CALCULO DE LA POTENCIA AL FRENO

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CALCULO DE LA POTENCIA AL FRENO. CALCULO DE LA POTENCIA AL FRENO.

La potencia disponible en el eje de una máquina se conoce como la potencia al freno y la

La potencia disponible en el eje de una máquina se conoce como la potencia al freno y la

designaremos como Ne.

designaremos como Ne.

Motor Gasolina :

Motor Gasolina :

El motor a gasolina utiliza un freno hidráulico y para la determinación de la potencia se usan

El motor a gasolina utiliza un freno hidráulico y para la determinación de la potencia se usan

las siguientes ecuaciones.

las siguientes ecuaciones.

Donde :

Donde :

y

ynn En revoluciones por minuto.En revoluciones por minuto. y

yW W Lectura del Dinamómetro en lb-f.Lectura del Dinamómetro en lb-f. y

yRR Radio de palanca 0.525 ft.Radio de palanca 0.525 ft.

Motor Diesel :

Motor Diesel :

El freno utilizado para medir el torque y la potencia es un dinamómetro eléctrico. Este

El freno utilizado para medir el torque y la potencia es un dinamómetro eléctrico. Este

dinamómetro utiliza una báscula para medir la fuerza que está operando sobre su armadura.

dinamómetro utiliza una báscula para medir la fuerza que está operando sobre su armadura.

La línea de acción de la báscula actúa a una distancia de 30 cm del eje del dinamómetro, es

La línea de acción de la báscula actúa a una distancia de 30 cm del eje del dinamómetro, es

decir que éste es el radio del torque.

decir que éste es el radio del torque.

Antes de calcular la potencia al freno se calculará el torque generado según:

Antes de calcular la potencia al freno se calculará el torque generado según:

Siendo :

Siendo :

F =Fuerza neta que actúa=Fuerza neta que actúa

Entonces :

Entonces :

R=

R=Radio del torque en mRadio del torque en m

W=

W=Peso que se coloca sobre el Peso que se coloca sobre el platilplatillo. Se dispone de dos pesas de lo. Se dispone de dos pesas de 10 y 5 10 y 5 Kg.Kg.

L=

L=Lectura que se hace en la báscula (Kg).Lectura que se hace en la báscula (Kg).

F=

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Debe tenerse en cuenta lo siguiente :

Chequear el ajuste correcto de la báscula. En caso necesario mover la aguja a su posición correcta.

Al efectuar la lectura en la báscula, la aguja indicadora de la armadura debe estar coincidiendo con la marca horizontal de la armadura.

La potencia al freno se calcula como sigue:

Potencia Ne=Trabajo/tiempo

Para una revolución el trabajo es : 2(Pi)RF Para n revoluciones por minuto : 2(Pi)RFn Para el caso R=0.3m

La potencia desarrollada dentro del cilindro del motor por la expansión de los gases de la combustión se conoce como potencia indicada y la designamos como Ni. Parte de esta potencia es necesaria para vencer la fricción de las partes móviles de la máquina (perdidas mecánicas), mover los elementos y accesorios, cargar el aire fresco dentro del cilindro en la carrera de admisión y expulsar los gases residuales en la carrera de escape (trabajo de

bombeo) . Por lo tanto la potencia disponible en el eje En es inferior a la potencia desarrollada dentro del cilindro Ni . Siendo Nf la potencia de fricción. Ni será igual a:

La potencia de fricción Nf es la suma de las pérdidas mecánicas y el trabajo de bombeo. Esta potencia varia según las condiciones de operación del motor y es difícil de estimar

experimentalmente con exactitud. Un método aproximado consiste en acoplar el motor a un dinamómetro eléctrico y considerar que Nf es la potencia requerida para impulsar el motor apagado . Dentro de una serie de condiciones específicas (Velocidad , Temperatura de aceite y Agua, Grado de Apertura del Acelerador ,etc.).

5. RENDIMIENTO MECÁNICO

Considerando Nf y Ne para diferentes velocidades se puede determinar Ni por lo tanto el rendimiento mecánico m que está definido por el factor :

6. PRESIÓN MEDIA EFECTIVA.

Puede determinarse dos clases de Presiones Medias:

yPresión Media Efectiva al Freno yPresión Media Indicada

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Motor de Gasolina:

Donde

yPme :Presión media efectiva por cilindro yA : Área del pistón en m^2.

yL : Carrera del pistón en m. yz : Número de cilindros . yNe(total): Potencia del motor. yn : RPM.

yW : Carga en el manómetro en lb-f. yK :

o 1 Para motor de dos tiempos. o 2 Para motor de cuatro tiempos.

