Informe de laboratorioAbstraccin metodolgica para aproximar el ciclo termodinmico real de un MCI de encendido por compresin a un ciclo terico.

Subgrupo 3A =960 [rpm]

Francisco Hernndez233722.Sebastin Prez234829.Christian Delgado234075.9 de diciembre de 2013

Resumen

Se hace una toma de datos, de un motor de combustin interna (MCI), de cuatro tiempos de encendido por compresin (Diesel), de un solo cilindro y de carrera variable que corresponde a un motor Lister de 9 [HP]@(750 1800)[rpm], acoplado a un generador elctrico que a su vez sirve como motor de arranque durante el encendido, para nuestro caso se nos asigno los datos correspondientes a una velocidad de rotacin de =960 [rpm], a una relacin de compresin de 22:1, estos datos fueron suministrados por el ingeniero a cargo de la asignatura de Motores de combustin interna Jorge Eduardo Arango Gmez, dado que la toma de datos que hicimos por parte de los estudiantes estaba errada en algunos datos y en los del otro grupo la relacin de compresin no corresponda a las encontradas en el catalogo de dicho motor y no se poda hacer una comparacin.

1) Objetivos

El objetivo de esta prctica es acoplar el modelo real a un modelo ideal y hacer comparaciones al respecto, con una metodologa que integre y relacione los conocimientos que se tienen de combustin y termodinmica para aproximar el diagrama de los ciclos.

1.a) Objetivos especficos

Integrar y relacionar de manera apropiada conocimientos de combustin y de ciclos tericos de un MCI. Aproximar el diagrama indicador de un motor de combustin interna a un ciclo terico (ciclo dual). Comparar la energa generada en un proceso de combustin por diferentes mtodos de obtencin. Comparar los diferentes estados termodinmicos de los 3 posibles casos. Comparar a una relacin de compresin de 22:1 y a 960 [rpm], los datos obtenidos por parte de nosotros con los de el fabricante aunque esto llevara un error dado que los datos del fabricante son a condiciones ambientales normales las cuales son: 25 C y 1 atmosfera de presin.

2) Nomenclatura usada

SmboloDescripcinUnidades

bsfcConsumo especifico de combustible al freno[kg/W]

bpPotencia al freno[W]

bmepPresin media efectiva al freno[kPa]

Calor especifico a presin constante[kJ/kgK]

Calor especifico a volumen constante[kj/kgK]

PDiferencia de presin [in H2O],[kPa]

tDiferencia de tiempo[s]

FFuerza en la balanza[N]

gGravedad[m/s^2]

Entalpia a la temperatura[kJ/kg]

kRelacin de calores especficos (sin subndice k del aire)-

mMasa [kg]

Flujo msico[kg/s]

Eficiencia trmica-

Ppresin[kPa]

calor[kJ]

Rata de transferencia de calor[kW]

Relacin de compresin-

RConstante universal de los gases[km/kgK]

rBrazo o radio[m]

TTemperatura[C].[K]

Torque[Nm]

uEnerga interna[kJ/kg]

VVolumen[m^3],[in^3]

vVolumen especifico[m^3/kg]

3) Planeacin organizada de la prueba:Ver anexo A.El diagrama presin volumen del motor de combustin interna real no se describe bien con los ciclos otto y diesel. El ciclo de aire estndar que ms se aproxima a las variaciones de presin reales es el ciclo dual de aire estndar que se muestra en la figura 1.

Figura 1. Ciclo dual usado.

4) Reporte de PruebaEl equipo usado ser un banco tecquipment Lister, con los equipos de medicin mostrados en los anexos (fotos) se realizaron 3 mediciones a cada rgimen de velocidad y se tomo el promedio de las 3 para este caso =960 [rpm]. Los datos tomados se muestran en el Anexo B.Se cuenta con un dinammetro de equilibrio que a partir de una carga de 15 [kg] y una lectura en la bascula de 5,7 [kg], y un brazo suministrado de catalogo de 0,3[m], se procede a calcular el torque como sigue: (1)La potencia al freno se calcula con las revoluciones y el torque calculado anteriormente (2)Combustible usado:El combustible con el que se realizo la prctica de laboratorio es un Diesel B7 (fuente laboratorista), lo que indica que est conformado por 7% de biodiesel y un 93% de combustible fsil (diesel).

