estudio de los procesos de admision y formacion de la mezcla aire-combustible en un motor ech
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Motores de Combustión Interna
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
Facultad de Ingeniería Mecánica
LABORATORIO DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
“ESTUDIO DE LOS PROCESOS DE ADMISION Y FORMACION DE LA MEZCLA AIRE-COMBUSTIBLE
EN UN MOTOR ECH”
MN 136 “D”
Curso: Motores de combustión internaProfesor: Dr. Lira Cacho Juan
Alumnos:
Goyburo Peña Daniel. 20022567HGómez Velarde Jesús A. 20022153ITipte Pino Nelson. 20021057FYalico Alfaro Ramon 20022511B
Ingeniería Mecánica
Motores de Combustión Interna
UNI - 2023 - II ESTUDIO DE LOS PROCESOS DE ADMISION Y DE FORMACION
DE LA MEZCLA EN LOS MOTORES DE ENCENDIDO POR
CHISPA
OBJETIVO.
Familiarizar al alumno con el funcionamiento de un motor de encendido por chispa y
conocer la metodología experimental para la obtención de las características
principales de un motor de esta clase.
Determinar la influencia de los regímenes de funcionamiento y los parámetros
constructivos del motor sobre los coeficientes de llenado (eficiencia volumétrica) y
de exceso de aire, que son los parámetros que caracterizan el proceso de admisión y
de formación de la mezcla.
FUNDAMENTO TEORICO.
PROCESO DE ADMISION.
Para realizar el ciclo de trabajo de un motor de combustion interna es preciso
expulsar del cilindro los gases residuales e ingresar en éste la carga fresca del aire o
mezcla aire-combustible. Los procesos de admisión y de escape están vinculados entre
sí y en función del número de tiempos del motor, así como también del procedimiento
de admisión. La cantidad suministrada de carga fresca depende de la calidad con que se
limpia el cilindro del motor. Es por eso que el proceso de admisión se analiza tomando
en cuenta el desarrollo del proceso de escape, estudiando todo el proceso de
intercambio gaseoso.
La disminución de la presión en el sistema de admisión y en el cilindro depende
del régimen de velocidad del motor, de las resistencias hidráulicas en todos los
elementos del sistema, del área de las secciones de paso por donde se desplaza la carga
fresca y de su densidad. Después de abrir la válvula de admisión, cuando la presión en
el cilindro resulte menor que la presión del medio ambiente en la magnitud Pa,
empieza la admisión de la carga fresca al cilindro; con al apertura de las válvulas de
admisión.
La velocidad de movimiento de las válvulas al principio y al final de su
desplazamiento es pequeña. En consecuencia, el movimiento en el instante de apertura
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de la válvula y en el momento de su acercamiento contra el asiento se efectúa
lentamente. En este instante las secciones de paso entre la cabeza y el asiento de la
válvula son pequeñas.
Para obtener mayor apertura de la sección de paso de las válvulas en el periodo
cuando la velocidad de movimiento del pistón es la maxima y se crean condiciones para
elevar la velocidad de entrada o de salida del gas, así como también para utilizar en lo
máximo los efectos que producen los procesos inerciales en los sistemas de admisión y
escape sobre el barrido y llenado de los cilindros, se amplían las fases de la distribución
de los gases.
Parámetros de Proceso de Admisión.
La cantidad de carga fresca que ingresa en el proceso de admisión, es decir el
llenado del cilindro, depende de los siguientes factores:
1) La resistencia hidráulica en el sistema de admisión, que hace disminuir la presión de
la carga suministrada en la magnitud ∆p;
2) De la existencia de cierta cantidad Mr de productos quemados(gases residuales) en
el cilindro, que ocupan parte del volumen;
3) Del calentamiento de la carga por las superficies de las paredes del sistema de
admisión y del espacio interior del cilindro en la magnitud ∆T, como consecuencia
del cual disminuye la densidad de la carga introducida.
Presión en el cilindro en el periodo de llenado.