Motor Diesel:

Donde

yPme :Presión media efectiva por cilindro yA : Área del pistón en m2

yL : Carrera del pistón en m. yz : Número de cilindros . yNe(total): Potencia del motor. yn : RPM.

yF :Fuerza neta (Kg) yK :

o 1 Para motor de dos tiempos. o 2 Para motor de cuatro tiempos.

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7. FACTOR DE CONSUMO DE AIRE PARA CORRECCIÓN DE LA POTENCIA.

Para un mismo motor el valor experimental de la potencia, es diferente para diferentes condiciones ambientales locales (del lugar donde se efectúa la prueba), por ello el fabricante indica sus características a las condiciones ambientales "standard" o nominales establecidas por la S.A.E. Society of Automative Engineers y mostradas a continuación:

yTemperatura del aire seco : 15.6ºC ( 60ºF) yPresión atmosférica : 760 mmHg (29.92 pulHg)

Para que la potencia experimental obtenida a condiciones locales, pueda ser proyectada a otras condiciones atmosféricas diferentes, o pueda ser comparada con datos de potencia especificados por el fabricante (bajo condiciones "standard"), se debe efectuar la debida corrección, multiplicando la potencia experimental obtenida en el motor a las condiciones locales, por el coeficiente Cf. A pesar que el uso de este factor Cf no es aceptado por norma, se constituye en una buena aproximación, y por ello que se indica en la siguiente ecuación.

Donde :

yPa : Presión barométrica local en mmHg

yTa : Temperatura absoluta local del aire seco (ºK)

8. CONSUMO DE COMBUSTIBLE B,b.

B : Consumo horario de combustible en masa por unidad de tiempo.

b : Consumo específico másico horario de combustible en masa por potencia - tiempo. El consumo específico de combustible b es un parámetro de primer orden que muestra la capacidad de la máquina para convertir una cantidad determinada de combustible en trabajo. En las especificaciones nominales del motor, este parámetro es preferido a la eficiencia

térmica por estar dado en unidades "estándar". El método aceptado para medir la cantidad de combustible usado por un motor es el de pesar el combustible consumido en un intervalo de tiempo, obteniéndose el consumo medio de combustible durante el periodo de prueba. Por medio de este método se consiguen valores muy

aproximados, pero su implementación es bastante compleja; por lo cual se prefiere una práctica más simple pero no aceptada formalmente y que es la que está

implementada en el laboratorio, la cual consiste en la medición del volumen de combustible en un intervalo de tiempo

determinado y convertir el volumen a masa o peso, utilizando la densidad o el peso

específico. Bajo el procedimiento

semiautomático, se admite manualmente combustible en un banco de buretas; el nivel baja al fluir el combustible al motor, al

encontrarse el nivel con un diodo fotosensible este activa un reloj;

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posteriormente al seguir bajando el nivel, llega hasta el punto inferior donde hay otro diodo fotosensible que detiene la marcha del reloj. Esta operación puede realizarse de modo manual utilizando un cronometro y verificando visualmente los pasos del nivel.

Los consumos de combustible vienen dados por las fórmulas:

Donde :

y§ Densidad del combustible en gm/cm3.

yV Volumen consumido medido en la bureta en cm3 .

yt Tiempo gastado en consumir el combustible de la bureta en segundos.

9. RENDIMIENTO TÉRMICO

A este rendimiento térmico también se le podrá llamar rendimiento indicado. El trabajo máximo de una cantidad determinada de combustible puede obtenerse a partir de la fórmula de CODY STODOLA que corresponde con diferencias despreciables al "Poder Calorífico '' o "Efecto Térmico" que se define como la cantidad de calor que se libera cuando se enfrían los productos de la combustión hasta la temperatura inicial.

Solamente puede alcanzarse el aprovechamiento máximo de combustible cuando el proceso de la combustión se realiza de manera reversible. No debe existir proceso irreversible como

estrangulación, rozamiento o transmisión de calor a las paredes. Además el Fluido que realiza trabajo debe llevarse desde la presión y temperatura del medio ambiente hasta las condiciones de combustión , en procesos reversibles. En realidad ,en toda máquina de combustión interna existe una pérdida muy grande ligada al proceso de combustión que en la práctica se realiza irreversiblemente.

