Post on 03-Dec-2015
description
TEMA VI
ENSAYOS DE MCIA
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 1
CONTENIDO• Objetivos.• Características.• Relación entre potencia: en el combustible, efectiva e indicada.• Mediciones que se llevan a cabo en bancos de motores:
• Potencia, par, consumos de aire y combustible, rpm.• Temperatura, presión en el cilindro.• Flujo de líquido y pérdidas de calor.• Emisiones de escape.
• Tipos de ensayos que se realizan en MCIA.• Velocidad variable y constante en MECH y MEC.
• Recolección de datos: fórmulas utilizadas, factores de corrección.• Curvas características: análisis.
• (Pot., Par, ge) vs rpm.• (ηe, ηi, ηm) vs rpm.• (ma, mc) vs rpm.• Multiparamétricas.
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 2
Debido a la complejidad de los MCIA es necesario disponer de laboratorios donde se puedan realizar ensayos, verificar nuevas ideas o emplear herramientas para diseños originales.
Los experimentos de laboratorio permiten mejor control de la variable a ensayar
Los ensayos de MCIA permiten reproducir condiciones similares a las de funcionamiento en carretera, obteniéndose los parámetros característicos del motor, con los cuales se puede estudiar el comportamiento del mismo bajo carga.
OBJETIVOS
Fig. 1 Banco de ensayos de motores
MCIA
Medición de flujo de aire
Medición de flujo de combustible
Tanque amortiguador
Celda de carga
Freno
Balanza
ENSAYO DE MOTORES
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 3
ASPECTOS IMPORTANTESPlanificación cuidadosa de los experimentos.Conocer las características de funcionamiento de motor.Conocer las variables primarias y secundarias del problema.Experiencia en el campo del diseño experimental.Asegurar la forma adecuada para la toma de datos, lo que involucra: suficiente información, mínimo numero de errores, etc.Tipo de información requerida y cual necesita experimentos más sofisticados.Exactitud deseada en las mediciones.
Capacidad para almacenamiento de información.Eliminar el excesivos numero de ensayos de prueba.Reducción de tiempo, dinero y uso ineficiente de equipos costosos.Producción en serie reducen las pruebas de normalización.
ENSAYOS DE MOTORES
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 4
POTENCIA DESARROLLADA POR EL MOTOR
Potencia en el combustible:
Potencia indicada:
Potencia efectiva:
Eficiencia indicada:
Eficiencia mecánica:
Eficiencia efectiva:
ii WmW =
ime WW η=
C
ii Q
W=η
i
em W
W=η
C
ee Q
W=η
iCC HmQ =
Pot. en el combustiblePot. indicada Pot. efectiva
Efic. indicada Efic. mecánica
Efic. efectiva
ENSAYO DE MOTORES
Fig. 2 Relación entre potencias y eficiencias
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 5
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+=
30cnCCpmf 21
PERDIDAS MECANICAS
C1 C2
MECH con C/Dp > 1 0.050 0.0155
MECH con C/Dp < 1 0.040 0.0135
MEC II 0.105 0.0138
MEC ID 0.105 0.012
Fig. 3 Variación de las pérdidas mecánicas vs rpm
Tabla 1. Constantes de fricción
EVALUACION DE LAS PERDIDAS MECANICAS (M. S. JOVAJ)
Jovaj, M.S., Motores de Automóvil. Editorial MIR. 1982.
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 6
- Potencia: - En el eje del motor.
- Velocidad: - En el eje del motor.
- Temperatura: - Sistemas del motor.
- Cámara de combustión.
- Consumo de aire: - Sistema de admisión.
- Consumo de combustible: - Carburador o sistema de inyección.
- Presión: - En el cilindro
- En el múltiple de admisión o escape.
- Análisis gases de escape: - CO2, H2O, N2, CO, ..........,NOx
ENSAYO DE MOTORES: MEDICIONES
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 7
ROTORBALANZA ESTATOR
FUERZA
EN BANCOS DE PRUEBAS
Medición de par y potencia Empleando un dinamómetro para medir el par desarrollado por el motor a unas rpm dadas.
Trabajo: bf2w π=
RFbf =RF2w π=
Potencia: RFn2W π=
PAR Y POTENCIA
Fig. 4 Medición del par motor
3.9549n MW =
BRAZO
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 8
L
L
a) b)
Fig. 5 Tipos de frenos empleados en ensayos de MCIA: a) Fricción, b) Hidráulico
Entrada de AguaDepósito
Rueda de paletas
Salida de Agua
Eje
PAR Y POTENCIA
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 9
Brazo p/ pesosBrazo p/ contrapesos
Eje
Paletas rectas
Fig. 6 Freno tipo ventilador
PAR Y POTENCIA
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 10
El par producido por el motor no debe exceder la capacidad del freno (imposible controlar el MCIA)
La línea de potencia constante es un límite de seguridad para protección contra sobrecalentamiento.
