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Laboratorio 1 Reconocimiento de motores Otto y curvas

caractersticas de motores

ME5301-3 Laboratorio de

mquinas Profesor: Ricardo Daz

Nombre: Vctor Arroyo

Fecha de entrega: 17 de abril de 2015

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1 ndice

2 Introduccin ................................................................................................................................ 3

3 Objetivos ..................................................................................................................................... 4

4 Antecedentes .............................................................................................................................. 5

4.1 Ciclo Otto ............................................................................................................................. 5

4.2 Curvas caractersticas de motores Otto y ecuaciones ............................................... 6

5 Procedimiento experimental ...................................................................................................... 8

5.1 Montaje de equipos ............................................................................................................ 8

5.2 Descripcin de la experiencia .............................................................................................. 8

6 Desarrollo .................................................................................................................................... 9

6.1 Memoria de clculo ............................................................................................................. 9

6.2 Resultados ......................................................................................................................... 10

7 Anlisis de Resultados y Discusiones ........................................................................................ 12

8 Conclusiones.............................................................................................................................. 13

2 Introduccin

Los motores de hoy en da no son muy distintos a los antiguos, y que todos ocupan la energa

almacenada en los combustibles para realizar un trabajo mecnico como es mover un eje. El uso de

estos motores es muy amplio en el aspecto de la ingeniera usado desde bombas de agua,

ascensores, autos, gras, maquinaria de construccin en general entre otros.

En este informe se detallaran muy ligeramente el funcionamiento del motor Otto con su ciclo

y sus curvas caractersticas las que nos servirn para entender en gran medida el funcionamiento

de los motores de combustin interna.

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3 Objetivos

Esta experiencia tiene como objetivo general conocer los fundamentos de un motor de

combustin interna con sus elementos constitutivos, dispositivos y accesorios de este, adems de

obtener una idea visual de como es el funcionamiento entendiendo los fundamentos que tiene este

ciclo.

Como objetivos especficos se tiene la realizacin de las curvas caractersticas del motor Otto

mediante la toma de datos en el laboratorio. Y adems de determinar los errores ms comunes que

influyen en la toma de datos.

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4 Antecedentes

4.1 Ciclo Otto El ciclo de Leinor modificado de cuatro tiempos, comnmente llamado ciclo Otto se puede

representar en un diagrama P-V con la figura 4.1, Otto fue la primera persona en construir un motor

que trabaje con este ciclo.

Figura 4.1 Diagrama P-V del ciclo Otto

Proceso de 1 a 2: corresponde a la aspiracin del combustible, donde el pistn va desde el

punto muerto PMS al punto muerto inferior PMI, para que esto suceda se debe abrir la vlvula de

admisin y cerrar la de escape, para que mediante el trabajo del pistn al bajar se produzca una

baja de presin entrando el combustible solo por la diferencia de presin.

Las vlvulas antes mencionadas se muestran en la siguiente

figura, donde la vlvula de admisin azul es por donde entra el

combustible, la vlvula de escape roja es por donde sale los gases de

combustin, el pistn indicado en la figura va desde el PMS al PMI,

generando trabajo haciendo girar el cigeal. Este ltimo reparte

energa para mover el sistema de refrigeracin, la apertura y cierre de

vlvulas, el torque en las ruedas, entre otras.

Proceso de 2 a 3: el proceso de compresin del combustible

sucede en esta parte de la figura 4.1, donde se cierran las vlvulas y el

pistn sube desde PMI a PMS, teniendo que entregar trabajo para que

esto ocurra, esta expansin como lo muestra la figura 4.1 se considera

adiabtica.

Figura 4.2 Dispositivo bsico del motor Otto

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Proceso de 3 a 4: al medio de ambas vlvulas mostradas en la figura 4.2 se encuentran las

bujas, estas son las encargadas de provocar la combustin, encendiendo una chispa en la mezcla

manteniendo ambas vlvulas cerradas, la combustin se considera instantnea a volumen

constante y con un aumento de presin en el sistema.

Proceso de 4 a 5: el aumento de presin provoca que el pistn baje al PMI, esta es la nica

seccin que genera trabajo, esto se genera con ambas vlvulas aun cerradas, este trabajo se supone

adiabtico.

Proceso de 5 a 2: cuando el pistn llega al PMI se abre la vlvula de escape, donde se produce

una baja en la presin, por lo que los gases de la combustin se liberan subiendo consigo el pistn

al PMS dado que este proceso se genera por la diferencia de presin existente, no requiere trabajo.

Y el sistema comienza de nuevo.

4.2 Curvas caractersticas de motores Otto y ecuaciones

Estas curvas entregan los valores de potencia, torque y consumo especfico para las

velocidades de giro del eje del motor. Se dar una breve explicacin de cada curva generada.

Adems de mostrar las ecuaciones con las cuales se realizaran los clculos.

