA 34. Calibración del vaso para 600 ml………………………………………..……………….48 FIGURA 35. Calibración del vaso para 1000 ml……………………………………………………....49 FIGURA 36. Calibración del vaso para 1400 ml……………………………………………………....49 FIGURA 37. Calibración del vaso para 1800 ml……………………………………………………….50 FIGURA 38. Componentes del sensor capacitivo………………………………………………..…..51 FIGURA 39. Sensor capacitivo más detallado………………………………………………………….52 FIGURA 40. Ajuste de sensibilidad para el sensor capacitivo………………………………....53 FIGURA 41. Aplicaciones de los sensores capacitivos…………………………………………..…53 FIGURA 42. Diagrama de conexión Sensor AUTONICS CR18-88DP………………………….54 FIGURA 43. Calibración de los sensores………………………………………………………………….54 FIGURA 44. Montaje de los sensores………………………………………………………………………55 FIGURA 45. Preparación de la medida de la probeta………………………………………………56 FIGURA 46. Calibración de los sensores en el montaje final……………………………………56 FIGURA 47. Tarjeta National Instruments……………………………………………………………….57 FIGURA 48. Orden de conexión de los sensores en la Tarjeta…………………………………58 FIGURA 49. Programa implementado en LabVIEW…………………………………………………59 FIGURA 50. Montaje final...........................................................................................60 FIGURA 51. Programa en funcionamiento..................................................................60 FIGURA 52. Secuencia de la prueba………………………………………………………………………..61 FIGURA 53. Consumo acumulado para la Prueba N°1…………………………………………….63 FIGURA 54. Consumo acumulado para la Prueba N°2…………………………………………….64 FIGURA 55. Consumo acumulado para la Prueba N°3…………………………………………….65 FIGURA 56. Consumo acumulado para la Prueba N°4…………………………………………….65 FIGURA 57. Consumo acumulado para la Prueba N°5…………………………………………….66 FIGURA 58. Consumo acumulado para la Prueba N°6…………………………………………….67 FIGURA 59. Consumo acumulado para la Prueba N°7…………………………………………….67 FIGURA 60. Consumo acumulado para la Prueba N°8…………………………………………….68 FIGURA 61. Consumo de combustible experimental………………………………………………69 FIGURA 62. Comparación entre el consumo experimental y el teórico…………………..70
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LISTA DE TABLAS
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TABLA 1. Consumo esperado de combustible………………………………………………………..11 TABLA 2. Composición de aire seco……………………………………………………………………….16 TABLA 3. Especificación típica de los medidores…………………………………………………….30 TABLA 4. Constantes dieléctricas de algunos materiales………………………………………..52 TABLA 5. Orden de conexión de los sensores………………………………………………………...57 TABLA 6. Velocidades de giro elegidas para las pruebas...........................................62 TABLA 7. Datos Prueba N°1 a velocidad constante………………………………………………...63 TABLA 8. Datos Prueba N°2 a velocidad constante…………………………………………………64 TABLA 9. Datos Prueba N°3 a velocidad constante…………………………………………….…..64 TABLA 10. Datos Prueba N°4 a velocidad constante……………………………………………….65 TABLA 11. Datos Prueba N°5 a velocidad constante……………………………………………….66 TABLA 12. Datos Prueba N°6 a velocidad constante……………………………………………….66 TABLA 13. Datos Prueba N°7 a velocidad constante……………………………………………….67 TABLA 14. Datos Prueba N°8 a velocidad constante……………………………………………….68 TABLA 15. Consumo promedio de la pruebas………………………………………………………...69 TABLA 16. Parámetros teóricos para el consumo……………………………………………………70 TABLA 17. Comparación entre el consumo experimental y el teórico………………….…70
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LISTA DE ANEXOS
Pág.
ANEXO 1. Ficha técnica de los Sensores capacitivos AUTONICS………………………………………75 ANEXO 2. Programa de LabVIEW diseñado……………………………………………………………………..79
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INTRODUCCIÓN
Desde la aparición del motor de combustión interna de cuatro tiempos de Nikolaus Otto
en 1876, la gasolina se ha convertido en el combustible vehicular dominante desde 1900
hasta el día de hoy. Siendo la fuente de energía predilecta de energía y de gran influencia
para el desarrollo de la humanidad en el sector del transporte.
En los años 20’s las gasolinas usaban algunos agentes antidetonantes como plomo y
manganeso en los 60’s para aumentar su octanaje, con el fin de cumplir con los requisitos
de los motores de la época, los cuales tenían mayores relaciones de compresión. Pero el
uso de estos compuestos solo duraría hasta los 70’s debido a los graves problemas
ambientales que presentaba la presencia de plomo y manganeso en el aire respirable. A
raíz de esto los países iniciaron acciones para reducir paulatinamente el uso
principalmente de plomo en la gasolina y las petroleras se vieron en la tarea de desarrollar
gasolinas de mayor octanaje sin el uso de estos elementos. Hoy en día es frecuente el uso
de alcoholes como el etanol y el metanol, los cuales tiene una alta resistencia a la
detonación y son más amigables con el medio ambiente. Por lo que el problema de
medición del consumo de combustible se hace de vital importancia para poder evaluar el
desempeño energético de los motores de combustión interna.
En este proyecto se pretende construir un dispositivo para la medición de consumo de
combustible en un motor de combustión interna. El que se encuentra disponible en el
laboratorio de conversión de energía de la Universidad de Los Andes, este motor es el de
un Renault 12 de 1300 cc.
Como primera aproximación a los flujos que se esperan, se debe tener en cuenta la
velocidad de giro del motor, el desplazamiento, la densidad del aire y la eficiencia
volumétrica del combustible. Además se debe tener en cuenta que para quemar
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completamente la gasolina contenida dentro del cilindro típicamente se requieren entre
14 y 15 gramos de aire por cada gramo de combustible, con lo cual el consumo de
combustible estaría dado por la siguiente expresión:
Donde: C hace referencia al consumo teórico de combustible, Vd al desplazamiento o
cilindrada del motor en metros cúbicos, N a la velocidad de giro en rpm, ev a eficiencia
volumétrica del combustible y !" a la relación aire-combustible.
Tomando como parámetros: Vd = 1.3·10-3 m3 ; ρaire = 0.89 kg/m3 ; eν = 0.85 y (A/C)teo = 15
La siguiente tabla muestran los valores esperados de consumo de combustible para
algunas velocidades de giro del motor con que se va a trabajar.
Velocidad Desplazamiento de giro (rpm) 1300 cc.
500 0.98 kg/hr 1000 1.97 kg/hr 1500 2.95 kg/hr 2000 3.93 kg/hr 2500 4.92 kg/hr 3000 5.90 kg/hr 3500 6.88 kg/hr
TABLA 1. Consumo esperado de combustible
El dispositivo a construir debe ser de fácil acople al motor, portátil y resistente a los
fluidos con los que se va a trabajar. Así como se también se buscará que la adquisición de
datos sea mediante una señal que pueda ser entregada a un computador para el intervalo
de tiempo que se elija como principio y fin de la medición.
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OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Desarrollar un dispositivo para la medición de consumo de combustible para motores de
combustión interna.
OBJETIVOS ESPECIFICOS:
1. Entender el fenómeno de medición de flujo de combustible y su importancia para
evaluar el desempeño de los motores de automóvil.
2. Seleccionar un método de medición adecuado a las condiciones en que va a operar
el medidor.
3. Diseñar y construir un prototipo capaz de medir flujos de combustible y que sea
portátil.
4. Realizar pruebas con el dispositivo acoplándolo a un motor de combustión interna.
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1. CAPITULO I – CONCEPTOS GENERALES DE LOS MOTORES DE COMBUSTION
En este capítulo se hará una revisión de los conceptos generales de los motores de combustión interna, su funcionamiento, los tipos de motores y sus componentes principales. También se estudiarán los tipos de combustibles existentes, todo esto con el fin de contextualizar este proyecto.
1.1 Los Motores de Combustión Interna
El motor de combustión interna se define como un motor en el cual la energía química del combustible es transformada dentro del motor generando trabajo mecánico, en oposición al motor de combustión externa en el cual un combustor es usado para quemar el combustible.
El motor de combustión interna fue concebido en 1876 por Nikolaus A. Otto quien construyó una máquina de cuatro tiempos de encendido por chispa usando un ciclo propuesto por Frenchman Beau de Rochas en 1862. En este tipo de motores la mezcla aire-combustible se comprime hasta una temperatura menor a la de autoencendido del combustible y la combustión se inicia con el encendido de la bujía que produce una chispa.
Tiempo después en 1892 Rudolph Diesel logra la patente del motor que lleva su nombre, el cual difiere principalmente del motor de Otto en que el aire se comprime hasta una temperatura superior a la de autoencendido del combustible y la combustión se inicia al inyectar el combustible dentro de la cámara con el aire caliente, sin necesidad de chispa.
El motor de Otto es usado principalmente en automóviles, motocicletas y botes, mientras que el motor de Diesel es usado en buses, camiones, generadores eléctricos y maquinaria pesada. Ambos tipos de motores pueden trabajar con ciclos de dos y de cuatro tiempos, y funcionan con el mismo principio de émbolo reciprocante que se alterna en el cilindro entre dos posiciones fijas. La fuerza sobre el émbolo se transmite a través de la biela hasta el cigüeñal del motor, y de este se obtiene la potencia producida por la detonación del combustible.
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Otro tipo de motor de combustión interna es el motor rotatorio, desarrollado en la década de 1950 por el ingeniero alemán Felix Wankel. Este utiliza un rotor triangular que gira alrededor de un eje excéntrico dentro de una cámara ovalada, al girar este rotor cumple con el ciclo de cuatro tiempos. Este motor tiene menos parte móviles y menos vibraciones frente a los de Otto y Diesel, pero sus altos costos de mantenimiento y de precisión en el ensamble lo hacen más difícil de encontrar en las carreteras.
El último tipo de motor de combustión interna es la turbina, estas son principalmente usadas en la aviación por sus altos costos de fabricación y generación de potencia. Funcionan por etapas, en las cuales se comprime el aire a altas presiones y más tarde, se enciende una mezcla de aire-combustible que al descomprimirse impulsa los alabes que a su vez hacen girar el eje de la turbina produciendo potencia.
Dado que el motor con el que se va a trabajar en este proyecto es un motor de cuatro tiempos a gasolina, profundizaremos un poco más es este tipo de motores, haciendo a un lado los otros tres tipos de motores.
1.2 Ciclo de Otto - Motor de 4 Tiempos Estas máquinas reciben su nombre porque el pistón ejecuta cuatro carreras completas, definiendo la carrera como el recorrido del pistón desde el punto muerto superior (PMS) hasta el punto muerto inferior (PMI) o viceversa, dentro del cilindro, y el cigüeñal completa dos revoluciones por cada ciclo termodinámico. Las carreras del pistón son:
- Carrera de Admisión: Ocurre cuando la válvula de admisión se encuentra abierta y permite la entrada de la mezcla aire-combustible hacia el interior de cilindro, desplazando el pistón desde el punto muerto superior (PMS) hasta el punto muerto inferior (PMI).