La pendiente en la primera porción de la curva se obtiene variando la velocidad para carga constante.
Las posiciones intermedias de absorción dependen de la capacidad de regulación del freno.
rpm
Pot.(kW) Máx. frenado
Pot. del motor
Mín. frenado
0 1000 2000 3000 4000
50
40
30
20
10
0
Fig. 7 Curvas características del freno
CARACTERISTICA DEL FRENO
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 11
Contadores de revolución.Son accionados mecánicamente y se emplean para baja velocidad.Tacómetros. Son accionados mecánica o eléctricamente y empleados para alta velocidad, se emplean junto con transductores electrónicos y mecanismos fototransmisores.Estroboscopios.Producen un haz intermitente con frecuencia proporcional a la velocidad de rotación, se emplean para alta velocidad y donde las conexiones mecánicas son difíciles.
MEDICION DE VELOCIDAD
Rueda dentada
Sensor electromagnético
Fig. 8 Medidor de velocidad
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 12
Se requiere saber la cantidad de aire que es aspirada por el motor para producir determinada potencia.
Es un procedimiento de cuidado debido a las características pulsantes de aspiración en el motor.
Se debe procurar introducir la mínima restricción posible al paso del aire.
El método utiliza la caída de presión ocasionada por el aire en su paso a través de un orificio calibrado.
MCIA
Manómetro
OrificioLaminas directoras del flujo
Fig. 9 Sistema medidor de flujo de aire
MEDICION DEL CONSUMO DE AIRE
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 13
TanqueManómetro
Orificio calibrado
MCIA
TermómetroAplicando la ec. de Bernoulli:
2
22
22
1
21
11 gZ
2VPgZ
2VP
++ρ
=++ρ
;ρρρ aire21 =≈ ;21 ZZ = 0V1 =
; )PP(2Vaire
212 ρ
−= aire2 VV =
Aplicando continuidad:;AVm realaireaireaire ρ= Do
aireaireaire CAP2m
ρΔ
ρ=
;P2ACm aireoDaire ρΔ= ΔHgρΔPliquido
=
Fig. 10 Medición de consumo de aire
DEPOSITO DE REMANSO
ΔH
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 14
Colocado entre el orificio medidor y el motor minimiza la amplitud de las oscilaciones en el orificio.El tanque debe tener capacidad suficientemente y un sensor de temperatura para considerar los cambios en la densidad del aire.
D2min
246
tanque iVn(j/2)d4.57x10Vol = d : diámetro del orificio (m).
j : 2 ó 4 (2T ó 4T) i : número de cilindros.VD : volumen desplazado (m3).nmin : rpm mínimas (rad/s)
CALCULO DEL DEPOSITO DE REMANSO
L.J. Kasther. The Airbox Method of Measuring Air Comsumption Proc.I. , 1947.
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 15
Asegura condiciones de flujo estable ya que poseen una malla con orificios de área transversal muy pequeña en comparación con la longitud del elemento.
Tiene problemas con el ensuciamiento, lo
cual afecta su calibración.
Su uso garantiza que Pmaire Δ∝
Manómetro
Aire
Elemento viscoso
MCIA
ΔP, (mm H2O)
ΔΗ= 472.0Vaire
60
40
20
020 150 200 250
)s/l(V aire
Fig. 11 Medición de flujo de aire
MEDIDOR DE FLUJO VISCOSO
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 16
Flujo másico: balanzas calibradas.Flujo volumétrico: pipetas, buretas, tubos calibrados.Flujo continua: rotámetros, medidores de orificios.
Marca superior
Marcainferior
Fig. 12 Medidores de flujo de combustible: a) balanza, b) tubos calibrados, c) rotámetro
MEDICION DE CONSUMO DE COMBUSTIBLE
a) b) c)
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 17
TEMPERATURA
Empleando termopares de superficie se pueden hacer mediciones de temperatura de pared en el motor. Dependiendo de la velocidad del proceso se requiere un sistema de adquisición de datos.
Estas juntas especiales de termopares se emplean para medir temperatura en el pistón y paredes de la cámara de combustión.
Las fallas en la vida útil del cableado, perdida de contacto y tamaño inadecuado de la junta termopar ocasionan interrupciones en la transmisión de información.
Termopares
Cables
Fig. 13 Pistón instrumentado
MEDICION DE TEMPERATURA
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 18
FLUJO DE LIQUIDOS Y PERDIDAS DE CALOR
Se emplean medidores de flujo tipo turbina para los casos de: aceite lubricante y fluido de enfriamiento.