NombreInformacin

FabricanteLister

Clasificacin de motorEncendido por compresin

Dimetro del pistn4,5 [in]

potencia9 [HP]@1800 [rpm]

Numero de cilindros1

Volumen del cilindro49,7 [in^3]

Relacin de compresin volumtrica9,38:1 hasta 22,1:1

TipoFR-1

Carreras por ciclo4

Direccin de rotacinAnti horario visto sobre el volante

Tabla 1. Datos del motor [1]Para nuestro caso se usara una relacin de compresin de 22:1 y 960 [rpm]Queriendo validar esta informacin, por balance de masa de la combustin, el combustible resulto NO tener oxigeno, por lo cual se Asume diesel fsil en su totalidad. Se cree que el oxigeno del B7, se evapora previo a su ingreso al motor.Balance de masaDe la tabla de datos anexa en BSe procede a hacer el balance de masa para tratar de identificar el tipo de combustible usado y corroborar la informacin suministrada por el laboratorista. (3)Se pueden desprecias las fracciones de y la reaccin queda de la siguiente forma:(4)(5)xzAB

C1/12000X10,9+0,2542

H1100Z1

O201/320,2333/32-1/2A10,9+0,2542+6,3

N2000,7667/280B82,5458

Se encuentra que el balance no cierra con el combustible oxigenado, por eso se opta por el combustible normal y se encuentra lo siguiente:(6)xyAB

C1000x10,9+0,2542x=11,1542

H010-2y0y=18,4596

O2001-1/2A10,9+(0,2542/2)+6,3A=21,942

N20 03,7620B82,5458B=9,2298

(7)Se encuentra la relacin H/C, para saber qu tipo de combustible diesel se usa: (8)Con el valor de 1,7 se busca en Heywood, [2] y se encuentra que es un combustible Heavy diesel. La composicin del diesel segn [3] es: [4]De [5] para diesel (9)Entonces la familia qumica estimada para el combustible ser , pero se aproxima a la suma de 2 molculas y se tiene que: (10)(11)17,97=16+6 =0,8972 (12)Luego se debe identificar el coeficiente molar de combustible lo cual es: (13)Es posible reemplazar el combustible de la reaccin por: (14)Luego la relacin aire combustible se obtiene: (15)Balance energtico [5]:

(16)[Turns]M [kg/kmol]

C7H16100,203-1878200

C6H678,113829370

O231,999012503

N228,013011942

CO244,011-39354617749

CO28,01-11054112029

H2O (g)18,016-24184514209

Tabla 2. Propiedades de los hidrocarburos quemados y los productos de la combustin.

(17) (18)(19)Entonces el calor cedido ser de:(20)Este resultado es esperable ya que es inferior al Qhv del diesel B7 aproximado en el ciclo terico 1.

5) Muestra de clculo5.1) Motor de pruebaVer ms propiedades en el anexo CFlujo volumtrico medido del airePara este clculo se usa la cada de presin en el orificio calibrado el cual para este rgimen es P [in H2O]=0,42[8] entonces por el grafico del orifico calibrado para 1,183 [in] la admisin de aire es: 105 [lb/h] se procede a realizar la conversin de libra/hora a Kg/s para tener todo en las mismas unidades (SI). (21)Volumen especifico: (22)Flujo volumtrico del aire(23)

Flujo volumtrico terico:Para este clculo se debe encontrar primero el tiempo de duracin de un ciclo y para ello se cuenta con: [anexo B](24)Tomando que el volumen de la cmara es de 49,7 [in^3] [tabla 1]. Se realiza la conversin para tenerla en unidades de [m^3], se obtiene que el volumen de la cmara es: , de modo que el flujo volumtrico terico es:(25)Volumen de la cmara se usa la relacin de compresin y (25). Despejando (26)

Luego para el flujo de aire a la cmara se usa (25) y (24)(27)Dado que entonces [6](28)(29)Flujo msico de combustible:De la tabla de datos se toman los datos de consumo de combustible y se obtiene:(30)La masa de combustible se la calcula con la siguiente relacin (29) y (15) (31)Luego la masa de mezcla que se adiciona ser la suma de las masa de aire y de combustible (31) y (29) (32)