- Carrera de Compresión: Ocurre cuando las válvulas de admisión y escape se
encuentran cerradas, y el pistón se desplaza desde el punto muerto inferior (PMI) hasta el punto muerto superior (PMS) comprimiendo la mezcla aire-combustible.
- Carrera de Potencia:
más alta (PMS), la bujía produce una chispa cual aumenta la presión y la temperatura del sistema. Los gases a alta presión impulsan el pistón hacia abajo hasta el punto muerto el cual obliga a rotar al cigüeñal produciendo trabajo útil.
- Carrera de Escape:
punto muerto superior (PMS) y estando la válvula de escape abierta los gases de combustión son evacuados.
FIGURA
La anterior figura muestra el ciclo de combustión tiempos para cada carrera
1 Tomado de: Çengel, Y. & Boles, M. (2006). Termodinámica
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Carrera de Potencia: Un poco antes de que el pistón alcance su posición ), la bujía produce una chispa y la mezcla se enciende, con lo
cual aumenta la presión y la temperatura del sistema. Los gases a alta presión impulsan el pistón hacia abajo hasta el punto muerto inferio
a rotar al cigüeñal produciendo trabajo útil.
Carrera de Escape: Ocurre cuando el pistón se mueve hacia arriba hasta el punto muerto superior (PMS) y estando la válvula de escape abierta los gases de combustión son evacuados.
GURA 1. Ciclo de combustión en motores de cuatro tiempos
La anterior figura muestra el ciclo de combustión de un motor de cuatro para cada carrera del pistón y el diagrama PV del proceso real
Termodinámica (5ta ed). México: McGraw-Hill Interamericana. Pág. 494
tes de que el pistón alcance su posición y la mezcla se enciende, con lo
cual aumenta la presión y la temperatura del sistema. Los gases a alta inferior (PMI),
Ocurre cuando el pistón se mueve hacia arriba hasta el punto muerto superior (PMS) y estando la válvula de escape abierta los
Ciclo de combustión en motores de cuatro tiempos1
un motor de cuatro del proceso real.
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1.3 El Proceso de Combustión Es un proceso mediante el cual al mezclarse un combustible y un oxidante en presencia de calor, se produce una reacción química en la que se oxida el combustible y se libera una gran cantidad de energía. Los combustibles líquidos utilizados generalmente son: La gasolina considerada como C8H18 para efectos de cálculo, el diesel considerado como C12H26 y el metanol considerado como CH3OH. Y el oxidante preferido es el aire por su fácil acceso, mientras que el oxígeno puro (O2) se emplea en aplicaciones especializadas para corte y soldadura.
A continuación se observa en la tabla la composición química del aire.
Elemento Porcentaje (%) Oxígeno 20,9 Nitrógeno 78,1 Argón 0,9 Carbono, Helio y Neón 0,1
TABLA 2. Composición de aire seco Para el análisis de los procesos de combustión se considera que el aire seco está compuesto por un 21% de oxígeno y un 79% de nitrógeno, descartando los gases que se encuentran en pequeñas cantidades. Durante la combustión el nitrógeno se comporta como un gas inerte y no reacciona con otros elementos químicos, más que para formar una pequeña cantidad de óxidos nítricos. Así mismo el aire que entra a la cámara contiene algo de vapor de agua formando agua y humedad en el aire luego de la reacción, los cuales pueden tratarse como un gas inerte.
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Para que se lleve a cabo la combustión debe llevarse el combustible a una temperatura por encima de su temperatura de ignición. Por ejemplo para la gasolina son 260°C, para el carbón son 400°C, para el hidrogeno son 580°C y para el metano son 630°C. Y las proporciones entre combustible y aire deben estar en un nivel apropiado para que comience el proceso. Como se va atrabajar con un motor a gasolina, la ecuación de combustión estequiométrica para este proceso está dada por:
# $%&$ ' ()*+ ' ,-. +/ 0 1 *+ ' 2 %+* ' 3 + Asumiendo que todos los reactivos se trasforman completamente en los productos, lo que se conoce como combustión completa. Por el contrario si los productos de la combustión contienen algo de combustible o componentes de los reactivos no quemados como C, H2, CO ó OH se conoce como combustión incompleta, y es lo que en la realidad pasa, generalmente o hace falta aire en la cámara o sobra, lo que da una mezcla insuficiente.
1.4 Combustibles líquidos en Colombia para Motores de Combustión Interna Los combustibles líquidos que se van a estudiar nacen en la empresa ECOPETROL S.A. con materias primas de crudo y gas procedentes de campos de producción de Casanare, Arauca, El Centro (Barrancabermeja) y La Guajira, los cuales llegan a las refinerías de Barrancabermeja y Cartagena, y salen como productos terminados siendo despachados hacia todo el país.
1.4.1 Gasolina Corriente Este tipo de combustible líquido es una mezcla de más de 200 hidrocarburos distintos, provenientes de diferentes procesos de refinación del petróleo. Es tratada con soda cáustica para eliminar compuestos de azufre como sulfuros y mercaptos que tiene un comportamiento corrosivo. Y además tiene un 10% de alcohol carburante. El producto final que se vende tiene un índice antidetonante IAD de 81 octanos y las estaciones de servicio al público antes de distribuirla le adicionan dispersantes con el fin de prevenir la formación de depósitos en el sistema de
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admisión de los motores. Generalmente la usan motores de baja relación de compresión (menos de 9:1) y en altitudes por encima de 2000 metros sobre el nivel del mar tienen un comportamiento adecuado en motores con mayor relación de compresión.
1.4.2 Gasolina Extra Este tipo de combustible líquido es una mezcla de entre 200 a 300 hidrocarburos diferentes provenientes de diferentes procesos de refinación del petróleo. Al igual que la gasolina corriente es tratada con soda cáustica para eliminar los compuestos de azufre y contiene un 10% de alcohol carburante. El producto final que se comercializa tiene un índice antidetonante IAD de 87 octanos. Y al igual que la corriente también se le adicionan dispersantes en las estaciones de servicio al público antes de distribuirla. Generalmente la usan motores de alta relación de compresión (mayor de 9:1) y tiene buen comportamiento en la mayoría de motores en cualquier altitud.
1.4.3 Diesel Corriente El diesel corriente conocido como aceite combustible para motores (ACPM), es una mezcla de hidrocarburos de entre 10 a 28 átomos de carbono provenientes de diferentes procesos de refinación del petróleo. Este producto tiene pequeñas cantidades de aditivos, los cuales mejoran el desempeño de este combustible. Es usado en vehículos con motores tipo diesel de trabajo medio y pesado, y para generar energía mecánica y eléctrica, en secadores industriales y calderas.
1.4.4 Diesel Extra El diesel extra o premium conocido como aceite combustible para motores de bajo azufre (ACEM), es un producto obtenido de la destilación atmosférica del petróleo, el cual es usado especialmente como combustible en automotores de transporte urbano que operan bajo condiciones de baja y media exigencia, y tecnologías limpias. Este combustible se consigue solo en las terminales de oleoductos de Mansilla (Facatativa) y Puente Aranda (Bogotá).
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1.4.5 JET 1A
El Jet 1A que también es conocido como turbocombustible o JP-1A, es un producto proveniente de la destilación atmosférica del petróleo, el cual tiene características de alta calidad y es usado como combustible para aviones con turbinas tipo propulsión o jet. No se recomienda usar este producto para usos diferentes al mencionado porque los vapores que genera son más pesados que el aire y por tanto tienden a depositarse en lugares bajos donde generalmente hay fuentes de ignición como pilotos de estufas, interruptores eléctricos, tomas de corriente y puntos calientes, pudiéndose generar un incendio. Este combustible es despachado en las refinerías de Barrancabermeja, Cartagena y Orito.
1.4.6 Gasolina de Aviación grado 100 La gasolina de aviación grado 100 conocida también como Avigas, es un combustible producido a partir de gases de refinería como butilenos e isobutanos en el proceso de alquilación. Tiene un índice antidetonante IAP de 100 octanos y se le adiciona tetraetilo de plomo para subir su octanaje hasta 130 octanos, por lo que también se le conoce en el mercado como gasolina de aviación 100-130. El número 100 hace referencia a la capacidad antidetonante requerida para los motores de los aviones una vez alcanzan su velocidad de crucero y el número 130 hace referencia a la capacidad antidetonante requerida para el despegue del avión, momento en el cual estos motores desarrollan su máxima potencia. Esta gasolina es usada únicamente para aviones con motor de pistón y al igual que la JET 1A, los vapores que genera son más pesados que el aire y representarían un peligro inminente en lugares residenciales, por lo que no es recomendable para usos diferentes al mencionado. Está solo es despachada desde la refinería de Barrancabermeja hacia los aeropuertos colombianos.
1.5 Clasificación de los Motores Los motores se clasifican generalmente segúndisposición de estos en el bloque del motor. El puede variar entre 1 ycilindros para autos de cilindros más conocidas son
• En Línea: Es la cilindros están dispuestos enNormalmente se pueden encontrar vehículos con motores hasta de ocho cilindros en línea dependiendo del tipo de vehículo.
• En ‘V’: En esta disposición una letra V, y todos los cilindros convergen en el mismo motores el aire de admisión es succionado por dentro de la V y los escape son expulsadosV6, V8, V10 y V12competición.
2 Tomado de : http://blogs.eluniversal.com.mx/wweblogs_detalle.php3 IBIDEM
20
Motores de 4 Tiempos
Los motores se clasifican generalmente según el número de cilindros y la en el bloque del motor. El número de cilindros
entre 1 y 8 cilindros para vehículos convencionales, y entre 10 ycilindros para autos de competición y alto desempeño. Las disposicicilindros más conocidas son:
Es la disposición de cilindros más conocida y antigua. En esta los cilindros están dispuestos en fila y paralelos entre sí a lo largo deNormalmente se pueden encontrar vehículos con motores hasta de ocho
en línea dependiendo del tipo de vehículo.
FIGURA 2. Motor en línea2
En esta disposición los cilindros se agrupan en dos filas formando todos los cilindros convergen en el mismo cigüeñal. En estos
motores el aire de admisión es succionado por dentro de la V y los expulsados por ambos lados. Los más comunes son los motores
V6, V8, V10 y V12 usados tanto en autos de calle como en autos de
FIGURA 3. Motor en V3
http://blogs.eluniversal.com.mx/wweblogs_detalle.php
el número de cilindros y la de cilindros comercial
y entre 10 y 16 disposiciones de
conocida y antigua. En esta los largo del cigüeñal.