Medidores de disipación de calor.
Fig. 14 Medidor de perdidas de calor
MEDICION DE FLUJO DE CALOR
Sensor de temperatura
Medidor de temperatura
Medidor de flujo
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 19
PRESION EN EL CILINDRO
Se utilizan para tener registro del cambio p-V en el cilindro del motor bajo condiciones normales de operación.
Usualmente se usan transductores de presión del tipo sensor piezo-eléctrico, los cuales detectan el cambio en tiempo real y envían una señal de voltaje equivalente a la variación de presión.
Adicionalmente se requiere del empleo de amplificadores de señal, filtros, sistemas de monitoreo y de adquisición de datos.
Cara del sensor sometida a p y T de la cc.
Camisa roscada
Salida de voltaje del transductor al sistema de adquisición de datos
Fig. 15 Partes del sensor piezoeléctrico
MEDICION DE PRESION
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 20
CONTROL DE EMISIONES DE ESCAPE
Para mejorar las condiciones de aprovechamiento de calor en el cilindro del motor y a la vez para reducir la expulsión de contaminantes al medio ambiente.
En MCIA es deseable controlar la producción de compuestos químicos como: CO, NO, NOX, Partículas, HC.
Los medios de control utilizados son:• Regulación de la temperatura de combustión.• Uso de químicos absorvedores como: metalesNobles (Pt, Pd).
• Empleo de reactores térmicos.• Empleo de convertidores catalíticos.
0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3
Relación A/C
Pobre Teórica Rica20 17 15 14 13 12
NO
HC
CO
φ
MEDICION DE EMISIONES DE GASES
Fig. 16 Contaminantes en MCIA
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 21
Fig. 18 Componentes básicos de un sistema de adquisición de datos
COMPONENTES DE UN SISTEMA INDICADOR
Piezoeléctrico
Inductivo
Presión en el cilindroPresión de inyección
Levantamientode aguja
Sensores
Sincronización
Canales de amplificación
OsciloscopioCámara
Salida
De deformación Magnético
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 22
VELOCIDAD VARIABLE(Vehículos automotores)
VELOCIDAD CONSTANTE (motor-generador, motor-bomba).
Carga total.
Carga parcial.
Para determinar Potmáx y gemín
Para determinar cambios en gemín
Para determinar cambios en gemín
TIPOS DE ENSAYOS PARA MCIA
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 23
CARGA TOTAL (RPM VARIABLE)• Ajustar el salto de chispa para máxima potencia.• Abrir la mariposa de gases completamente (mantener durante el ensayo).• Ajustar la carga para la mínima velocidad.• Comenzar la prueba cuando se alcance equilibrio (TH2O, TACEITE).• Iniciar con la medición de consumo de combustible.• Tomar datos: rpm, par, temperaturas y consumo de aire.• Ajustar el salto de chispa para máximo desarrollo de par a otras rpm.CARGA PARCIAL (RPM VARIABLE)• Ajustar la posición de la mariposa de gases y de la regulación del freno.• La medición del consumo de combustible es el parámetro más importante.RPM CONSTANTEAbrir la mariposa de gases o cremallera de bomba de inyección a las rpm deseadas.Seguir el procedimiento anterior.Para aumentar carga ajustar la posición del acelerador a las rpm deseadas.
CARACTERISTICAS DE LOS ENSAYOS: MECH y MEC
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 24
Fig. 19 Velocidad variable , MECH, 100 % carga, rc = 9.
iWeW
fW
eg
pmeMe )ftlb(Me −
)hbhp/lbm(ge −
)hp(We
)psi(pme
240
220
200
160
120
80
40
0
320280240
0.60.5
0.41000 2000 3000 4000 5000 rpm
CURVAS CARACTERISTICAS DE MCIA
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 25
MAXIMA POTENCIA.En MEC no hay un indicativo claro de máxima potencia como en MECH.
Similar que en MECH el freno se ajusta para la mínima velocidad con una posición de la bomba de inyección para un color no muy oscuro de los humos. Sin embargo el color de los humos puede ser resultado de: mala atomización, inyección tardía, falta de compresión, mala distribución del combustible por cilindro.
CARGA PARCIAL.Procedimiento similar al caso de MECH.
Pot.