Trabajo efectivo del ciclo:El trabajo efectivo del ciclo esta dado en cuanto trabajo se entrega en cada ciclo, dado que la potencia al freno es trabajo contra tiempo, y el tiempo de un ciclo ya ha sido hallado, el trabajo por ciclo es (24) y (2):(33)

Presin media efectiva:La presin media efectiva es una relacin del trabajo del ciclo, respecto al volumen de la cmara de Combustin (Vc = Vmax;ciclo V min; ciclo), lo que da en unidades de presin, as (33) y (25):(34)

Eficiencia al freno:

Consumo especifico de combustible:El consumo especfico de combustible al freno ser el flujo de combustible est dado por (30) y (2):(35)

5.2) Caso terico 1:Para este caso terico, se considera un ciclo dual ideal, como el descrito en la figura 3.1, es decir, el diagrama indicador se ajusta al ciclo calculado aqu, y las suposiciones son:

La sustancia de trabajo del ciclo es aire atmosfrico estndar y su temperatura al inicio es la temperatura ambiente Calores especficos constantes La presin de inicio de la compresin es inferior a la atmosfrica local (75 kPa) Los cambios de energa cintica y potencial son despreciables Los procesos de compresin y expansin son adiabticos reversibles El calor adicionado a la sustancia de trabajo del ciclo es funcin del poder calorfico inferior (PCI) del combustible y del respectivo flujo entregado al motor. Se toma k de 1,4 solo para los procesos de admisin y escape, mientras que para dentro del ciclo k=1,35 [4, pg. 71]

La presin del estado uno es inferior a la atmosfrica y este clculo se realiza como sigue con el aire de admisin encontrado en (28), [7] y la suma del volumen de la cmara (26) y el volumen del cilindro en (25):Estado 1:T1=293,85 [K]

Estado 2:

Estado x:Se tiene A/F obtenida del balance de masa con un valor de 19,85 entonces se encuentra la masa de combustible adicionada al proceso en (31) luego con el poder calorfico del combustible adicionado a volumen constante 50% y la masa de mezcla de (32), el calor especifico a volumen constante se obtiene de [2]:

Como el calor adicionado en los procesos a volumen y a presin constante son iguales ya que la distribucin se hace 50/50, entonces se calcula el estado 3Estado 3:

Estado 4:

Estado 5:

Estado 6:

Estado 7:

Luego la eficiencia trmica del ciclo ser: ecuacin tomada de [9] adicionando el trabajo de bombeo.

Trabajo del ciclo ecuaciones tomadas de [9]: dado que P=CV^-k

Para el proceso 2-x el volumen es constante y es un calor adicionado entonces [9]: (55)En el proceso x-3 la presin es constante y se adiciona calor [9]: (56)

Proceso 3-4 es similar al proceso 1-2 (57)Entonces el trabajo del ciclo se calcula sumando todos los trabajos obtenidos anteriormente

Presin [kPa]Temperatura [K]Volumen [m^3]

Estado 1293,85

Estado 2

Estado x

Estado 3

Estado 4

Estado 5

Estado 6

Estado 7265,12

Tabla 3. Estados ciclo terico 1.

5.3) Caso terico 2:Para este caso terico, se considera un ciclo Dual NO ideal, como el descrito en la figura 3.1, es decir, el diagrama indicador se ajusta al ciclo calculado aqu, y las suposiciones para este caso son: Calores especficos constantes La presin de admisin (presin al inicio de la compresin) es inferior a la atmosfrica local (75 kPa) La presin de salida de las emisiones es la atmosfrica local (75 kPa) La presin y la temperatura en la admisin y en el escape son diferentes y constantes durante el ciclo. La temperatura en el proceso de admisin es igual a la temperatura ambiente en la succin. Los cambios de energa cintica y potencial son despreciables Los procesos de compresin y expansin son adiabticos reversibles El calor adicionado a la sustancia de trabajo del ciclo es funcin del calor real y del respectivo flujo msico entregado al motor. Se toma k de 1,4 solo para los procesos de admisin y escape, mientras que para dentro del ciclo k=1,35.

Flujos Msicos:Los flujos msicos, y masas, usados en el caso terico 2 son los correspondientes a los encontrados en los anlisis anteriores de las ecuaciones (28), (29), (31) y (32).