Normalmente se pueden encontrar vehículos con motores hasta de ocho
en dos filas formando cigüeñal. En estos
motores el aire de admisión es succionado por dentro de la V y los gases de más comunes son los motores
e como en autos de
• En Oposición, Mestán opuestos horizontalmentese mueve simultáneamente llegando a los puntos muertoscomo superior este tipo hasta con ocho cilindrosPorsche en algunos de sus modelos
1.6 Relaciones generales de los motores de combustión de 4 Antes de mirar las relaciones generales de los motores de combustión interna, es importante definir algunos conceptos propios del funcionamiento de los motores útiles para entender mejor las r
- La Cilindrada o Desplazamientovolumen máximomínimo para cada cilindrode la cilindrada es carrera y al número de cilindros del motor. La ecuación usada para el cálculo es:
Donde n hace referencia al número de pistones, bore (inglés), S la Figura 5, a hace referencia a la biela, y θ al ángulo de rotación de la manivela.
4 IBIDEM
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En Oposición, Motor ‘Bóxer’: Es una disposición en la que los pistones están opuestos horizontalmente. En estos motores cada pareja de pistones se mueve simultáneamente llegando a los puntos muertos
simultáneamente. Generalmente se encuentran motores de este tipo hasta con ocho cilindros y hoy son usados por
en algunos de sus modelos de calle.
FIGURA 4. Motor Bóxer4
Relaciones generales de los motores de combustión de 4 tiempos
Antes de mirar las relaciones generales de los motores de combustión interna, es importante definir algunos conceptos propios del funcionamiento de los motores útiles para entender mejor las relaciones.
o Desplazamiento (Vd): Se define como la diferencia entre el máximo (volumen del punto muerto inferior) y
para cada cilindro (volumen del punto muerto superiorde la cilindrada es proporcional al área transversal de cada pistón, a la carrera y al número de cilindros del motor. La ecuación usada para el
referencia al número de pistones, b al diámetro del cilindro o a la carrera del pistón o stroke (inglés) y adicionalmente en
hace referencia a la longitud de la manivela, L a la longitud de al ángulo de rotación de la manivela.
Es una disposición en la que los pistones cada pareja de pistones
tanto inferior Generalmente se encuentran motores de
y hoy son usados por la escudería
Antes de mirar las relaciones generales de los motores de combustión interna, es importante definir algunos conceptos propios del funcionamiento de los motores
diferencia entre el y el volumen
punto muerto superior). El cálculo proporcional al área transversal de cada pistón, a la
carrera y al número de cilindros del motor. La ecuación usada para el
al diámetro del cilindro o (inglés) y adicionalmente en
a la longitud de
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FIGURA 5. Mecanismo del motor de combustión de cuatro tiempos5
- El Punto Muerto Superior (PMS): Hace referencia a la posición de recorrido
del pistón dentro del cilindro en la que el volumen contenido es el menor, conocido como volumen residual.
- El Punto Muerto Inferior (PMI): Hace referencia a la posición de recorrido del pistón dentro del cilindro en la que el volumen contenido es el máximo.
- La Carrera del Pistón: Corresponde a la distancia total recorrida por el pistón. Generalmente se conoce como stroke (S) en inglés, y la carrera se define como:
4 5 67
- La Relación de Compresión: Es la relación entre el volumen contenido en el punto muerto inferior (v1) y el volumen residual contenido en el punto muerto superior (vr). Matemáticamente es:
89:89;
&
< Para los automóviles las relaciones de compresión usualmente están desde 8:1 hasta 14:1 dependiendo del motor.
5 Tomado de: Beltrán, R. (2009). Motores de Combustión Interna - Notas de clase. Colombia: Electiva de Pregado, Departamento de Ingeniería Mecánica, Uniandes.
23
Con estos conceptos claros es pertinente hablar de las relaciones generales de los motores de combustión interna, las cuales son función de la geometría, la velocidad de giro, el torque y el consumo de combustible del motor.
• La Posición del Pistón (y): Se puede conocer para cualquier instante de tiempo, si se conoce el ángulo de rotación de la manivela. Teóricamente la expresión está dada por:
= > ' 6 ? @)>+ ?6+ ABC+ D/&E+ ' 6 FGA HI
• El Volumen Contenido en función de la posición del Pistón (V(θ)): Se puede conocer para cualquier instante de tiempo conociendo la posición del pistón (y) y el volumen contenido en el punto muerto superior. El volumen contenido en función de la posición está dado por al siguiente expresión:
)D/ ' J7 2+ =.
• La Velocidad Media del Pistón (Ūp): Es dependiente de la velocidad de giro (N) y de dos veces la carrera, ya que el pistón por revolución debe recorrer una distancia igual a 2S. Teóricamente está dada por:
KLMMMM 4 N Si se deriva la posición con respecto al tiempo se puede llegar a encontrar la siguiente expresión para la velocidad instantánea del pistón.
KL)D/ KLMMMM J ABC D O ' 6 FGA D)>+ ?6+ ABC+ D/&E+P Q
• La Potencia al Freno (RS b): Se define como la tasa de cambio a la cual el trabajo es realizado teniendo en cuenta la velocidad de giro (N) y el torque medido en el eje del motor (τ). TS U J V
24
• La Potencia Media Efectiva al Freno (bmep): Se define como el trabajo realizado por unidad de tiempo, en otras palabras, es la razón entre la potencia al freno y el desplazamiento por unidad de tiempo del motor.
2WX TS U 7J V
)YZ[Z7\]WXZ^/
• El Consumo de Combustible Específico al Freno (bsfc): Es un parámetro relacionado con la eficiencia del motor. Se define como la relación entre el consumo específico de combustible (WS f) y la potencia al freno.
2^_3 WS `TS U WS `
7J V Adicionalmente, el consumo de combustible (C) está relacionado con la velocidad de giro (N), el desplazamiento del motor (Vd), la relación aire-combustible (A/C), la densidad del aire y la eficiencia volumétrica del combustible. Al mismo tiempo se debe tener en cuenta que para quemar la gasolina contenida dentro del cilindro, típicamente se requieren entre 14 y 15 gramos de aire por cada gramo de combustible, con lo que el consumo teórico estaría dado por:
,
Donde: Vd hace referencia al desplazamiento o cilindrada del motor en metros cúbicos, N a la velocidad de giro en rpm, ev a eficiencia volumétrica
del combustible y !" a la relación aire-combustible.
• La Eficiencia Térmica del motor (η): Esta definida como la relación entre la potencia al freno (TS b) y la potencia máxima producto de la multiplicación entre el consumo específico de combustible (WS f) y su poder calorífico (qc). Teóricamente la expresión está dada por:
25
a TS UWS ` b
2^_3 b
7
1.7 Componentes de los Motores de 4 tiempos En general los motores de cuatro tiempos tienen los mismos componentes, lo que cambia generalmente es el número de cilindros, la disposición de estos, la geometría del motor, etc. En la siguiente figura se pueden observar los principales componentes de un motor de cuatro tiempos de cuatro cilindros en línea.
FIGURA 6. Partes importantes del motor de 4 cilindros en línea6
1. Múltiple de Admisión: En este elemento el aire de admisión es guiado hacia el interior de los cilindros por cada uno de los conductos. Estos están diseñados para que cada cilindro reciba idéntica cantidad de aire.
6 Tomada de: http://www.elmundo.es/motor/MVnumeros/97/MV003/MV003taller1.html
26
2. Árbol de Levas: Es el encargado de regular la apertura y cierre de las válvulas, permitiendo la admisión de la mezcla aire-combustible y el escape de gases de combustión en los cilindros.
3. Impulsadores: Se encuentran localizados entre las válvulas y el árbol de levas, interconectándolos con el fin de que las válvulas sigan el movimiento del árbol de levas.
4. Inyector: Es un dispositivo electrónico, que funciona como una electroválvula, es decir al recibir una señal eléctrica se abre y deja pasar la cantidad de combustible requerida hacia el interior para la combustión.
5. Válvulas: Son elementos que comunican el cilindro con el exterior. Existen dos tipos de válvulas: Las de admisión, que permiten el paso de la mezcla aire-combustible y su temperatura puede alcanzar entre 200°C a 400°C durante su operación. Y las de escape, que permiten la salida de los gases de combustión hacia el exterior y su temperatura de operación puede pasar de 800°C. Generalmente en un motor de cuatro tiempos se tiene entre 2 a 4 válvulas por cilindro.
6. Correa de Distribución: Es el elemento que se encarga de transmitir el movimiento del cigüeñal hacia el árbol de levas, mediante el cual se accionan las válvulas de admisión y de escape. También reparte potencia a otros dispositivos del motor.
7. Pistón: Es uno de los elementos más importantes del motor de combustión interna, y hace referencia a un émbolo que se ajusta al interior de las paredes del cilindro por medio de unos anillos. Efectúa un movimiento reciprocante con el cual se varía el volumen interno del cilindro haciendo posible las cuatro carreras del motor.
8. Medidor de Nivel de Aceite: Permite al usuario revisar el nivel de aceite antes de arrancar el motor, y así mantener su nivel dentro del rango aceptable para su operación.
27
9. Cilindro: Es el alojamiento por donde se desplaza el pistón, y donde se realiza la explosión de la mezcla aire-combustible produciéndose trabajo mecánico.
10. Inyección: Es un dispositivo electrónico que controla la apertura de los inyectores, este funciona por medio de sistemas de control y sensores electrónicos.
11. Filtro de Aceite: Es el encargado de retener toda partícula arrastrada por el flujo de aceite provocado por la lubricación, el desgaste y el proceso de combustión del motor.
12. Cigüeñal: Es el eje de salida del motor, y en el cual van conectadas las bielas del motor que se encargan de transformar el movimiento lineal en rotacional hacia el cigüeñal.
13. Cárter de Aceite: Es el lugar donde está almacenado el aceite usado para la lubricación del motor. Además este protege al motor de la entrada de agua, polvo y de cualquier tipo de contaminante, y le brinda rigidez y consistencia.
14. Biela: Es un componente que conecta al pistón con el cigüeñal y está encargada de transformar el movimiento lineal de los pistones dentro de los cilindros en movimiento rotacional del cigüeñal.
28
2. CAPITULO II – SISTEMAS DE MEDICION DE FLUJO PARA COMBUSTIBLES LIQUIDOS
En este capítulo se hará una revisión de los instrumentos existentes para la medición de flujo de fluidos líquidos, sus partes y componentes importantes, así como también su tipo de respuesta al realizar la medición.
2.1 Instrumentos de medición para el consumo de combustibles y otros líquidos Para la medición del consumo de combustible líquido es importante el control de temperatura del sistema con que se esté trabajando, en especial para la condición en la cual la bomba de combustible del motor posea retorno. Existen dos grandes grupos de instrumentos para la medición de flujo de combustible, a estos son: los Flujometros Acumulativos y Medidores de Tasa de Consumo.