Figura 4.3 Curvas caractersticas del motor Otto

Curva de potencia: En los motores de combustin interna como lo son los motores Otto, la

potencia depende de la velocidad, si aumenta la velocidad del eje aumenta la potencia, consigo

tambin aumenta el consumo, pero cuando la velocidad de giro es muy alta la combustin ya no es

del todo perfecta y la potencia comienza a bajar. Curva azul

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Ecuacin 4.1 Formula para la potencia

=2

60 75 T N

Donde

P: Potencia [CV]

N: Velocidad [RPM]

Curva de torque: El torque depende de la geometra del motor y por la presin media de los

gases, como ambas no cambian en demasa con la velocidad del motor, este no debera presentar

grandes cambios, aun as presenta una mximo a velocidades intermedias. Curva roja

Ecuacin 4.2 Formula de torque del freno

= L

Donde

T: Torque [Kgfm]

F: Fuerza del freno [Kgf]

L: largo del brazo [m]

Curva de consumo especfico: Esta es la cantidad necesaria de combustible para producir

una unidad de potencia en una unidad de tiempo, esta curva a velocidades medias presenta un

mnimo. Curva verde.

Ecuacin 4.3 consumo especfico el motor

= V

P

Donde

C: Consumo especifico [gr/CVhr]

t: Tiempo en consumir 50 cc

V: Volumen consumido (50 cc)

: Densidad del combustible [gr/cc]

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5 Procedimiento experimental

5.1 Montaje de equipos El montaje se puede explicar mucho mejor con la figura 5.1 donde se indican las partes ms

relevantes usadas de la instalacin, donde el motor usado fue un Suzuki 1000 conectado a un freno

Froude y este a un dinammetro, por lo que el freno ejerce distintas fuerzas y esas sern mostradas

en el dinammetro, pudiendo as calcular el torque. Adems contiene una probeta milimetrada

donde se saca el combustible para hacer funcionar el motor, con este y un cronometro se podr

medir el consumo especifico. Con ambos datos se podr encontrar la potencia del motor. Adems

se usa un tacmetro para medir la velocidad de giro del eje.

Figura 5.1 Instalacin de la experiencia para la toma de datos

5.2 Descripcin de la experiencia Se enciende el motor y se acelera al mximo, luego se fija una velocidad RPM mediante el freno, se

registra la fuerza provocada por este, la velocidad de giro, se toma el tiempo de consumo de 50 cc,

y con estas medidas ya se pueden calcular los datos necesarios para las curvas caractersticas, pero

este paso se debe hacer con 7 velocidades distintas de giro espaciadas a 500 RPM es decir desde

4000 RPM hasta 1000 RPM.

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6 Desarrollo

A continuacin se muestran los datos obtenidos y sus clculos para luego mostrar los resultados

generados en este laboratorio.

6.1 Memoria de clculo La siguiente tabla contiene los datos obtenidos directamente del laboratorio. Donde RPM es

la velocidad a la que gira el motor en revoluciones por minuto, la fuerza es la provocada por el freno

y el tiempo es el que se demora en consumir 50 cc de gasolina.

Tabla 6.1 Resultados obtenidos directamente del laboratorio

RPM Fuerza [kgf]

tiempo [s]

1000 13,55 74,81

1500 14,65 47,76

2000 15,15 35,37

2500 15,55 30,38

3000 15,65 25,5

3500 15 22,68

4000 14,3 20,38

Luego con las ecuaciones antes descritas se puede llenar la siguiente tabla. Los parmetros

de la tabla 6.2 sern usados para obtener las curvas caractersticas del motor Otto. Cabe destacar

que se usaron los valores de la tabla 6.2 para calcular los datos obtenidos en la tabla 6.3

Tabla 6.2 Datos usados en para las ecuaciones

Largo [m]

Densidad [gr/cc]

Volumen [cc]

0,358 0,75 50

Tabla 6.3 Resultados numricos obtenidos mediante formulas

RPM Torque [kgfm]

Potencia [CV]

Consumo especifico [gr/CVhr]

1000 4,85 6,77 266,55

1500 5,24 10,97 257,67

2000 5,42 15,14 252,1

2500 5,57 19,44 228,59

3000 5,6 23,46 225,67

3500 5,37 26,24 226,84

4000 5,12 28,6 231,61

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6.2 Resultados Las siguientes imgenes muestran los resultados grficos de los datos obtenidos para hacer

un anlisis de manera ms cmoda. Las tres primeras figuras muestran las curvas caractersticas por

separado, ya que tienen distintos orden de magnitud. Y en la ltima figura se muestran las tres

juntas pero algunas escaladas para que puedan caber las tres.