Durante la admisión de la mezcla carburante en el cilindro del motor de
carburador de cuatro tiempos se efectúa a la presión Pa =0,75 - 0,95 bar. La existencia
de resistencias en el sistema de admisión conduce a que la cantidad de carga fresca que
entra en el cilindro del motor, disminuye debido al decrecimiento de la densidad de la
carga. Cuando más grande es la resistencia de admisión, tanto menor será Pa.
En los motores con regulación preponderante cuantitativa (carburador, a gas ,
con inyección de combustible ligero y encendido por chispa) al disminuir la carga hay
que entornar la mariposa de gases, lo que conduce a un incremento de las resistencias.
Cantidad de gases residuales.
En el proceso de escape no se logra desalojar por completo del cilindro los
productos de combustión, ocupando éstos cierto volumen a presión Pr y temperatura
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Tr. En el proceso de admisión los gases residuales se expanden y, mezclándose con la
carga fresca que ingresa, hacen disminuir el llenado del cilindro. La cantidad de gases
residuales depende del procedimiento empleado para limpiar el cilindro, así como de la
posibilidad de barrido del cilindro por la carga fresca. La cantidad de gases residuales
se caracteriza por una magnitud relativa denominada coeficiente de gases residuales γr
γr = Mr/M1
Mr = Pr Vc/ Rv Tr ;
El coeficiente γr disminuye al aumenta la relación de compresión es así que en
los motores a gasolina el coeficiente γr es mayor que en los motores Diesel.
Temperatura de calentamiento de la carga.
La carga fresca durante su movimiento por el sistema de admisión y dentro del
cilindro entra en contacto con las paredes calientes, levantándose su temperatura en ∆T.
El grado de calentamiento de la carga depende de la velocidad de su movimiento, de la
duración de la admisión, así como de la diferencia de temperaturas entre las paredes y la
carga. Al aumentar la temperatura de la carga su densidad disminuye, por eso el
calentamiento especial del sistema de admisión en el motor de carburador es
conveniente sólo hasta cierto límite correspondiente al calor necesario para la
vaporización del combustible. El calentamiento excesivo influye negativamente sobre el
llenado del cilindro.
Coeficiente de Llenado o Eficiencia Volumétrica (nv).
El grado de perfección del proceso de admisión se evalúa por el coeficiente de
llenado o rendimiento volumétrico ηv que es la razón entre la cantidad de carga fresca
que se encuentra en el cilindro al inicio de la compresión real, es decir, al instante en
que se cierran los órganos del intercambio de gases, y aquella cantidad de carga fresca
que podría llenar la cilindrada en las condiciones de admisión. Las condiciones de
admisión para los motores de cuatro tiempos sin sobrealimentación son Pk = P0 y la
temperatura Tk = T0 del medio ambiente, para los motores sobrealimentados de dos y
cuatro tiempos, la presión Pk y la temperatura Tk después de compresor.
Factores que influyen sobre el coeficiente de llenado.
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Sobre el valor del coeficiente de llenado influyen la presión y la temperatura al final
de la admisión, el calentamiento de la carga, el coeficiente de gases residuales, la
temperatura y presión de los gases residuales y la relación de compresión, los
coeficientes de recarga y barrido.
Relación de Compresión. Si los demás parámetros se mantienen constantes, entonces
para mayores valores de , el coeficiente v aumenta. En realidad, al crecer varían
también otros parámetros; además influye sobre v la calidad del barrido de la cámara
de combustión. Siendo el barrido completo de la cámara con el aumento de el
coeficiente v disminuye. Sin embargo, al elevar , v puede tanto aumentar como
disminuir; esto muestra que la relación de compresión no influye prácticamente sobre
v.
Presión al final de la admisión. La presión Pa es la que ejerce la mayor influencia
sobre el v. La disminución de Pa depende de las resistencias en el sistema de
admisión varían proporcionalmente al cuadrado de la velocidad media de la carga.
Sobre al magnitud de la presión al de la admisión; influyen también el diseño del
colector de admisión, el acabado de las superficies internas de las paredes del sistema
de admisión, la posición de la mariposa de gases y el régimen de velocidad.
Al aumentar la velocidad de la carga, el coeficiente v disminuye, lo cual debe
tenerse en cuenta al diseñar el sistema de admisión cuando se requiere aumentar a la
velocidad de la carga.