2.1.1 Flujometros Acumulativos En este grupo encontramos dos tipos de medidores que se encuentran en el mercado: 2.1.1.1 Medidores Volumétricos:
Miden el número de revoluciones del motor para consumir un volumen conocido de combustible de un recipiente calibrado. En la siguiente figura se puede observar un medidor volumétrico, el cual cuenta con un sistema de sensores ópticos que proporcionan una señal de tiempo precisa al momento de empezar y terminar la medición para cada uno de los volúmenes calibrados. La señal actúa como un contador, brindando un valor preciso para el número de revoluciones hechas por el motor durante la prueba de consumo.
2.1.1.2 Medidores Gravimétricos: Miden el consumo de masa de combustiblerevoluciones del motor En la siguiente figura se puede observar un medidor gravimétrico, el cual está diseñado para medir la tasa de cambio de masa en un volumen de combustible, más específicamente consta de de carga, desde el vaso el combustible es tomado hacia el motorun tubo sumergido conectado a la manguera de la bomba de combustible
7 Tomado de: Martyr, A. & Plint, M. (2007). 8 IBIDEM. Pág. 244
29
FIGURA 7. Medidor Volumétrico 7
Medidores Gravimétricos:
iden el consumo de masa de combustible, teniendo en cuenta el número de revoluciones del motor.
En la siguiente figura se puede observar un medidor gravimétrico, el cual está diseñado para medir la tasa de cambio de masa en un volumen de combustible, más específicamente consta de un vaso montado sobre una celda
, desde el vaso el combustible es tomado hacia el motor tubo sumergido conectado a la manguera de la bomba de combustible
FIGURA 8. Medidor Gravimétrico 8
Tomado de: Martyr, A. & Plint, M. (2007). Engine Testing (3rd ed). Warrendale: SAE International. Pág. 243
el número de
En la siguiente figura se puede observar un medidor gravimétrico, el cual está diseñado para medir la tasa de cambio de masa en un volumen de
vaso montado sobre una celda por medio de
tubo sumergido conectado a la manguera de la bomba de combustible.
Una forma un poco diferente de medir el flujo acumulativo de combustible es colocando la fuente de combustible en un puente de ponderación o bridge (inglés) y midiendo el tiempo requerido para consumir un cierto peso de combustible. Un ejemplo de este sistema se puede observar en la siguiente figura. Generalmente se usa hacer la medición.
FIGURA 9
Se suelen elegir mucho más los medidores gravimétricos frente a los volumétricos porque se el periodo de medición de combustible. Tanto para los medidores volumétricos como para los gravimétricos, las señales de salida se procesan de forma parecida; se usan voltajes de 1señales análogas y digitales. Una especificación típicsiguiente tabla:
Rangos de MediciónCombustibles a usarInterfaz de computo
Para esta familia consumo específico de combustible está determinado por tres cantidades medibles: la masa de combustible consumida, el nmotor durante la prueba y eque se tiene que tratar es con el retorno o
9 Tomado de: Ferguson, C. & Kirkpatrick A. (2001). 10 Tomado de: Martyr, A. & Plint, M. (2007).
30
Una forma un poco diferente de medir el flujo acumulativo de combustible es la fuente de combustible en un puente de ponderación o
(inglés) y midiendo el tiempo requerido para consumir un cierto peso de combustible. Un ejemplo de este sistema se puede observar en la siguiente figura. Generalmente se usa un contra peso, una balanza y un cronómetro para
FIGURA 9. Medidor Gravimétrico de Puente de ponderación9
elegir mucho más los medidores gravimétricos frente a los volumétricos porque se prefiere la medición en masa del combustibleel periodo de medición se puede tomar independiente de la tasa de consumo
Tanto para los medidores volumétricos como para los gravimétricos, las señales de salida se procesan de forma parecida; se usan voltajes de 1señales análogas y digitales. Una especificación típica se puede observar en la
Rangos de Medición 0-150 kg/hr, 0-200 kg/hr, 0-360 kg/hr a usar Gasolina E10 y E20, y diesel
Interfaz de computo Puerto serial RS232 TABLA 3. Especificación típica de los medidores10
de medidores (flujometros acumulativos) en generalconsumo específico de combustible está determinado por tres cantidades medibles: la masa de combustible consumida, el número de revoluciones del motor durante la prueba y el torque promedio. El único y gran problema con el
tiene que tratar es con el retorno o spillback (inglés) de combustible en
Tomado de: Ferguson, C. & Kirkpatrick A. (2001). Internal Combustion Engines (2nd ed). New York, NY: John Wiley & Sons. Pág.108Tomado de: Martyr, A. & Plint, M. (2007). Engine Testing (3rd ed). Warrendale: SAE International. Pág. 244
Una forma un poco diferente de medir el flujo acumulativo de combustible es la fuente de combustible en un puente de ponderación o weighting
(inglés) y midiendo el tiempo requerido para consumir un cierto peso de combustible. Un ejemplo de este sistema se puede observar en la siguiente
y un cronómetro para
elegir mucho más los medidores gravimétricos frente a los la medición en masa del combustible, ya que
independiente de la tasa de consumo
Tanto para los medidores volumétricos como para los gravimétricos, las señales de salida se procesan de forma parecida; se usan voltajes de 1-10 V y
a se puede observar en la
de medidores (flujometros acumulativos) en general, el consumo específico de combustible está determinado por tres cantidades
mero de revoluciones del El único y gran problema con el
de combustible en
New York, NY: John Wiley & Sons. Pág.108
algunas bombas y en hacer la medición en un poco más complejo. En la figura que siguegravimétrico y el retorno de combustible.
FIGURA 10. Circuito integrado de bomba con retorno y medidor gravimétrico
Para este caso cuando una medición de consumo es realizada, una válvula solenoide desvía el flujo de retorno, el cual normalmente durante la prueba, a la parte inferior el combustible proveniente del retorno abajo del nivel, desde que el aire y vapor contenidos en el combustible del retorno lleve a variaciones en el volumen de combustible entre el medidor y el motor, y por tanto a valores incorrectos en la medición.
11 IBIDEM. Pág. 246
31
algunas bombas y en los sistemas de inyección, por lo que para estos casos hacer la medición en un poco más complejo.
figura que sigue se puede observar un circuito que integra un medidor gravimétrico y el retorno de combustible.
Circuito integrado de bomba con retorno y medidor gravimétrico
uando una medición de consumo es realizada, una válvula solenoide desvía el flujo de retorno, el cual normalmente vuelvedurante la prueba, a la parte inferior del medidor. No es satisfactorio devolver el combustible proveniente del retorno a un filtro de combustible
desde que el aire y vapor contenidos en el combustible del retorno lleve a variaciones en el volumen de combustible entre el medidor y el motor, y por tanto a valores incorrectos en la medición.
, por lo que para estos casos
se puede observar un circuito que integra un medidor
Circuito integrado de bomba con retorno y medidor gravimétrico11
uando una medición de consumo es realizada, una válvula vuelve al tanque
es satisfactorio devolver un filtro de combustible corrientes
desde que el aire y vapor contenidos en el combustible del retorno lleve a variaciones en el volumen de combustible entre el medidor y el
32
2.1.2 Medidores de Tasa de Consumo
Existen diferentes diseños de estos medidores en el mercado para distintas aplicaciones, no solo para combustibles fósiles, sino también para otros fluidos diferentes. Los siguientes factores se deben tener en cuenta para la decisión de seleccionar alguno de estos medidores:
Nivel de precisión. Sensibilidad a la temperatura y viscosidad del combustible. Diferencia de presión requerida para operar. Resistencia al desgaste y tolerancia a la suciedad. Lectura de la señal de salida análoga o impulsiva. Uso en motores estacionarios y no estacionarios.
En este grupo encontramos dos tipos de medidores que se encuentran en el mercado:
2.1.2.1 Flujometros de Desplazamiento Positivo
Este tipo de flujometros mide la tasa de cambio de volumen de una corriente continua de flujo, por medio del encerramiento de un segmento del fluido en una cámara de volumen conocido y soltando el fluido en el lado de descarga del medidor. Mediante el monitoreo del número de paquetes de fluido para un período de tiempo conocido, el volumen total de flujo puede determinarse. Este tipo de flujometros generalmente absorben una pequeña cantidad de energía del fluido en movimiento. La absorción de energía es proveniente del gasto del fluido en mover partes del medidor y accesorios. Y está perdida de energía del fluido se puede observar como una pérdida de presión a través del medidor. Estos tipos de medidores tienen tres componentes básicos: Un alojamiento externo que actúa como una cámara de seguridad para el flujo de fluido antes y después de ser atrapado por el mecanismo interno. Un mecanismo interno que consiste de una pared de contención en la cámara de medición y los componentes movibles del medidor, que forman el apresamiento del fluido en movimiento en unas trampas mediante un movimiento repetitivo de estos elementos. Y un contador que se encarga de convertir el movimiento de la cámara de medición interna del medidor, y de mostrar la tasa de cambio de
flujo teniendo en cuenta la relación del número de trampasvolumen atrapado demovimiento del mecanismo interno al contador autilizando técnicasatrapado y mostrar la tasa de cambio del fluido.
FIGURA 11.
FIGURA 12
Los medidores de desplazamiento positivo más comunes son
• De Paletas Dtransfiere a través entrada a la salidapuede determinarse la cantidad de lleva a cabo por la acción de las paletas sobre la pared de la cámara, mediante una combinación de presión deEn la Figura 11 dispositivo.
• De tipo Trifluido entre los rotores y la pared exterior.con respecto a los otros es mantenido por un ensamble de tres engranajesestos. En la Figura 12
12 Tomado de: Webster, J. (1999). The Measurement, Instrumentation, and Sensors Handbook.
Pág.28-35 13 IBIDEM. Pág. 28-36
33
flujo teniendo en cuenta la relación del número de trampasvolumen atrapado de este. Los medidores de este tipo pueden trasmitir el movimiento del mecanismo interno al contador a través de un switch de salida
lizando técnicas magnéticas, ópticas o electrónicas para contar el flujo r la tasa de cambio del fluido.