El rendimiento térmico definido termodinámicamente es la relación entre el trabajo

desarrollado por el ciclo y el calor suministrado al mismo, es en realidad el que indica el grado de irreversibilidad con que la máquina eléctrica realiza el proceso de combustión . En el mejor de los casos esta eficiencia alcanza el 40% ; de acá , su influencia en el rendimiento total del motor.

n

 

= Trabajo desarrollado en el cilindro / calor suministrado

Si el trabajo indicado Wi (desarrollado en el cilindro) lo tomamos por unidad de tiempo lo

mismo que el calor suministrado y aplicando el factor de conversión de trabajo en calor tendremos:

o Hi: Poder calorífico del combustible (Kjul/Kg) o H: Calor suministrado por el combustible en Kw o Ni: Potencia indicada en Kw

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o B: Consumo horario de combustible en Kg/h o Nf:Potencia de fricción en Kw

10. PODER CALORIFICO DE COMBUSTIBLES (Hi)

El poder calorífico de un combustible puede darse con bastante exactitud por las siguientes fórmulas:

Para combustibles livianos como la gasolina :

En Kw Para combustibles pesados como el fuel oíl:

Para combustibles medios como el petróleo:

Con aproximación puede usarse la siguiente formula que relaciona el poder calorífico inferior y superior :

Donde w es el % de agua.

11. RENDIMIENTO TOTAL O EFECTIVO.

Se define como la relación entre la energía liberada por la combustión del combustible y la potencia obtenida en el eje; es el parámetro que muestra la capacidad de la máquina para convertir la energía química del combustible en trabajo útil disponible en el eje.

12. RELACION AIRE- COMBUSTIBLE ( A/C)

Al analizar el rendimiento de un motor de combustión interna es de gran importancia

determinar las cantidades relativas de aire y combustible presentes en la mezcla suministrada. Esta relación puede obtenerse con gran precisión mediante el análisis químico de los gases de escape. Sin embargo también puede determinarse efectuando las mediciones por separado del aire y del combustible suministrado al motor en un tiempo determinado.

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A/C=ºG/B

ºG= consumo real de aire Kg/h B= consumo horario de combustible Kg/h

Se ha encontrado experimentalmente que es necesaria una relación definida para obtener la máxima potencia y otra relación diferente para máxima economía. La máxima economía del motor se obtiene cuando la liberación sea máxima. Esta condición se logra cuando el

combustible se quema completamente.

La siguiente curva representa las características de un motor de encendido por chispa en función de diferentes relaciones aire-combustible.

Las características de un motor Diesel se especifican en la siguiente gráfica.

13. MEDICIÓN DEL CONSUMO DE AIRE ºG

Para efecto de los cálculos, se considera el aire a la entrada del orificio en condiciones atmosféricas. Para medir la diferencia de la presión a la entrada y salida del orificio se ha conectado un manómetro en U que se llena con alcohol cuya gravedad específica es 0.784. CALCULO

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Donde

 §=Pa/R*T en Kg/m`3. R 287 joul/KgºK  T: Temperatura en ºK

 Pa = Presión atmosférica en Pa = 133.32 * h mg [Pa]

La ecuación 2 para P pequeños. La ecuación 3 para todos los casos. Donde:

 ºV = volumen de aire por unidad de tiempo  G = peso de aire por unidad de tiempo  = f(m,Re)

Este valor se encuentra de la gráfica (1) según el valor del coeficiente "m" que depende del orificio o boquerel el que se está utilizando. ( hoja 9`).

 Ao = Área del orificio o boquerel en m2  d = Diámetro del orificio utilizado

 g = Aceleración de la gravedad 9, 81 m/s2  §= Densidad del aire en Kg/m3

 P = Presión atmosférica en Pa

 R= Constante del aire 287 joule/(KgºK)  T = Temperatura absoluta de aire (ºK)  P1 = Presión antes del orificio o boquerel  P2 = Presión a la salida del orificio

 P1-P2= P lectura del manómetro en mm de alcohol  SA = gravedad específica del alcohol 0,784 (a 18ºC)

 H = diferencia de alturas en el manómetro de alcohol en m.m

Si se quiere determinar el valor E deberá usarse la gráfica U determinando los valores de  deberá usarse la gráfica 2 determinando los valores de m, P y P1.

14. CALCULO DE PESO TEÓRICO DE AIRE ASPIRADO ºGt

El flujo teórico de aire que el motor puede aspirar se obtiene en unidades de desplazamiento por revoluciones del motor.

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Donde

 D = diámetro del cilindro en metros  L = carrera del pistón en metros

 n = (R.P.M.) Revoluciones del cigüeñal por metro  k= 1 motor de dos tiempos

 k= 2 motor de cuatro tiempos  §= Densidad del aire

15. RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO

Se define como la relación entre el volumen real de la carga de aire fresco tomado durante la carrera de admisión y el volumen teórico del desplazamiento total del pistón.

16. EQUIPO DE ENSAYOS TECQUIPMENT / LISTER.

REFERENCIA DEL MOTOR.