Presión y temperatura en la entrada. La presión de la carga en la entrada ejerce cierta
influencia sobre la magnitud de v . Al aumentar Pk la magnitud de v se incrementa.
Con el aumento de la temperatura Tk, por efecto de la menor diferencia entre las
temperaturas de las paredes y del aire, la intensidad del intercambio de calor y la
magnitud T disminuyen, mientras que v crece. En los motores de carburador, siendo
la temperatura Tk elevada, mayor cantidad de calor, introducida con el aire, se gasta
también en el calentamiento y vaporización del combustible, así como para recalentar
sus vapores.
Presión de gases residuales. La presión Pr también influye sobre v. El aumento de la
presión Pr , manteniendo constante la temperatura Tr , corresponde a la presencia de
mayor cantidad de gases residuales en el cilindro. En este caso gran parte de la carrera
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del pistón desde el P.M.S. se gasta para la expansión de los gases residuales y la
admisión comienza más tarde, como consecuencia de lo cual el coeficiente v
disminuye.
La presión Pr ejerce veces menos influencia sobre v que la presión al final de
la admisión Pa. La presión Pr depende de las condiciones de organización del escape y
de la resistencia del conducto de escape. Lo mismo que en el sistema de admisión, la
resistencia del sistema de escape se proporcional al cuadrado de la velocidad de salida
de gas en la sección mínima de paso, y por tanto es proporcional al cuadrado de la
frecuencia de rotación del cigüeñal del motor.
Tomando en cuenta la menor influencia de Pr sobre v , en algunas estructuras
de motores disminuyen las secciones de paso de las válvulas de escape en cierta medida
aumentando respectivamente las secciones de paso de las válvulas de admisión,
obteniendo de esta manera el incremento de v.
Barrido. El coeficiente v puede elevarse mediante el barrido de la cámara de
combustión. El barrido en los motores de cuatro tiempos se realiza en el periodo de
traslapo de válvulas.
Calentamiento de la carga. El calentamiento de la carga influye notoriamente sobre
v. En los motores con carburador parte del calor introducido con el aire se gasta en
calentar y evaporar la gasolina. El incremento injustificado de calor conduce a una
disminución del coeficiente v y de la carga másica.
Llenado del motor a n = constante variando la carga. Al disminuir la carga del
motor de carburador y cerrar respectivamente la mariposa de gases, las perdidas
hidráulicas se incrementan, lo que conduce a la variación del carácter con que
transcurre el proceso de intercambio gaseoso. Al cerrar demasiado la mariposa de gases,
el coeficiente de gases residuales r crece. Debido a la menor temperatura de la
superficie, a causa de disminuir la carga, el calentamiento de la carga decrece un poco.
Sin embargo la variación de T es en este caso insignificante. Como resultado de la
acción conjunta de estos factores, al reducir la carga el coeficiente v también
disminuye.
Influencia de la variación de n sobre el llenado de los motores de cuatro tiempos.
Cuando el motor funciona cambiando la frecuencia de rotación y a máxima carga sobre
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la calidad del llenado influyen la resistencia en el sistema de admisión, el calentamiento
de la carga y la presencia de gases residuales. Al mismo tiempo, ejercen gran influencia
las fases de distribución de los gases y los fenómenos ondulatorios que aparecen en los
sistemas de admisión y escape.
Cuando la frecuencia de rotación aumenta la resistencia del sistema crece
proporcionalmente al cuadrado de la misma,; el coeficiente de gases residuales aumenta
un poco. Como consecuencia de esto al incrementar la frecuencia de rotación, si no se
toma en consideración la influencia de las fases de distribución de gases y las fugas de
los gases a través de los anillos y si suponemos que 2=s=1 ,el coeficiente v debe
disminuir.
Mediante la apropiada elección de las fases de admisión y escape se logra
obtener las relaciones, correspondientes a las condiciones de explotación, entre la
cantidad de carga suministrada Gc y el rendimiento volumétrico v en función de n. Al
aumentar la frecuencia de rotación, v al principio crece y luego, después de alcanzar su
máximo valor, decrece.