Azul grisáceo
Gris claro
Azul grisáceo
Gris claro
150
100
75
50
25
00 500 1000 1500 2000 2500
0.450.40
rpm
ge
Fig. 20 Curvas de MEC para potmáx
ENSAYOS CON RPM VARIABLE (MEC)
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 26
)J,rpm,M(fW
),t,V(fm
)orificio,P(fm
ee
ccc
a
=
ρ=
Δ=
TOMA DE DATOS EN ENSAYOS DE MOTORES
Fig. 21 Parámetros básicos a medir en un ensayo de motores
Motor
Manómetro
Placa de orificio
n F Δp Vc t(rpm) (kg) (cmH2O) (cm3) (s)
cmampar
PotenciaF/A
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 27
Consumo de aire:
Rendimiento volumétrico:
Consumo de combustible:
Potencia efectiva:
Consumo específico de combustible:
Rendimiento efectivo:
Rendimiento mecánico:
Presión media efectiva:
Riqueza:
)Cp,T,p,f(m Dar Δ=
n/30JρiVm;m/mη Datatarvol ==
/tVρm ccc =
n/const.MW ee =
ece W/mg =
icccee HmQ;Q/Wη ==
iem W/Wη =
De V/Wpme =
ace m/mF;F/F ==φ
FORMULAS A UTILIZAR
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 28
CORRECCION DE POTENCIA y ηV
Se requiere debido a que la p, T y humedad del aire que se introduce al cilindro del motor afectan el flujo de aire y por lo tanto la potencia producida.
Los valores de AN: patm = 101.325 kPa, pvap = 1.327 kPa y Tamb = 29.4 C
o
o1)/γ(γ
o
2/γ
oo
oe
Tpm ;
pp
pp
1γ2γ
RTpAm ∝
⎪⎭
⎪⎬⎫
⎪⎩
⎪⎨⎧
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
=+
Nf,Mi,Ne,M
N
vapM
NMi,Ni, WWFCW ;
TT
p-ppFC ; WFCW −===
M
NMV,NV, T
TFC' ; ηFC'η ==
Para flujo de aire a través de un orificio en condiciones de estado estable
Factor de corrección de potencia
Factor de corrección del rendimiento volumétrico.
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 29
am
iW
eW
fW
200
150
100
50
00 1000 3000 5000 7000 rpm
800
600
400
200
eWam
CURVAS CARACTERISTICAS
Fig. 22 Curvas características: potencia, consumos de aire y combustible y rendimientos de MCIA
mη
iη
eη
eg
ig
η,g
n(gemín) nemb rpm
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 30
CURVAS CARACTERISTICAS
rpm
Pmi
Pme
Pmf
fW
eW
iW
pme, kPa.Pot, kW
rpm.Fig. 23 Curvas características para MCIA y efectos de la altura sobre la potencia
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 31
CURVAS CARACTERISTICAS
pme
eW
eg
FA
aV
g/kWhge
kWWe
FA
s/dm
V 3a
kPa,pme
rpm
Fig. 24 Curvas características para MCIA y mapa del motor
ukPa,pme Nm,M e
rpm
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 32
CARACTERISTICAS DE TRABAJO DE MCIA
Tabla 2. Parámetros característicos de MCIA de AN y SA (Par)Máx
Motor crCpDpD
C3dm
RPM RPM us/m
eg eηkPa kPa
(Efic.)Máx
DVperpmepmei
h.kW/g
Heywood, J. B., Internal Combustion Engines Fundamentals. Mc. GrawHill 1988.
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 33
1. Benson, R. S., Advanced Engineering Thermodynamics. 1977.2. Greene A. B., The Testing of Internal Combustion Engines.3. Heywood, J. B., Internal Combustion Engines Fundamentals. Mc. GrawHill
1988.4. Lukanin, V. N., Motores de Combustión Interna. Editorial MIR 1982.5. L. R. Lilly., Diesel Engine Reference Book. 1985.6. Jovaj, M.S., Motores de Automóvil. Editorial MIR. 1982.7. Obert, E. F., Motores de Combustión Interna.8. Taylor, C. F., The Internal Combustion Engine. 1961.9. Taylor, C. F. y Taylor, E., The Internal Combustion Engine in Theory and
Practice. 1985.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 34
Arcoumanis, C. and Whitelaw, J. H., “Are Steady Flow Inlet BoundaryConditions Valid for Engine Cylinder Calculations ?,” CMT 8724.Callahan, T. J., Yost, D. M. and Ryan III, T. W., “Acquisition and Interpretationof Diesel Engine Heat Release Data,” SAE Paper 852068, 1968.Lavoie, G. A., Heywood, J. B., and Keck, J. C., “Experimental and TheoreticalStudy of Nitric Oxide Formation in Internal Combustion Engines,” Comb. Sci. and Tech., 1970.Ronald, D. M. and Miao, S., “Combustion Efficiency of Spark Ignition Engines,”Int. J. Of Vehicle Design, 1987.
ARTICULOS CIENTIFICOS