Estado 1 y Estado 2:Por la semejanza de suposiciones, las propiedades (Volumen, Presin y Temperatura) en estos estados, para el caso terico 2 son las mismas mostradas y encontradas en el anlisis del caso terico 1, en las ecuaciones (36), (37) y (38).

Estado x:Se tiene A/F obtenida del balance de masa, ecuacin (15), luego con el calor real encontrado en la ecuacin del balance de energa (20), adicionando a volumen constante el 50%, el calor especifico a volumen constante se obtiene de [2]:

Como el calor adicionado en los procesos a volumen y a presin constante son iguales ya que la distribucin se hace 50/50, entonces se calcula el estado 3Estado 3:

Estado 4:

Estado 5, Estado6 y Estado 7:Por la semejanza de suposiciones, las propiedades (Volumen, Presin y Temperatura) en estos estados, para el caso terico 2 son las mismas mostradas y encontradas en el anlisis del caso terico 1, en las ecuaciones (46), (47), (48), (49), (50), (51) y (52).

Luego la eficiencia trmica del ciclo ser: ecuacin tomada de [9] adicionando el trabajo de bombeo.

Trabajo del ciclo ecuaciones tomadas de [9]: dado que P=CV^-k

Para el proceso 2-x el volumen es constante y es un calor adicionado entonces [9]: (68)En el proceso x-3 la presin es constante y se adiciona calor [9]: (69)

Proceso 3-4 es similar al proceso 1-2 (70)Entonces el trabajo del ciclo se calcula sumando todos los trabajos obtenidos anteriormente

6) Anlisis6.1.1. Motor de pruebaDado que es difcil calcular la cantidad de aire de entrada por unidad de tiempo se usa una estimacin, para eso se usa un orificio calibrado en un tanque y se mide la cada de presin y luego en la grafica del orifico para este caso 1,183 [in], se encuentra el caudal de aire. Sin embargo siempre habr errores en la calibracin del contenedor.

El flujo msico medido debe ser menor que el flujo msico terico ya que este se toma como lmite superior.

El flujo msico de combustible depende de la potencia generada por el motor a mayor numero de revoluciones mayor ser el flujo de combustible, hasta que llega a un punto de inflexin segn las graficas de catalogo alrededor de las 1500 [rpm]

6.1.2 caso terico 1 Siguiendo lo estudiado en el curso de termodinmica todos los estados cumplen con los esperado en las 3 variables medidas, presin, volumen y temperatura solo se duda de la temperatura en 7 ya que esta est en 265,12 [K] lo cual no es un valor muy lejano pero si es inferior a la temperatura ambiente que se tena en el lugar a la hora de hacer las pruebas. Hay consistencia en unidades y magnitudes esperadas a lo largo del ciclo dual.

La eficiencia trmica del ciclo cercana a los 67,5% muestra que es un caso completamente ideal ya que las eficiencias de motores reales de encendido por compresin estn por debajo de los 35-38%, lo cual cumple con los requerimientos y suposiciones del caso terico 1.

Adems segn la grafica de la caracterstica externa de velocidad para 960[rpm] se tiene una potencia de 5 [Hp], que en [W] equivale a 3728,5 [W] esto es esperable ya que el motor est funcionando a 1 atmosfera de presin por ende habr ms oxigeno disponible para llevar a cabo la combustin y generara mas potencia

7) ConclusionesSe concluye que al conocer mtodos ms precisos, para la toma de datos y para el anlisis de combustin interna en cuando a los procesos de adicin de calor a volumen y presin constante llevara a menos variacin entre los 2 casos, ya que la adicin de calor a volumen y presin constante son solo una idealizacin del proceso y no ocurre a esas condiciones.Se debe tener en cuenta la fiabilidad de los datos suministrados por el ingeniero a cargo de la prctica ya que parece ser muy alta dado que son 3 lecturas de cada dato y se uso un promedio de ellas.

Universidad Nacional de Colombia, Motores de combustin interna. Hernndez Francisco, Prez Sebastin, Delgado Christian.