Al disminuir la frecuencia de rotación, en comparación con su valor para el cual
v es el máximo, este coeficiente disminuye debido a que las fases elegidas no
corresponden al régimen dado de velocidad, así como a causa del escape parte de la
carga al final de la admisión (cuando el pistón se mueve desde el P.M.I. hacia el P.M.S)
retornando al sistema de admisión. Al aumentar a la frecuencia de rotación, en
comparación con el valor correspondiente al máximo v, el coeficiente v disminuye
como resultado del incremento de la resistencia en la admisión y de la influencia de
otros factores anteriormente mencionados.
Para los motores a carburador, al disminuir a la carga van cerrando la mariposa,
por lo tanto las resistencias en el sistema de admisión se incrementan y con el aumento
de n el coeficiente v disminuye bruscamente. A medida que se va cerrando la mariposa
de gases va creciendo la depresión en el espacio situado detrás de ella; la función v=
f(n), se convierte en hiperbólica.
En cierta gama de frecuencias de rotación el coeficiente v puede elevarse
mediante una efectiva utilización de los fenómenos ondulatorios en los conductos de
escape y admisión.
Al funcionar en los regímenes nominales el coeficiente v varia entre los limites
de 0,75 - 0,85 en los motores de carburador.
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PROCESO DE FORMACION DE LA MEZCA EN LOS MOTORES DE
ENCENDIDO POR CHISPA.
La formación de la mezcla aire-combustible en los motores de carburador, en
particular en los encendido por chispa, transcurre en el sistema de admisión y antecede
al encendido de la carga. Par obtener una formación homogénea de la mezcla aire -
combustible se necesario que la distribución de los vapores de combustible en el aire
sea uniforme, se decir, la relación entre el numero de las moléculas de combustible y el
numero de moléculas de oxigeno del aire que las rodean resulte igual en todo el
volumen de la cámara de combustión. Esta condición puede observarse si el
combustible y el aire conforman una mezcla carburante homogénea y además es
necesario que el combustible se evapore por completo.
El parámetro que influye en gran medida en el proceso de formación de la
mezcla en los motores de encendido por chispa es el coeficiente de exceso de aire.
Coeficiente de Excesos de aire.
En el motor e combustión interna la cantidad de aire realmente consumida puede
ser, en función del tipo de formación de la mezcla, de las condiciones de encendido y
combustión, así como del régimen de funcionamiento, mayor, igual o menor que la
necesaria teóricamente para la combustión completa.
La relación entre la cantidad real de aire que ingresa al cilindro el motor y la
cantidad de aire teóricamente necesaria para la combustión de 1 kg. de carburante, se
denomina coeficiente de exceso de aire, y se designa con la letra
Siendo l0 la mezcla estequiométrica, el coeficiente de exceso de aire
si(insuficiencia de oxigenola mezcla se denomina rica,; cuando
(exceso de oxigeno), la mezcla se denomina pobre.
En los motores de gasolina con encendido de la mezcla homogénea por chispa y
con regulación combinada, cuando la mariposa de gases esta completamente abierta, la
mayor economicidad y el transcurso suficientemente estable del proceso de combustión
se logra siendo a= 1,1...1,3. La maxima potencia de estos motores se obtiene
enriqueciendo ligeramente la mezcla (= 0,85…0,90). Para alcanzar un trabajo estable
del motor a bajas cargas y en vacío se necesita un mayor enriquecimiento de mezcla. En
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el caso de <1, debido a la insuficiencia de oxigeno, el combustible no se quema
totalmente, como consecuencia de lo cual durante la combustión el desprendimiento de
calor es incompleto y en los gases de escape aparecen los productos de la oxidación
incompleta (CO, H, CH4 y otros).
EQUIPOS E INSTRUMENTOS.
1. Banco de ensayos con freno eléctrico, motor de encendido por chispa y tablero de
control.
2. Dispositivo para medir el consumo de combustible, por el método volumétrico.
3. Manómetro para medir la presión del aire.
4. Tacómetro.
5. Termómetros.
PROCEDIMIENTO.