. Medidor de desplazamiento positivo de Paletas Deslizantes
FIGURA 12. Medidor de desplazamiento positivo de tipo Tri-rotor
Los medidores de desplazamiento positivo más comunes son:
e Paletas Deslizantes: Mediante la rotación de las paletas el transfiere a través de un único camino entre las paletasentrada a la salida. Contando el número de revoluciones del rotor, puede determinarse la cantidad de fluido que ha pasado. El cielleva a cabo por la acción de las paletas sobre la pared de la cámara, mediante una combinación de presión del líquido y fuerzas centrífugasEn la Figura 11 se puede observar un ciclo completo de este dispositivo.
ri-rotor: Este diseño tiene tres partes rotativas que atrapan al fluido entre los rotores y la pared exterior. La rotación de cada rotor con respecto a los otros es mantenido por un ensamble de tres engranajes, en donde cada eje de cada rotor es conectado
En la Figura 12 se puede observar un ciclo de este dispositivo
The Measurement, Instrumentation, and Sensors Handbook. Florida, FL: CRC Press & IEEE Press.
flujo teniendo en cuenta la relación del número de trampas de fluido y este. Los medidores de este tipo pueden trasmitir el
de un switch de salida ópticas o electrónicas para contar el flujo
Medidor de desplazamiento positivo de Paletas Deslizantes12
rotor13
Mediante la rotación de las paletas el fluido se entre las paletas desde la
ontando el número de revoluciones del rotor, que ha pasado. El cierre se
lleva a cabo por la acción de las paletas sobre la pared de la cámara, líquido y fuerzas centrífugas.
se puede observar un ciclo completo de este
ene tres partes rotativas que atrapan al La rotación de cada rotor
con respecto a los otros es mantenido por un ensamble de tres donde cada eje de cada rotor es conectado a uno de
se puede observar un ciclo de este dispositivo.
Florida, FL: CRC Press & IEEE Press.
FIGURA 13
FIGURA 14
• De tipo Birotorperfecta sincronización, gracias a los engranajes de precisión que usa. El flujo puede entrar perpendicular o paralelo al eje de rotación de la pareja de rotores como s
• De Pistón:fluido entra en una cámara de precisión que contiene oscilante. La posición del pistón que contienen un volumen exacto. La presión del líquido lleva el pistón a oscilar y girar sobre su eje central. Los movimientos del centro son
14 IBIDEM. Pág. 28-36 15 Tomado de: Oscillating Piston Flowmeter (2009, Noviembre 15).
http://www.smartmeasurement.com/en/documents/flowmeter/PDOscillatingPiston.asp
34
FIGURA 13. Medidor de desplazamiento positivo de tipo Birotor
FIGURA 14. Medidor de desplazamiento positivo de Pistón Oscilante
e tipo Birotor: Este medidor tiene dos rotores que se mantiene en perfecta sincronización, gracias a los engranajes de precisión que usa. El flujo puede entrar perpendicular o paralelo al eje de rotación de la pareja de rotores como se puede observa en la Figura 13.
: En este dispositivo, como se observa en la Figura 14entra en una cámara de precisión que contiene
. La posición del pistón divide la cámara en compartimentos que contienen un volumen exacto. La presión del líquido lleva el pistón a oscilar y girar sobre su eje central. Los movimientos del centro son
Tomado de: Oscillating Piston Flowmeter (2009, Noviembre 15). Smart Measurement Inc. [En línea]. Disponible en: http://www.smartmeasurement.com/en/documents/flowmeter/PDOscillatingPiston.asp
Medidor de desplazamiento positivo de tipo Birotor14
Oscilante15
Este medidor tiene dos rotores que se mantiene en perfecta sincronización, gracias a los engranajes de precisión que usa. El flujo puede entrar perpendicular o paralelo al eje de rotación de la
, como se observa en la Figura 14, el entra en una cámara de precisión que contiene un pistón
la cámara en compartimentos que contienen un volumen exacto. La presión del líquido lleva el pistón a oscilar y girar sobre su eje central. Los movimientos del centro son
le en:
detectados a través de la pared del Cada revolución dellíquido. El espacio estrechodeslizamiento mínimo de líquido para repetible.
FIGURA 15
• De Rueda O15, dispone de dos ruedas ovales que engranan entre sí y tienen un movimiento de giro debido a laflujo de líquido. Tanto la cámara de mecanizadas con gran precisión, con el fin de conseguir que el deslizamiento entre ellas se prodesplazando la misma cantidad de líquido en cada rotación
2.1.2.2 Flujometros de tipo Turbina
Este dispositivo consta de pasa el fluido, su velocidad de rotación depende directamente del flujo del fluido. La velocidad del fluido se puede medir contando el número de aspas que pasan por un punto dado, por medio del uso de un transductor magnético en la proximidad para producir pulsos de voltaje. Mandado estos pulsos a un medidor electrónico y acumulando el número total de pulsos durante un intervalo de tiempo es posible obtener el fluResumiendo se encuentra que
16 Tomado de: Webster, J. (1999). The Measurement, Instrumentation, and Sensors Handbook.
Pág.28-36
35
detectados a través de la pared del medidor por un imán seguidor. Cada revolución del eje del pistón es equivalente a un volumen fijo de
El espacio estrecho entre el pistón y la cámara deslizamiento mínimo de líquido para una medición muy precisa y
FIGURA 15. Medidor de desplazamiento positivo de Rueda Oval16
Rueda Oval: El medidor de rueda oval, que se muestra en la F, dispone de dos ruedas ovales que engranan entre sí y tienen un
movimiento de giro debido a la diferencia de presión creada por el flujo de líquido. Tanto la cámara de medida como las ruedas están mecanizadas con gran precisión, con el fin de conseguir que el deslizamiento entre ellas se produzca con el mínimo rozamiento ydesplazando la misma cantidad de líquido en cada rotación
os de tipo Turbina (turbimetros)
Este dispositivo consta de un rodete de turbina dentro de un tubo, por el cual pasa el fluido, su velocidad de rotación depende directamente del flujo del fluido. La velocidad del fluido se puede medir contando el número de aspas
por un punto dado, por medio del uso de un transductor magnético en la proximidad para producir pulsos de voltaje. Mandado estos pulsos a un medidor electrónico y acumulando el número total de pulsos durante un intervalo de tiempo es posible obtener el flujo volumétrico del fluido.
se encuentra que el flujo volumétrico del fluido depende de
The Measurement, Instrumentation, and Sensors Handbook. Florida, FL: CRC Press & IEEE Press.
por un imán seguidor. eje del pistón es equivalente a un volumen fijo de
entre el pistón y la cámara garantiza el edición muy precisa y
16
eda oval, que se muestra en la Figura , dispone de dos ruedas ovales que engranan entre sí y tienen un
diferencia de presión creada por el medida como las ruedas están
mecanizadas con gran precisión, con el fin de conseguir que el duzca con el mínimo rozamiento y
desplazando la misma cantidad de líquido en cada rotación.
rodete de turbina dentro de un tubo, por el cual pasa el fluido, su velocidad de rotación depende directamente del flujo del fluido. La velocidad del fluido se puede medir contando el número de aspas
por un punto dado, por medio del uso de un transductor magnético en la proximidad para producir pulsos de voltaje. Mandado estos pulsos a un medidor electrónico y acumulando el número total de pulsos durante un
jo volumétrico del fluido. depende de:
Florida, FL: CRC Press & IEEE Press.
Donde: Q = flujo volumétrico [in
n = velocidad de D = diámetro del tubo del medidor [in]γ = viscosidad cinemática [in
En la siguiente figura se puede observar un medidor de tipo turbina.
Es posible efectuar estas medidas con mayor precisión si la señal es digital, frente a si esta es análogaaplicar a una convertidor de frecuencias a voltaje, pero con una precisión menor como ya anteriormente se mencio
17 Tomado de: Doebelin, E. (1981). Diseño y Aplicación de Sistemas de Medición
36
= flujo volumétrico [in3/s] = velocidad de giro del rotor [rps]
diámetro del tubo del medidor [in] viscosidad cinemática [in2/s]
En la siguiente figura se puede observar un medidor de tipo turbina.
FIGURA 16. Flujometro de tipo Turbina17
efectuar estas medidas con mayor precisión si la señal es digital, frente a si esta es análoga, aunque si esta es análoga los pulsos se pueden aplicar a una convertidor de frecuencias a voltaje, pero con una precisión
anteriormente se mencionó.
Diseño y Aplicación de Sistemas de Medición. México: McGraw-Hill. Pág. 479
En la siguiente figura se puede observar un medidor de tipo turbina.
efectuar estas medidas con mayor precisión si la señal es digital, , aunque si esta es análoga los pulsos se pueden
aplicar a una convertidor de frecuencias a voltaje, pero con una precisión
37
3. CAPITULO III – ADECUACION Y PUESTA A PUNTO DEL BANCO DE PRUEBAS
Antes de comenzar con la parte experimental de este proyecto, es necesario revisar que todos los componentes tanto del motor de Renault 12, como del banco se encuentren en óptimas condiciones, reemplazando los que estén defectuosos. Así como también es necesario solucionar el problema del sistema de extracción de gases para el banco de pruebas ya que no se tiene uno para poder poner en marcha el motor.
3.1 Sistema de Extracción de Gases para el uso de los motores de Laboratorio En el instante en que se llegó al laboratorio de conversión de energía se encontró con que la tobera de extracción usada para sacar los gases de escape de los motores de combustión interna con los que se cuenta, el de gasolina y el de diesel, estaba soldada a la caldera instalada como se puede ver en la siguiente figura.
FIGURA 17. Caldera soldada a la tobera de extracción de gases
Por lo que se debió considerar la idea de usar la T ubicada en el fondo del laboratorio que se encontraba sellada por una brida ciega de 28 cm de diámetro. Para el uso de la T se bajó la antigua brida (Figura 18) y se cambió por una fabricada con una salida (Figura 19), adicional a esto se adquirió un extractor EMI
38
de seis pulgadas de diámetro y se montó con unos anillos (O-rings) sobre la nueva brida, para evitar fugas en la extracción los gases de escape (Figura 20).
FIGURA 18. T usada para el sistema de extracción de gases
FIGURA 19. Brida fabricada para el sistema de extracción
FIGURA 20. Extractor EMI utilizado
39
En la siguiente figura se puede observa el montaje de la nueva brida con el extractor, con el fin de terminar el sistema de escape conectando una serie de tubos en acero y mangueras.
FIGURA 21. Brida montada en la T para la extracción
El sistema en resumen consta de:
• Un extractor EMI de 6 pulgadas de diámetro.
• Una brida con salida de 28 cm de diámetro.
• Un tubo en acero.
• Un tubo en acero en forma de L.
• Dos mangueras de caucho grueso.
• Una caneca de cinco galones en acero.
• Una manguera para alta temperatura. En la Figura 22 se puede observar una secuencia de imágenes del sistema de extracción de escape construido para la extracción de gases.
40
FIGURA 22. Sistema de extracción de gases
Los tubos usados son de acero AISI 1020. La caneca de cinco galones en acero se usó para expandir el gas, bajar la presión de este y disminuir la pérdida de potencia del motor. Las mangueras de caucho usadas aguantan entre 100°C y 150°C para las que se puede ver de color negro y para la de color rojo entre 180°C y 200°C (Figura 22 cuadros 4 y 5), esto con el fin de tener un rango más amplio de temperaturas ya que en promedio los gases en el exhosto salen entre 70°C y 90°C para velocidades de giro por debajo de 3000 rpm.
41
3.2 Adecuación del Motor Se empezó por revisar el estado de los elementos que conforman el sistema eléctrico del motor, los cuales son:
• La Batería: La cual permite arrancar el sistema y funciona a 12 Voltios.