13

Anexo APLANEACIN DE PRUEBAvariables requeridasVariables asociadas a medir

Nombresmbolo UnidadesModeloNombresmbolo UnidadesInstrumento / Modelo

potencia al frenoWbWtipo de combustibleReferenciado por el encargado del laboratorio

potencia en el generadorWgWvelocidad del motorrpmtacmetro anlogo asociado al banco de prueba

eficiencia del generadorgen%resistenciasNR#numero de bombillos encendidos asociado al banco de prueba

Potencia corregida al frenobp_corrWtemperatura de entrada de refrigeranteT_inCtermmetro anlogo asociado al banco de prueba

Consumo especifico de combustible indicadom_combg/kWhrtemperatura de salida de refrigeranteT_outCtermmetro anlogo asociado al banco de prueba

Consumo especifico de combustible indicado corregidom_combcorrg/kWhrdelta de combustiblemkgbalanza electrnica

relacin Aire combustibleRacKgair/Kgfueltiempo de cambio de combustibletsCronometro

eficiencia trmica indicadat%gasto msico por unidad de tiempom_fuelkg/s

Eficiencia trmica al freno corregidatcorr%Cilindrajecilm^3 Datos lister y conversin

eficiencia mecnicam%masa del peso en la balanzaMkgbalanza mecnica

masa asociada al torquemtKgbalanza mecnica

presin media efectiva al frenobmepPaFlujo de refrigerantem_refm^3/Hrotmetro asociado al banco de prueba

Potencia de Friccin EstimadaWfWVoltajeVVvoltmetro electrnico fluke 77

Calor Perdido en los Gases de Escape EstimadoQperdKJ/kgCorrienteIAampermetro anlogo asociado al banco de prueba

temperatura de los gases de escapeTescCfluke 51- termocupla tipo K

T ambienteTambCtermmetro anlogo asociado al banco de prueba

presin localPlocalKpa[ ]Bibliografa

Humedad relativaHR%higrmetro anlogo asociado al banco de prueba

delta de presin de aire de entradaP_orificioin_H2OManmetro de medicin de vacio

Flujo msico de airem_airg/s[ ]Grafica para la determinacin de flujo msico

calor especifico de los gases de salidaCpKJ/kg K[ ] tabla propiedades de los gases a 1 atm

radio de aplicacin del parrm[ ] obtenido del catalogo del motor

constante universal de los gases RJ/Kg K[ ] ver tablas de constantes fsicas.

TorqueKg-f*m

torqueNm

Factor de correccin AtmosfricoFAN/A

parmetro de descarga del combustibleqc

parmetro caracterstico del motor FMFMcomo qc esta fuera de rango se toma FM=1,2

Factor de correccin de potenciaFP

Anexo BDatos suministrados [1]

RESIST.Vel.Rotac.( RPM)Carga Fb (Kg)H2O Enf [cm]Tem refrigerante (C)Datos Armadura GE

EntradasalidaVoltaje(V)Corriente(A)

179505,60125,822,60

9605,701,0074,0082,00127,722,80

9605,700,8074,0082,00127,322,70

9605,70127,822,80

Opacidad (%)COCO2O2SO2Nox

Prom.Max.(PPM)(%)(%)(PPM)(PPM)(%)

56,8060,30254210,906,30196,00219,0050,0

50,0

57,5050,0

50,0

TIPOLOGIA:MOTOR LISTER&DURSLEY FR1 4T ACOPLADO A FRENO TIPO GENERADOR ELECTRICO

Combustible utilizado: ACPM (Diesel fosil Corriente)

Hoja No___1__de__2___

Pamb local (KPa):75,00

W [Kgf]Fb[Kgf]Brazo(m)Dorificio (in):1,183

15,0015,000,30detcomb(s)=

60,00

Lectura Fuel(g)

Consumo (g/s) P Tobera.(in H2O)

T gases(C)

3090,00,120,42410,7

3086,50,42411,0

3081,00,320,42411,5

3062,0

TambR.Compresion: 22:1

(C)

20,7

20,7

20,5

Referencias [1]Laboratorista o datos suministrados por el ingeniero a cargo de la prctica[2] Internal combustin engine fundamental, Jhon B Heywood[3] http://es.wikipedia.org/wiki/gasoleo[4]Engineering fun damental of the internal combustin engine, Willard W. Pulkrabek[5]An introduction to Combustion concepts and aplication, Stephen R. Turns[6]Gua de laboratorio suministrada[7] http://es.wikipedia.org/wiki/Constante_universal_de_los_gases_ideales[8] grafica de admisin de aire de diferentes dimetros de orifico calibrado.[9]Fundamentos de termodinmica tcnica Moran. Shapiro.[10]