Mediciones a realizar:
1. Fuerza en el dinamómetro (Kg)
2. Velocidad de rotación del cigüeñal (r.p.m.)
3. Diferencia de presiones en el medidor de caudal de aire
4. Tiempo de consumo de combustible
5. Temperatura del refrigerante
6. Presión y temperatura del aceite
Parámetros a calcular:
1.- Par motor:
Me = F. L (N-m)
Donde:
F: fuerza aplicada en el dinamómetro (N)
L : brazo del freno (m).
2.- Potencia del motor:
(Kw.)
Donde:
Me: par motor (N-m).
n: velocidad de rotación del cigüeñal (r.p.m.)
3.- Coeficiente de exceso de aire:
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Donde:
Gar: consumo de aire real (kg/h)
Gc : consumo de combustible (kg/h)
l0: relación estequiométrica (l0 = 14,8 )
Donde:
c : densidad de la gasolina de 84 octanos.
Donde:
h20 : densidad del agua en kg./m3
S. Sen 15º: lectura del Manómetro en m.
a : densidad del aire en kg./m3
Af : área de la sección de estrangulamiento del medidor (m2)
Df = 1” = 2,54 cm.
Cd : coeficiente de descarga (0,75)
4.- Coeficiente de llenado o Eficiencia Volumétrica nv:
Donde:
Gar : consumo horário de aire real (kg/h)
a : densidad del aire (kg/m3)
VH : cilindrada (796 cm3)
Procedimiento Experimental
Primer Ensayo.
1. Comprobar el funcionamiento adecuado de los equipos que conforman el banco de
ensayos.
2. Arrancar el motor, para lo cual se realizara los siguientes pasos:
Prender el motor eléctrico primario.
Conectar la llave de transmisión de corriente desde el generador primario hasta
el sistema de arranque del motor.
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Conectar las dos llaves de alimentación ubicados en el motor de control
primario (de arranque).
Poner la manija de arranque del tablero secundario (de carga) en “start”.
Arrancar el motor moviendo la palanca de excitación de corriente de freno.
Esperar que la palanca de excitación vuelva a su posición inicial.
Con la mariposa de gases del carburador establecer el régimen de velocidad del
motor igual a 2200 r.p.m.
3. Esperar que el motor alcance una temperatura no menor a 25º C.
4. Variando la posición de la mariposa de gases del carburador y sin variar la carga del
tablero de control establecer 5 regímenes de carga y realizar las mediciones
correspondientes para cada régimen.
Segundo Ensayo.
1. Establecer la posición de la mariposa en un 20%.
2. Sin cambiar la posición de la mariposa de gases del carburador y variando la carga
mediante el reóstato, establecer 5 regímenes de velocidad, realizar las mediciones
correspondientes para cada régimen de velocidad establecida.
Tercer Ensayo.
1. Realizar los pasos del segundo ensayo, variando la posición de la mariposa a un
30%, tomar las mediciones correspondientes.
RESULTADOS Y CURVAS.
DATOS ADICIONALES Cilindrada(Vh) (m3) 0,000796Cantidad de cilindros 3Densidad del combustible(gasolina) (g/cm3) 0,72Densidad del agua(T = 20ºC) (Kg/m3) 998Coeficiente de descarga (Cf) 0,64Diámetro de la sección de ingreso del aire(m) 0,0254Presión atmosférica (mmHg) 756,6Temperatura ambiente (ºC) 18Longitud del brazo del eje (m) 0,32Densidad del aire (Kg/m3) 1,2076Relación estequiometrica (lo) 14,8Vol. de 1/16pinta (cm3) 29,574Gravedad 9,81
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CARACTERÍSTICAS DE CARGA
1º Para n constante e igual a 2200 r.p.m.