Tipo E:R.I. Estándar Diesel

Potencia efectiva 9 BHP a 1000 rpm

Dirección de rotación Antihorario mirando sobre el volante Nº de cilindros Uno de cuatro tiempos

Sistema de

enfriamiento Circulación forzada de agua por bomba Diámetro del pistón 95.2 mm (3.75 pul)

Carrera del pistón 114.3mm (4.5 pul)

Volumen de cilindrada 815 cm^3 (49.74 pul^3) Relación de compresión

Diesel 22 : 1 hasta 9 : 38. Variable Relación de compresión

Gasolina 8.87 : 1 hasta 5.97 : 1. Variable Magneto Tipo lucas FV 10W N Chispa variable

Bujía Lodge C-10. Hogera 0.015

Cámara de combustión Tipo Ricardo

Campo de revoluciones 750 a 1800 r.p.m.

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Temperatura de los

gases de escape Como Diesel 350ºCComo Gasolina 550ºC

Lubricación Por bomba de engranaje. Aceite S.A.E. 10w.Detergente Presión de aceite   Entre 20 y 40 lib-f/pul^2

Alimentación del

combustible Por gravedad

Alimentación del aire Por compresor con válvula de control graduable Arranque Dinamómetro Eléctrico. ( motor - generador) Tiempo de inyección 20º Antes del PMS

Tiempo de chispa 10º Antes de PMS

INSTRUCCIONES DE OPERACIÓN PREPARACIÓN

yChequear el nivel de aceite del motor

yAbrir las válvulas de combustible y asegurarse de que este circule por la tubería.

yDrenar las tuberías de burbujas de aire , especialmente en el caso de MOTOR DIESEL . yAbrir las llaves del agua de enfriamiento y chequear su circulación y el sobreflujo que

va al drenaje.

yAsegurarse que la tubería de escape esté abierta.

yAsegúrece que las válvulas de la presión de aire a los tanque de combustible este

abierta y las tapas de los tanques bien ajustadas.

yConectar la manguera para enfriamiento del indicador de presiones. yLa palanca de descompresión del motor debe estar en posición vertical. yLos interruptores de la corriente de alimentación debe estar abiertos.

ARRANQUE

VERSIÓN DIESEL

yColocar el volante de la unidad de compresión variable a una regulación de compresión

aproximada de 15 a 1 ver la curva de calibración.

yAjustar el volante del regulador de combustible (acelerador) a media velocidad. yLa palanca para el control de combustible OFF hacia la izquierda.

En el panel eléctrico.

yChequear el motor de arranque.

yVerificar que el Switch Mot/Gen está en la posición apagado (OFF).

yVerificar que el volante del reóstato ( Field/Rehostal ) esta girado completamente, esto

en la dirección antihoraria.

yAsegurarse que el switch de carga este en la posición "FULL SPEED" y que todos los

swiches de las resistencias de carga estén en OFF.

yConectar el interruptor principal de alimentación de energía eléctrica. Poner el switch

overspeed contactor.

yPoner a funcionar el compresor de aire. Para dar enfriamiento a la unidad de

compresión variable.

o Si el motor se va a sobre alimentar se abre la válvula de control de presión del

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estándar de prueba.

yPara arrancar gire el switch (Mot/gen) a la posición "motoring" y gira el volante del

reóstato (starting/motoring) "despacio" en dirección horaria hasta que el motor empiece a girar.

yIncrementar gradualmente la velocidad hasta aproximadamente 500 R.P.M. yMover la palanca del control de la bomba de injección hacia la derecha, (posición

Start) y después de unos segundos bajar la palanca de descompresión a la posición horizontal. El motor hará entonces su primera explosión y girará a una velocidad media de 1.000 R :P :M que fue regulada con anterioridad. Entonces mover el switch mot/gen a la posición "generating".

ySe hace funcionar el motor unos 5 minutos hasta que la temperatura del agua de

enfriamiento esté a más o menos 65ºC.(temperatura de salida del agua). Observar que la presión de aceite sea de más o menos 20 lb/pulg2.

yProceder a los ensayos .

ySeguir las instrucciones dadas para efectuar la práctica.