• El Motor de Arranque: Es un motor eléctrico, el cual se encarga de poner en marcha el motor haciendo girar el volante de este.
• El Alternador: Es un generador de corriente alterna mediante inducción electromagnética, este debe ser alimentado y además recarga la batería.
• El Electro-ventilador: Es un dispositivo que se encarga de mantener la temperatura del motor, se encuentra delante del radiador, accionado por un termostato y aumentando el intercambio de calor entre el agua de refrigeración y el aire exterior. (Figura 23)
FIGURA 23. Electro-ventilador
• El Interruptor Maestro: Cierra el circuito entre todos los componentes del sistema eléctrico y la batería, este debe permanecer abierto durante toda la prueba y consta de un botón maestro para poner en marcha todo el sistema. (Figura 24)
42
FIGURA 24. Interruptor Maestro
De igual manera se revisó el funcionamiento del motor arrancándolo y dejándolo durante 10 minutos prendido y se encontró que el nivel de aceite en la aguja aumentaba, es decir que estaba pasando gasolina al cárter de aceite, en otras palabras la bomba estaba ligando la gasolina con el aceite, por lo que se procedió a revisar la bomba de gasolina y se encontró que esta estaba averiada ya que como se puede ver en la Figura 25 el diafragma de la bomba averiada (derecha) estaba desgastado y poroso comparado con el diafragma de la bomba nueva (izquierda).
FIGURA 25. Bombas de gasolina
43
De igual manera se dejó el ralentí del motor a 650 rpm, luego de instalar la nueva bomba de gasolina. Este procedimiento se hizo con el estroboscopio, detectando una banda reflectiva de color amarillo en la parte frontal del motor.
FIGURA 26. Velocidad de giro del motor en ralentí
44
4. CAPITULO IV – DISPOSITIVO DE MEDICION
En este capítulo se tratará la elección del dispositivo de medición teniendo en cuenta los estudiados en el capítulo II de este trabajo. Así como también se tratará la selección de los sensores, su funcionamiento, prueba y posterior montaje. El sistema de adquisición de datos seleccionado y su respectivo programa. Y su construcción final para pasar a la serie de pruebas de consumo.
4.1 Trabajo Previo de Medición de Consumo de combustible Se inició con el usó de un sistema gravimétrico de medición, el cual consta de una balanza, un cronómetro y un estroboscopio.
FIGURA 27. Medidor Gravimétrico 18
Una balanza para hacer mediciones de masa, un cronómetro para contabilizar el tiempo para la toma de datos y el estroboscopio para tener certeza de la velocidad de giro del motor, ya que el consumo de combustible depende directamente de variables como la cilindrada y la velocidad de giro del motor. Se uso como protocolo tomar datos cada 10 segundos de la balanza durante aproximadamente 12 minutos, teniendo en cuenta el peso del vaso vacío, y a los datos recolectados se les realizó la conversión de unidades a kilogramos de combustible por hora consumidos. (Figura 28)
18 Tomado de: Martyr, A. & Plint, M. (2007). Engine Testing (3rd ed). Warrendale: SAE International. Pág. 244
45
FIGURA 28. Toma de datos con ayuda de la balanza
Además antes de cargar la gasolina en el vaso calibrado, se determinó la densidad experimental de la gasolina usando un picnómetro de 100 ml y la balanza, por medio del peso mostrado por la balanza tanto del picnómetro vacio (27.6 gr) y del picnómetro cargado a 100 ml de combustible (104.36 gr), lo que arrojó una densidad experimental de 0.769 gr/ml para la gasolina.
FIGURA 29. Densidad experimental de la gasolina
La balanza que se utilizó fue una Lexus MIX-H con capacidad de 1100 gramos y precisión de 0,01 gramos y un cronómetro Hanhart disponible en el laboratorio (Figura 30).
46
FIGURA 30. Cronómetro para las pruebas
Para todo el montaje se dispuso de un soporte universal de manera de que la posición de la manguera de la tapa del vaso de combustible no afectará en el valor de peso suministrado por la balanza como se puede observar en la Figura 31.
FIGURA 31. Montaje usando la balanza
47
De la prueba de consumo se obtuvieron los siguientes datos:
FIGURA 32. Datos de consumo
Los picos que se observan en la figura anterior son debidos a que tomar cada 10 segundos el dato de la balanza es muy complicado y se llegó a reportar valores erróneos, por lo que se debió cambiar de sistema de medición por la poca exactitud de tomar el dato exacto de peso de la balanza en el tiempo preciso.
4.2 Sistema de Medición Escogido Luego de la regular experiencia anterior midiendo el consumo de combustible, se decidió usar un sistema volumétrico como el visto en el capítulo II.
FIGURA 33. Medidor Volumétrico 19
19 Tomado de: Martyr, A. & Plint, M. (2007). Engine Testing (3rd ed). Warrendale: SAE International. Pág. 243
48
El sistema diseñado en base al mostrado en la figura anterior cuenta con:
• Un vaso calibrado SCHOTT de 2000 ml.
• Una tapa en acrílico con un tubo de cobre para la succión del combustible.
• Una torreta porta sensores en acrílico.
• Cuatro sensores capacitivos AUTONICS CR18-88DP.
• Una tarjeta de adquisición de datos National Instruments.
• Un programa de adquisición para la determinación de los tiempos de detección entre cada uno de los sensores y un computador.
4.2.1 Calibración del vaso de vidrio
Se decidió calibrar el vaso teniendo en cuenta que el primer sensor está posicionado en la marca de 600 ml y luego van los otros tres sensores cada 400 ml hasta llegar a la marca de 1800 ml. Este procedimiento se realizó con una probeta de 1000 ml. El primer pasó fue el de depositar 600 ml de combustible en una probeta de 1000 ml, para luego pasarlo al vaso SCHOTT de 2000 ml y observar la diferencia en la marca para el vaso sin la tapa y con ella como se puede observar en la siguiente secuencia de fotografías.
FIGURA 34. Calibración del vaso para 600 ml
49
Con lo que nos dimos cuenta de que el volumen desplazado por el tubo de cobre de la tapa no es visible a simple viste y de igual forma para cada una de las marcas del vaso. (Ver Figuras 35, 36 y 37)
FIGURA 35. Calibración del vaso para 1000 ml
FIGURA 36. Calibración del vaso para 1400 ml
50
FIGURA 37. Calibración del vaso para 1800 ml
Por lo que se va a trabajar asumiendo que el volumen desplazado por el tubo de la tapa es despreciable frente al volumen del vaso. Con lo que las marcas de calibración de vaso se mantienen.
4.2.2 Selección, Montaje y Calibración de los Sensores
La elección de los sensores se hizo en base al sistema volumétrico seleccionado. Se buscó sensores que sirvieran para control de nivel en recipientes, en donde se encontraron los sensores inductivos y capacitivos. Los primeros solo con la función de detectar elementos metálicos en sus proximidades. Y los segundos con la capacidad de detectar gran variedad de materiales tanto metálicos como no metálicos cerca de sus proximidades, razón por la cual estos fueron los seleccionados y se va a profundizar un poco más en ellos.
4.2.2.1 Los Sensores Capacitivos
Los sensores capacitivos al aplicarles un voltaje responden a un cambio en su campo electrostático provocado por la presencia de un objeto que se encuentra dentro del campo del sensor. Este tipo de sensores permiten
51
detectar casi cualquier material o sustancia y detectar líquidos a través de paredes de recipientes plásticos o de vidrio.
Están compuestos por un elemento sensor que es un condensador
formado por un electrodo sensible y un electrodo de referencia. Los electrodos suelen ser un disco (el sensible) y un anillo (el de referencia), ambos metálicos separados por un material dieléctrico. El resto del sensor está formado por circuitos electrónicos y suelen estar embebidos en una resina para proporcionar sellado y soporte.
FIGURA 38. Componentes del sensor capacitivo20
Cuando un objeto se aproxima a la cara activa del sensor y entra en el campo electrostático de este, cambia la capacitancia del sensor activando el oscilador del mismo. El circuito disparador lee la amplitud del oscilador y cuando alcanza un nivel específico la salida del sensor cambia (Figura 39), esto se puede resumir en que si no detecta ningún objeto el sensor, la salida es de 0 Voltios, mientras que si detecta alguno, la salida cambia al voltaje de alimentación del sensor y se prende un LED de control que por lo general poseen.
20 Tomado de: http://www.scribd.com/doc/7852484/SENSORES-CAPACITIVOS
52
FIGURA 39. Sensor capacitivo más detallado21
El objetivo de detectar un elemento con un sensor capacitivo depende directamente de la constante dieléctrica del material, mientras esta sea más grande es más fácil de detectar el objeto.
TABLA 4. Constantes dieléctricas de algunos materiales22
Estos sensores disponen de un ajuste de sensibilidad multi-vueltas en la parte posterior, el cual ajusta el punto de actuación de acuerdo al material a detectar. Si se gira la perilla en el sentido en sentido horario el sensor se hace más sensible a objetos muy cercanos a la cara activa, mientras que si
21 Tomado de: http://galia.fc.uaslp.mx/~cantocar/automatas/PRESENTACIONES_PLC_PDF_S/25_SENSORES_CAPACITIVOS.PDF 22 Tomada de: http://www.fornvalls.com/pdfs/sens_capacitivos_es.pdf
se gira la perilla en sentido antiobjetos más lejanos a la cara activa
FIGURA 40
Algunas de las aplicaciones de estos senssiguiente figura
Los sensores adquiridos fueron unos AUTONICS CR18con 12 V y 15 mAde los sensores se puede obreferencia al polo del sensor.
23 IBIDEM
53
se gira la perilla en sentido anti-horario el sensor se hace más sensible a objetos más lejanos a la cara activa.
FIGURA 40. Ajuste de sensibilidad para el sensor capacitivo
Algunas de las aplicaciones de estos sensores se pueden observar en la siguiente figura.
FIGURA 41. Aplicaciones de los sensores capacitivos23
Los sensores adquiridos fueron unos AUTONICS CR18-88DP, que funcionan con 12 V y 15 mA, y tiene un alcance de 5.6 mm. El diagrama de conexión de los sensores se puede observar en la Figura 42, donde el cable café
polo positivo, el azul al polo negativo y el gris-negro
sensor se hace más sensible a
Ajuste de sensibilidad para el sensor capacitivo
pueden observar en la
88DP, que funcionan El diagrama de conexión
, donde el cable café hace negro a la salida
54
FIGURA 42. Diagrama de conexión Sensor AUTONICS CR18-88DP Las características de estos sensores más detalladas se encuentran en el ANEXO 1. Ficha técnica de los Sensores capacitivos AUTONICS.