Pto h (%)
Vol.(Pinta) t (s) F (Kg) s (cm)
1 10 0,0625 32,24 1,00 6,802 15 0,0625 25,41 6,00 12,003 20 0,0625 19,33 13,00 22,804 25 0,0625 15,34 18,40 34,005 30 0,0625 13,24 21,60 46,00
Gc ( Kg/h) Gar ( Kg/h) Gat ( Kg/h) v Me(N.m) Ne (Kw)
2,38 23,82 63,44 0,68 0,38 3,14 0,723,02 31,64 63,44 0,71 0,50 18,84 4,343,97 43,61 63,44 0,74 0,69 40,81 9,405,00 53,25 63,44 0,72 0,84 57,76 13,315,79 61,94 63,44 0,72 0,98 67,81 15,62
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CARACTERÍSTICAS DE VELOCIDAD
2º Para n variable y h =20%
Pto n (rpm)
Vol.(Pinta) t (s) F (Kg) s (cm)
1 2950 0,0625 17,11 3,60 25,102 2700 0,0625 17,66 7,70 24,703 2400 0,0625 18,18 11,00 24,204 2100 0,0625 19,20 14,40 23,505 1800 0,0625 19,47 18,20 21,90
Gc ( Kg/h) Gar ( Kg/h) Gat ( Kg/h) v Me(N.m) Ne (Kw)
4,48 45,76 85,07 0,69 0,54 11,30 3,494,34 48,25 77,86 0,75 0,62 24,17 6,834,22 47,76 69,21 0,77 0,69 34,53 8,683,99 47,06 60,56 0,80 0,78 45,20 9,943,94 45,43 51,91 0,78 0,88 57,13 10,77
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Ne (Kw) vs RPMh = 20%
y = -5E-06x2 + 0.0193x - 6.8274R2 = 0.9907
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
1700 1900 2100 2300 2500 2700 2900 3100
RPM
Ne (kw)
3º Para n variable y h=30%
Pto n (rpm)
Vol.(Pinta) t (s) F (Kg) s (cm)
1 2150 0,0625 13,12 24,70 46,302 2300 0,0625 12,94 23,00 48,803 2450 0,0625 12,68 21,20 50,104 2600 0,0625 12,26 19,40 53,005 2750 0,0625 11,69 17,20 58,00
Gc ( Kg/h) Gar ( Kg/h) Gat ( Kg/h) v Me(N.m) Ne (Kw)
5,84 62,14 62,00 0,72 1,00 77,54 17,465,92 63,80 66,33 0,73 0,96 72,20 17,396,05 64,64 70,65 0,72 0,91 66,55 17,076,25 66,49 74,98 0,72 0,89 60,90 16,586,56 69,56 79,30 0,72 0,88 53,99 15,55
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Ne (Kw) vs RPMh = 30%
y = -7E-06x2 + 0.0297x - 15.486R2 = 0.9955
15.00
15.50
16.00
16.50
17.00
17.50
18.00
2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900
RPM
Ne (Kw)
OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES.
Al culminar este informe podemos concluir lo siguiente:
1) Como era de esperarse de los datos el consumo horario de aire y de combustible aumentan conforme aumenta las RPM esto es debido a que la frecuencia de apertura de la válvula de admisión aumenta y deja entrar más combustible y aire.
2) Con respecto a la curva del coeficiente de exceso de aire con respecto a la potencia se observa que las tendencias es creciente al inicio y llega a un punto máximo y después empieza a disminuir conforme aumenta la potencia.
3) En los motores de encendido por chispa, la eficiencia volumétrica v aumenta y luego disminuye aunque en las graficas observamos que aumenta conforme aumenta la potencia pero disminuye conforme aumentan las RPM. Esto se debe que con la estrangulación de la mezcla, que se usa en los motores con carburador para disminuir la carga, es acompañada por la disminución de la presión en el sistema de admisión y en el cilindro, además la carga fresca se calienta. Por otro lado durante la estrangulación el número de moles de mezcla fresca disminuye y se da un incremento notable del coeficiente de gases residuales; es por esto que v disminuye.
4) Cuando se aumenta la velocidad de rotación del cigüeñal aumenta la carga y luego disminuye en el sistema de admisión, y por consiguiente, la pérdida de presión. Por tal razón con el crecimiento de la velocidad de rotación, después que se obtiene el v máx. disminuye el coeficiente de llenado. Ahora al disminuir la velocidad de rotación disminuye v.
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BIBLIOGRAFIA
1.- Jóvaj, M. S. “ Motores de automóvil” , Edit. Mir, Moscú
2.- Lukanin V.N., “Motores de combustión interna”, Edit. MIR, Moscú
3.- Manual del Ingeniero Hütte Tomo II, Edit Gili, Barcelona
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