Figura 6.1 Grfico de torque versus velocidad

Figura 6.2 Grfico de potencia versus velocidad

4,8

5

5,2

5,4

5,6

5,8

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

Torq

ue

[kgf

m ]

Velocidad [RPM]

Torque del motor segun su velocidad

0

5

10

15

20

25

30

35

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

Po

ten

cia

[CV

]

Velocidad [RPM]

Potencia del motor segun su velocidad

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Figura 6.3 Grfico de consumo especfico versus velocidad

Figura 6.4 Grfico de las curvas caractersticas versus velocidad

220

230

240

250

260

270

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

Co

nsu

mo

esp

ecif

ico

[gr

/CV

hr]

Velocidad [RPM]

Consumo especifico V/S velocidad

0

1

2

3

4

5

6

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Velocidad [RPM]

Curvas caractersticas

Consumo especifico [gr/100CVhr] Torque [kgfm ] Potencia [CV/10]

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7 Anlisis de Resultados y Discusiones

Se puede notar en la figura 6.1 que el torque que ejerce el eje sobre el freno tiene un mximo

y est alrededor de las 3000 RPM, el consumo especifico muestra un mnimo en esa misma

revolucin lo que quiere decir que es una velocidad muy ptima para el motor, pese a eso se

muestra que la potencia aumenta sin importar la cantidad de revoluciones.

El torque generalmente muestra un mximo a velocidades media como se muestra en la figura

4.3 y adems el consumo especifico tiende a tener un mnimo, en este caso ambas situaciones

suceden a velocidades muy cercanas, por no decir la misma, pero la potencia debera mostrar un

mximo, que no lo muestra en el figura 6.2, sin embargo este mximo es lgico que est a mayor

revolucin que las dos anteriores, debido a que no sucede a velocidades medias sino que a altas, ya

que se ve afectado el tiempo que tiene el combustible en detonar, provocando que no se consuma

todo el combustible, por lo tanto no aprovechando toda su energa.

Se puede ver adems que la en la partida del motor o cuando se est trabajando a bajas

revoluciones, se tienen bajos niveles de torque y potencia, pero lo ms notable es la cantidad de

consumo del motor que son muy superiores en comparacin con las otras revoluciones, luego

desciende de manera drstica al aumentar las revoluciones.

En estos clculos no fueron consideradas las prdidas, ya que calculamos la potencia y el torque

del motor a partir de los datos obtenidos pese a eso no fueron necesarias para una buena

aproximacin debido a que se calcularon estas magnitudes con las revoluciones y la fuerza del freno.

La nica medicin que incluye las perdidas es el consumo especifico ya que el motor est generando

la potencia calculada y adems est generando ruido, calor, u otras perdidas no consideradas.

Puede que el deterioro del freno, por la antigedad de la maquina ya no est generando la

fuerza indicada por el dinammetro, por lo que cuando se muestra una cierta fuerza puede que esta

sea mayor, provocando un mayor torque en el eje y por lo tanto un mal clculo de este.

Por otro lado no se consideraron las fugas de combustibles no notorias visualmente, pero que

pueden existir, estas provocaran un consumo de combustible aunque este el motor parado,

entonces el consumo especifico calculado anteriormente debera ser menor a lo esperado.

La velocidad de giro nunca fueron los nmeros usados, pero s se acercaban mucho, entonces

se decidi ocupar los valores aproximados considerando que estos cambios no afectan en gran

magnitud el torque y la potencia calculada.

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8 Conclusiones

Se termina conociendo en gran medida el funcionamiento del motor Otto conociendo que debe

transformar la energa de la explosin del combustible para generar energa mecnica, lo que

provoca grandes prdidas de calor.

Las partes del motor de combustin interna son muy variadas, ya solo el hecho de mostrar solo

las partes que estn alrededor del pistn, se complica mucho el asunto de explicar cmo funcionan,

aun as cabe destacar que muchas partes del motor no fueron explicada y ni siquiera mencionada

por el solo hecho de simplificacin del problema.

Se puede apreciar que las curvas caractersticas entre la terica figura 4.3 y experimental figura

6.4 no varan de gran manera por lo que la toma de datos de este proceso es muy exacto y los

errores asociados se deben a la antigedad de las mquinas y no por las prdidas normales de la

combustin.

Los errores ms influyentes en esta experiencia fueron los asociados al freno y la precisin de

la toma de datos, el primero es por el desgaste del resorte del dinammetro que a temperaturas

altas se van descalibrando y adems el brazo de freno en la zona va cambiando y no as regulndose

con el dinammetro.

Otro error asociado es la precisin de la toma de datos ya que las revoluciones se deban tomar

con un tacmetro que tena una variacin de su velocidad de giro constantemente por lo que se

tiene que tomar un valor cercano, en este caso nmeros cerrados para facilitar la explicacin.

La forma humana de tomar diferencias de tiempo son muy precarias, por lo que se necesitan

sensores que midan la diferencia de tiempo que se necesita, ya que en nuestro caso se midieron 50

cc de cada de volumen en una probeta calibrada, pero con la simple precisin del ojo y reaccin

humana.

En general los datos estn acordes con la teora y no es necesario mayor cantidad de datos para

un anlisis de estos, sin embargo; si se quiere una mayor precisin de trabajo se recomienda tomar

medidas cada 200 RPM en lugares de velocidad baja, cada 100 en velocidades medias y altas, por

que como ya vimos estas son las velocidades de inters para la potencia, torque y consumo

especifico, que eran las tres mediciones de las curvas caractersticas.