4.2.2.2 Calibración Previa de los Sensores
Para calibrar los sensores se utilizó un vaso de vidrio calibrado SCHOTT de 600 ml, también se usó un trimmer o resistencia variable de 1kΩ con el fin de que la salida para el sensor activado fuese igual a 5 V para poder usar la tarjeta de adquisición de datos, ya que el rango de voltajes que esta puede aceptar es entre 0 y 10 V. También se calibró la sensibilidad de los sensores girando la perilla de sensibilidad por que el espesor de este vaso es un poco más grande (1.65 mm) frente al vaso SCHOTT de 2000 ml (1.5 mm).
FIGURA 43. Calibración de los sensores
4.2.2.3 Montaje de los Sensores
El montaje de los sensores se hizo en una torre de acrílico, a la cual se le hicieron cuatro agujeros como referenciausar. El primer agujero pasante hace referencia a la marca de 600 ml del vaso, el segundo a la de 1000 ml, y el tercero a la de 1400 ml y el cuarto a la de 1800 ml.
4.2.2.4 Calibración en el Mont
La calibración de los sensores probeta de 1000 mlde 2000 ml para calibrar la sensibilidad del primer sensor. Así mismo se hizo para los siguientes sensores, depositando 400 ml en la llegar a las marcas de 1000 ml, 1400 ml y 1800 ml y sensibilidad de cada uno de los sensores. En la siguiente figura se puede probeta con una pipeta
55
Montaje de los Sensores
El montaje de los sensores se hizo en una torre de acrílico, a la cual se le hicieron cuatro agujeros pasantes con las respectivas distancias tomando como referencia las marcas de calibración del vaso SCHOTT de 2000 ml a usar. El primer agujero pasante hace referencia a la marca de 600 ml del vaso, el segundo a la de 1000 ml, y el tercero a la de 1400 ml y el cuarto a la de 1800 ml.
FIGURA 44. Montaje de los sensores
Calibración en el Montaje final
a calibración de los sensores en el montaje final se realizó usando unade 1000 ml, la cual se llenó hasta 600 ml y se depositó en el vaso
de 2000 ml para calibrar la sensibilidad del primer sensor. Así mismo se hizo para los siguientes sensores, depositando 400 ml en la llegar a las marcas de 1000 ml, 1400 ml y 1800 ml y poder calibrar la sensibilidad de cada uno de los sensores.
En la siguiente figura se puede observar preparando la medida de la probeta con una pipeta de 10 ml.
El montaje de los sensores se hizo en una torre de acrílico, a la cual se le distancias tomando
el vaso SCHOTT de 2000 ml a usar. El primer agujero pasante hace referencia a la marca de 600 ml del vaso, el segundo a la de 1000 ml, y el tercero a la de 1400 ml y el cuarto a
se realizó usando una , la cual se llenó hasta 600 ml y se depositó en el vaso
de 2000 ml para calibrar la sensibilidad del primer sensor. Así mismo se hizo para los siguientes sensores, depositando 400 ml en la probeta, para
poder calibrar la
preparando la medida de la
56
FIGURA 45. Preparación de la medida de la probeta
Adicionalmente se puede observar una secuencia de fotos en la siguiente figura de la calibración de los sensores.
FIGURA 46. Calibración de los sensores en el montaje final
57
4.2.3 Programa para la adquisición de datos
El programa utilizado para adquirir la señal en voltaje dada por los sensores al detectar el combustible en el vaso, se diseñó y se implementó en LabVIEW versión 8.2 usando una tarjeta de adquisición de datos National Instruments y su respectivo módulo de entrada, en donde van conectadas una tierra común y las salidas de 5 V de cada uno de los sensores, provenientes del divisor de voltaje hecho con los trimmer.
FIGURA 47. Tarjeta National Instruments
Este programa consta de cuatro DAQ Assitant que representan las señales de salida de los sensores, localizando en cada DAQ el canal de conexión usado en el módulo de entrada de la tarjeta de adquisición.
DAQ Assitant Canal de conexión Sensor 1 0 1 2 1 2 3 2 3
4 3 4 TABLA 5. Orden de conexión de los sensores
Los sensores están ordenados de abajo hacia arriba empezando en 1 y terminando en 4. En la siguiente figura se puede ver el orden de conexión en la tarjeta de adquisición respecto a cada sensor y su ubicación en el vaso.
58
FIGURA 48. Orden de conexión de los sensores en la Tarjeta
Las señales adquiridas son graficadas y además se guarda un archivo de texto en el que se muestran dos columnas una con el tiempo en segundos y otra con el voltaje emitido por los sensores. Igualmente el programa tiene una salida de nivel en el que existen 4 posibles niveles dependiendo de las combinaciones de los sensores, las cuales son: Nivel 1 – sensor 1 prendido y los demás apagados. Nivel 2 – sensor 1 y sensor 2 están prendidos. Nivel 3 – sensor 1, sensor 2 y sensor 3 están prendidos. Nivel 4 – todos los sensores están prendidos. Si la combinación no es ninguna de las anteriores, la salida de nivel marca 5 que representa un error en la combinación posible para el descenso en el nivel de combustible del vaso. La salida de nivel también muestra una gráfica y guarda un archivo de texto con el tiempo y el nivel.
4.2.4 Montaje final y P El montaje final se puede observar en variable de voltaje fijada en 12 voltios alimenta a los sensores, los cuales a la salida luego del paso por el divisor de voltaje para cada uno, bajan el voltaje de salida a 5 voltios y este es el que detecta la tarjetde datos y los grafica en el programa de LabVIEW implementado.
59
FIGURA 49. Programa implementado en LabVIEW
Montaje final y Prueba de funcionamiento
El montaje final se puede observar en la siguiente figura, donde una fuente variable de voltaje fijada en 12 voltios alimenta a los sensores, los cuales a la salida luego del paso por el divisor de voltaje para cada uno, bajan el voltaje de salida a 5 voltios y este es el que detecta la tarjeta de adquisición de datos y los grafica en el programa de LabVIEW implementado.
la siguiente figura, donde una fuente variable de voltaje fijada en 12 voltios alimenta a los sensores, los cuales a la salida luego del paso por el divisor de voltaje para cada uno, bajan el
a de adquisición de datos y los grafica en el programa de LabVIEW implementado.
60
FIGURA 50. Montaje final
La prueba de funcionamiento se realizó con el motor girando a su velocidad mínima posible (Ralentí) de 650 rpm. Esta prueba duró aproximadamente 50 minutos y los tiempos de inicio y fin hace referencia a cuando se apagan el sensor 4 y el sensor 1 respectivamente.
En la Figura 51 se puede ver el programa de LabVIEW funcionando en el instante en que se empezó a adquirir datos. Y en la Figura 52 se puede observar una secuencia de imágenes tomadas para los instantes en que cada sensor dejaba de detectar el nivel de combustible en el vaso y por consiguiente la señal de salida era de cero voltios.
FIGURA 51. Programa en funcionamiento
61
FIGURA 52. Secuencia de la prueba
Todas las demás pruebas se realizaron de forma idéntica, variando como parámetro la velocidad de giro del motor. Cabe aclarar que el motor en ningún momento se pudo carga, porque no se contaba con un dinamómetro en el laboratorio, equipo adquirido que llegó casi al final de semestre proveniente de Alemania de la empresa KAHN Industries Inc.
62
5. CAPITULO V – PRUEBAS DE CONSUMO
El protocolo utilizado para realizar las pruebas de consumo con el motor de combustión interna de Renault 12, es el siguiente:
1. Usar los implementos de seguridad adecuados como la bata y las gafas, antes de empezar cada prueba.
2. Asegurarse de que los sensores de CO2 del laboratorio estén encendidos, para evitar cualquier tipo de peligro en el aire circundante.
3. Encender el motor. 4. Dejar calentando el motor durante 5 minutos en ralentí. 5. Acelerar el motor hasta las revoluciones requeridas para la prueba. 6. Llenar el vaso de combustible por encima de la marca de 1800 ml y el sensor 4
detecte el combustible. 7. Empezar a correr el programa de adquisición de datos de LabVIEW. 8. Realizar la prueba hasta que el nivel de combustible sea inferior a la marca de 600
ml y se apague el sensor 1. 9. Apagar el motor y dejar reposar media hora hasta la siguiente prueba. 10. Repetir varias veces más la prueba para cada una de las velocidades de giro
seleccionadas.
Para cada una de las velocidades se realizó una única prueba completa, teniendo en cuenta la gran duración de estas y que para cada una de las pruebas hay tres marcas calibradas de 400 ml entre los cuatro sensores, con lo que se verificaría el tiempo de consumo para cada volumen tres veces durante la misma prueba. En la siguiente tabla se puede observar las velocidades de giro elegidas para realizadas las pruebas de consumo.
Prueba Nº Velocidad de giro (rpm) 1 650 2 900 3 1200 4 1500 5 1700 6 2000 7 2300 8 2500
TABLA 6. Velocidades de giro elegidas para las pruebas
63
6. CAPUTILO VI – RESULTADOS
Para cada una de las pruebas se tomaron los datos guardados por el programa, se registraron los tiempos en que cada nivel cambiaba, verificados con los valores de cada sensor, y se graficaron.
6.1 Prueba N°1 - Velocidad de giro de 650 rpm
Esta prueba tuvo una duración aproximada de 45 minutos.
Volumen Calibrado
(ml) Δ Tiempo
(s) Δ Tiempo
(min)
Volumen Acum.
(ml) Tiempo
Acum. (s)
Consumo de combustible
(kg/hr)
Consumo de combustible
(L/hr)
Consumo de combustible
(Gal/hr)
Nivel 3-2 400 894.05 14.90 400 894.05 1.24 1.61 0.43
Nivel 2-1 400 894.59 14.91 800 1788.64 1.24 1.61 0.43
Nivel 1-0 400 894.14 14.90 1200 2682.78 1.24 1.61 0.43 TABLA 7. Datos Prueba N°1 a velocidad constante
FIGURA 53. Consumo acumulado para la Prueba N°1
y = 0,447x + 0,032R² = 1
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Vol
umen
con
sum
ido
(ml)
Tiempo (s)
Consumo de Combustible Acumulado
64
6.2 Prueba N°2 - Velocidad de giro de 900 rpm
Esta prueba tuvo una duración aproximada de 35 minutos.
Volumen Calibrado
(ml) Δ Tiempo
(s) Δ Tiempo
(min)
Volumen Acum.
(ml) Tiempo
Acum. (s)
Consumo de combustible
(kg/hr)
Consumo de combustible
(L/hr)
Consumo de combustible
(Gal/hr)
Nivel 3-2 400 697.84 11.63 400 697.84 1.59 2.06 0.55
Nivel 2-1 400 697.81 11.63 800 1395.66 1.59 2.06 0.55
Nivel 1-0 400 697.92 11.63 1200 2093.58 1.59 2.06 0.55 TABLA 8. Datos Prueba N°2 a velocidad constante
FIGURA 54. Consumo acumulado para la Prueba N°2
6.3 Prueba N°3 - Velocidad de giro de 1200 rpm
Esta prueba tuvo una duración aproximada de 29 minutos.