PARADA

VERSION DIESEL.

yReducir la velocidad del motor e ir quitando carga.

yCuando la velocidad sea mínima mover la palanca de control de combustible de la

bomba de una inyección hacia la izquierda, posición STOP :El motor entonces se parará .

yColocar la palanca de descompresión vertical yCerrar la llave de combustible.

yBajar los interruptores de la corriente de alimentación .

yEl agua y aire de enfriamiento deben circular por más o menos 10 minutos con el

objeto de enfriar el motor y la unidad de compresión variable. ARRANQUE MOTOR A GASOLINA OTTO.

ySeguir las instrucciones de PREPARACION dadas para el arranque con motor DIESEL yPoner una relación de comprensión aproximada de 7 :1.

yAjustar el regulador de la mezcla de combustible del carburador aproximadamente a

3.0.

yAjustar la chispa aproximadamente 10º antes del P.M.S.

ySeguir los pasos para arranque con DIESEL desde el punto (1) hasta el (6) en el panel

eléctrico.

yPoner el volante del acelerador a una posición media.

yAbrir el switch de encendido (chispa) a la posición ON. El motor empezará a hacer

explosión y se acercará a una velocidad aproximada de 1.200.

yDespués de unos segundos el switch MOT/GEN debe ser colocado en la

posición GENERATING.

yDejar funcionar el motor cerca de 5 minutos hasta que la temperatura del agua de

enfriamiento llegue a 60ºC aproximadamente.

yProcedimiento a los ensayos.

Aplicar progresivamente la carga por medio de los switchs y seguir las demás instrucciones dadas para realizar la practica chequear durante los ensayos la presión de aceite, que debe estar entre l8 y 40 lb/cm2, temperatura del agua y cualquier otra medida que se presente. PARADA

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VERSIÓN MOTOR A GASOLINA OTTO

yReducir la velocidad del motor e ir quitando carga

yPoner el switch de encendido en posición OFF. El motor se apagará en ese momento. yAplicar el botón rojo del overspeed contactor. Si el compresor esta funcionando,

apagarlo.

yDejar la palanca de descompresión en posición vertical. yCerrar la llave de combustible.

yBajar los interruptores de la corriente eléctrica.

yEl agua y aire de enfriamiento deben circular por 10 minutos más con el objeto de

enfriar el motor y la unidad de compresión variable. ADVERTENCIAS

En ningún caso intente parar el motor moviendo las palancas de descompresión o cerrando la entrada de combustible.

PARADAS DE EMERGENCIA

Para el caso de motor Diesel, mover la palanca de control de combustible de la bomba de inyección a la posición STOP ( izquierda )

En caso de motor a gasolina Otto, mover el switch de encendido a la posición OFF. Antes de intentar arrancar la máquina de nuevo, corregir la falla

OPERACIÓN EN FUNCIONAMIENTO

Seguir las aplicaciones dadas para el ensayo.

yAumentar la carga gradualmente.

yChequear de vez en cuando la presión de aceite.

yObservar que el nivel de aceite no se rebose o riegue sobre la maquina.

yTener cuidado que el motor no se valla a quedar sin combustible por tener las llaves

cerradas

yEstar pendiente a cualquier anomalía que se presente.

CALCULO DE FLUJO DE AGUA DE ENFRIAMIENTO.

La máquina tiene acondicionado un rotámetro con el fin de medir el caudal de agua circulante. Téngase en cuenta que la lectura del flotador debe promediarse debido a su oscilación vertical. La altura en cm a la cual se eleva el flotador se apunta y luego con ella se va a una gráfica donde se obtiene el caudal de agua en litros/min.

CÁLCULO DEL CONSUMO DE AIRE ºG

Referenciado en Report of ASME Special Research Conmittees of F luid Meter New York 1937 .

Cálculos según British Standar 726/1957 apéndice a sección 2.

Donde

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 =2.36E-6

 m =Relación de áreas

 (d/D)2 =0.173 (valor constante)  E=Coeficiente de velocidad

 E=1/(1-m2 )=1.016(valor constante)  d=diámetro del boquerel

 d=25mm

 D=Diámetro del tubo

 D=60mm

 C=Coeficiente del boquerel  C=0.985

 P=Diferencia de presión a la entrada y salida del boquerel en mm de agua  P2=Presión a la salida del boquerel en mm de Hg

 P1=Presión a la entrada del boquerel ;lectura del manómetro  T=Temperatura absoluta del aire a la salida del boquerel ºK

 =Coeficiente de expansión debido al cambio en la densidad por la

aceleración del aire en el boquerel

Ejemplo :

Ensayo con motor Diesel a 1500 rpm con sobrealimentación. Carga de resistencia constante

Variación de la velocidad

Presión atmosférica=750 mm de Hg (presión de admisión total) Temperatura ambiente 18ºC=291ºK

Datos obtenidos en el ensayo :

yP=28 mm de agua yP1=204 mm de Hg yTa=291ºK Cálculo : ºG=6.477*10-3 Kg/seg ºG=23.317 Kg/hora

Figure

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Referencias

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