Volumen Calibrado
(ml) Δ Tiempo
(s) Δ Tiempo
(min)
Volumen Acum.
(ml) Tiempo
Acum. (s)
Consumo de combustible
(kg/hr)
Consumo de combustible
(L/hr)
Consumo de combustible
(Gal/hr)
Nivel 3-2 400 575.81 9.60 400 575.81 1.92 2.50 0.66
Nivel 2-1 400 575.63 9.59 800 1151.44 1.92 2.50 0.66
Nivel 1-0 400 575.61 9.59 1200 1727.05 1.92 2.50 0.66 TABLA 9. Datos Prueba N°3 a velocidad constante
y = 0,573x + 0,007R² = 1
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 500 1000 1500 2000 2500
Vol
umen
con
sum
ido
(ml)
Tiempo (s)
Consumo de Combustible Acumulado
65
FIGURA 55. Consumo acumulado para la Prueba N°3
6.4 Prueba N°4 - Velocidad de giro de 1500 rpm
Esta prueba tuvo una duración aproximada de 24 minutos.
Volumen Calibrado
(ml) Δ Tiempo
(s) Δ Tiempo
(min)
Volumen Acum.
(ml) Tiempo
Acum. (s)
Consumo de combustible
(kg/hr)
Consumo de combustible
(L/hr)
Consumo de combustible
(Gal/hr)
Nivel 3-2 400 465.39 7.76 400 465.39 2.38 3.09 0.82
Nivel 2-1 400 465.63 7.76 800 931.02 2.38 3.09 0.82
Nivel 1-0 400 465.58 7.76 1200 1396.59 2.38 3.09 0.82 TABLA 10. Datos Prueba N°4 a velocidad constante
FIGURA 56. Consumo acumulado para la Prueba N°4
y = 0,694x - 0,041R² = 1
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 500 1000 1500 2000
Vol
umen
con
sum
ido
(ml)
Tiempo (s)
Consumo de Combustible Acumulado
y = 0,859x + 0,052R² = 1
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Vol
umen
con
sum
ido
(ml)
Tiempo (s)
Consumo de Combustible Acumulado
66
6.5 Prueba N°5 - Velocidad de giro de 1700 rpm
Esta prueba tuvo una duración aproximada de 22 minutos.
Volumen Calibrado
(ml) Δ Tiempo
(s) Δ Tiempo
(min)
Volumen Acum.
(ml) Tiempo
Acum. (s)
Consumo de combustible
(kg/hr)
Consumo de combustible
(L/hr)
Consumo de combustible
(Gal/hr)
Nivel 3-2 400 443.72 7.40 400 443.72 2.50 3.25 0.86
Nivel 2-1 400 443.58 7.39 800 887.30 2.50 3.25 0.86
Nivel 1-0 400 443.39 7.39 1200 1330.69 2.50 3.25 0.86 TABLA 11. Datos Prueba N°5 a velocidad constante
FIGURA 57. Consumo acumulado para la Prueba N°5
6.6 Prueba N°6 - Velocidad de giro de 2000 rpm
Esta prueba tuvo una duración aproximada de 20 minutos.
Volumen Calibrado
(ml) Δ Tiempo
(s) Δ Tiempo
(min)
Volumen Acum.
(ml) Tiempo
Acum. (s)
Consumo de combustible
(kg/hr)
Consumo de combustible
(L/hr)
Consumo de combustible
(Gal/hr)
Nivel 3-2 400 391.00 6.52 400 391.00 2.83 3.68 0.97
Nivel 2-1 400 390.72 6.51 800 781.72 2.83 3.68 0.97
Nivel 1-0 400 390.78 6.51 1200 1172.50 2.83 3.68 0.97 TABLA 12. Datos Prueba N°6 a velocidad constante
y = 0,901x - 0,071R² = 1
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Vol
umen
con
sum
ido
(ml)
Tiempo (s)
Consumo de Combustible Acumulado
67
FIGURA 58. Consumo acumulado para la Prueba N°6
6.7 Prueba N°7 - Velocidad de giro de 2300 rpm
Esta prueba tuvo una duración aproximada de 19 minutos.
Volumen Calibrado
(ml) Δ Tiempo
(s) Δ Tiempo
(min)
Volumen Acum.
(ml) Tiempo
Acum. (s)
Consumo de combustible
(kg/hr)
Consumo de combustible
(L/hr)
Consumo de combustible
(Gal/hr)
Nivel 3-2 400 369.28 6.15 400 369.28 3.00 3.90 1.03
Nivel 2-1 400 369.08 6.15 800 738.36 3.00 3.90 1.03
Nivel 1-0 400 369.16 6.15 1200 1107.52 3.00 3.90 1.03 TABLA 13. Datos Prueba N°7 a velocidad constante
FIGURA 59. Consumo acumulado para la Prueba N°7
y = 1,023x - 0,073R² = 1
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Vol
umen
con
sum
ido
(ml)
Tiempo (s)
Consumo de Combustible Acumulado
y = 1,083x - 0,049R² = 1
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 200 400 600 800 1000 1200
Vol
umen
con
sum
ido
(ml)
Tiempo (s)
Consumo de Combustible Acumulado
68
6.8 Prueba N°8 - Velocidad de giro de 2500 rpm
Esta prueba tuvo una duración aproximada de 18 minutos.
Volumen Calibrado
(ml) Δ Tiempo
(s) Δ Tiempo
(min)
Volumen Acum.
(ml) Tiempo
Acum. (s)
Consumo de combustible
(kg/hr)
Consumo de combustible
(L/hr)
Consumo de combustible
(Gal/hr)
Nivel 3-2 400 356.08 5.93 400 356.08 3.11 4.04 1.07
Nivel 2-1 400 355.52 5.93 800 711.59 3.11 4.05 1.07
Nivel 1-0 400 356.50 5.94 1200 1068.09 3.11 4.04 1.07 TABLA 14. Datos Prueba N°8 a velocidad constante
FIGURA 60. Consumo acumulado para la Prueba N°8
6.9 Resumen de las Pruebas
Si se tabula el consumo de combustible en función de la velocidad de giro del motor de cada prueba se encuentra que el consumo de combustible para el motor sin cargar es de forma lineal como se puede en la siguiente gráfica.
y = 1,123x + 0,031R² = 1
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 200 400 600 800 1000 1200
Vol
umen
con
sum
ido
(ml)
Tiempo (s)
Consumo de Combustible Acumulado
69
Prueba Oficial Velocidad de giro del motor (rpm) Consumo Promedio (kg/hr) 1 650 1,24 2 900 1,59 3 1200 1,92 4 1500 2,38 5 1700 2,50 6 2000 2,83 7 2300 3,00 8 2500 3,11
TABLA 15. Consumo promedio de la pruebas
FIGURA 61. Consumo de combustible experimental
y = 0,001x + 0,691R² = 0,977
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
500 1000 1500 2000 2500 3000
cons
umo
de c
ombu
stib
le (k
g/hr
)
ω (rpm)
Consumo de Combustible
Consumo Experimental
70
7. CAPITULO VII – ANALISIS DE RESULTADOS Si recordamos el modelo teórico para el consumo de combustible:
Donde: Vd hace referencia al desplazamiento o cilindrada del motor en metros cúbicos, N
a la velocidad de giro en rpm, ev a eficiencia volumétrica del combustible y !" a la
relación aire-combustible.
Tomando como parámetros:
Vd (m3) 0,0013 ρ aire (kg/ m3) 0,89
eν 0,85 (A/C)teo 15
TABLA 16. Parámetros teóricos para el consumo
Y se compara con los resultados experimentales obtenidos para el consumo de combustible. Se encuentra que el modelo teórico es muy conservador, y aunque no explica del todo el fenómeno se ajusta un poco al valor encontrado experimentalmente. Como se puede observar en la siguiente tabla y figura.
Prueba Velocidad de giro (rpm) C experimental (kg/hr) C teórico (kg/hr) Error (%) 1 650 1,24 1,28 3,01% 2 900 1,59 1,77 10,18% 3 1200 1,92 2,36 18,65% 4 1500 2,38 2,95 19,33% 5 1700 2,50 3,34 25,23% 6 2000 2,83 3,93 28,06% 7 2300 3,00 4,52 33,69% 8 2500 3,11 4,92 36,75%
TABLA 17. Comparación entre el consumo experimental y el teórico
71
FIGURA 62. Comparación entre el consumo experimental y el teórico
Esta diferencia es probablemente debida a que en el modelo teórico haga falta alguna consideración, y a que durante las pruebas al momento de prenderse el radiador causado por el alza de temperatura, la velocidad de giro del motor baja casi 150 rpm. Pero está claro que de la teoría al campo práctico los eventos y resultados pueden variar un poco frente a los esperados.
y = 0,001x + 0,691R² = 0,977
y = 0,002xR² = 1
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
0 500 1000 1500 2000 2500 3000cons
umo
de c
ombu
stib
le (k
g/hr
)
ω (rpm)
Consumo de Combustible
Experimental Teórico
72
8. CAPITULO VIII – CONCLUSIONES
• Se entendió el fenómeno del consumo de combustible, el cual es dependiente de la velocidad de giro del motor y de la carga. Arrojando resultados lineales para el caso en que no está cargado.
• Se obtuvo un sistema de medición adecuado gracias a la selección cuidadosa de cada una de las partes y elementos utilizados en el sistema. Aunque fue un poco tedioso la calibración de los sensores, y que de igual manera se logró con éxito.
• Se pudo observar que las pruebas que se realizaron eran de larga duración, de más de 15 minutos, por lo que se puede aconsejar cambiar el vaso calibrado por uno igual de alto, pero con menor diámetro a forma de sugerencia para realizar pruebas de corta duración.
• Se desarrolló un dispositivo para la medición de consumo de combustible de manera exitosa. Este dispositivo resulto siendo:
De fácil acople al motor y portátil. Cómodo de conectar a la adquisición de datos. Con un programa visual y sin muchas complicaciones para el manejo. Independiente del tipo de motor y combustible usado.
• En un futuro este trabajo puede ser útil para sacar el consumo del motor para la condición en la que este cargado con el dinamómetro y se puedan llegar a otras relaciones como por ejemplo el efecto de la carga sobre el consumo de combustible en el motor.
• En un futuro se espera que el programa de adquisición sea refinado logrando una interfaz más fácil de entender para el usuario.
73
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ANEXO 1. Ficha técnica de los Sensores capacitivos
75
1. Ficha técnica de los Sensores capacitivos AUTONICS
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77
78
ANEXO 2. Programa de LabVIEW
- Diagrama de bloques
79
IEW diseñado
Diagrama de bloques
- Panel gráfico frontal
80
rontal