Desarrollo de un sistema para la medición de consumo de combustible en motores de combustión interna

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(1)DESARROLLO DE UN SISTEMA PARA LA MEDICIÓN DE CONSUMO DE COMBUSTIBLE EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA. DAVID GREGORIO ORTEGA PRADA. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA BOGOTÁ D.C. 2009.

(2) DESARROLLO DE UN SISTEMA PARA LA MEDICIÓN DE CONSUMO DE COMBUSTIBLE EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA. Trabajo de grado presentado como Requisito para optar al título de Ingeniero Mecánico. DAVID GREGORIO ORTEGA PRADA. Asesor: MSc. Rafael G. Beltrán Pulido Ing. Mecánico. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA BOGOTÁ D.C. 2009 2.

(3) AGRADECIMIENTOS. A Dios por permitirme crecer en la familia que él dispuso para mí. Por darme la oportunidad de estudiar en esta gran universidad. Y por hacerme guardar la ilusión de luchar por un futuro mejor para mi país. A mis padres, hermanas y familiares por estar siempre ahí apoyándome, por su esfuerzo y dedicación para hacer de mi la persona que soy. A mi asesor, profesor Rafael G. Beltrán por brindarme su conocimiento y experiencia para el desarrollo de este proyecto, y enseñarme la humildad y la sencillez para hacer las cosas. Al profesor Álvaro Pinilla por enseñarme a que cada trabajo en ingeniería requiere de valor, esfuerzo y sacrificio para llevarlos a cabo. Al técnico encargado del laboratorio de conversión de energía Hugo Sierra por brindarme su amistad, conocimiento y apoyo incondicional durante estos seis meses de trabajo en el laboratorio. A los técnicos de laboratorio Ramiro Beltrán, Jorge Reyes, Juan Carlos García, Omar Rodríguez y Juan David Hernández por brindarme su colaboración y amistad para la realización de este proyecto. Y por último, a todas las personas que de una u otra forma me dieron su mano, conocimiento y enseñanzas para la vida durante estos últimos cinco años.. 3.

(4) TABLA DE CONTENIDO Pág. INTRODUCCION………………………………………………………………………………………………………………10 OBJETIVOS………………………………………………………………………………………………………………………12 1. CAPITULO I – CONCEPTOS GENERALES DE LOS MOTORES DE COMBUSTION………13 1.1 Los Motores de Combustión Interna…………………………………………………..………..13 1.2 Ciclo de Otto - Motor 4 Tiempos gasolina ……………………………………………….…..14 1.3 El Proceso de Combustión…………………………………………………………………………....16 1.4 Combustibles líquidos en Colombia para Motores de Combustión Interna…..17 1.4.1 Gasolina Corriente…………………………………………………………………….17 1.4.2 Gasolina Extra…………………………………………………………………………..18 1.4.3 Diesel Corriente………………………………………………………………………..18 1.4.4 Diesel Extra……………………………………………………………………………...18 1.4.5 JET 1A……………………………………………………………………………………...19 1.4.6 Gasolina de Aviación grado 100………………………………………….…...19 1.5 Clasificación de los Motores de 4 Tiempos…………………………………………………..20 1.6 Relaciones generales de los motores de combustión de 4 tiempos…….………..21 1.7 Componentes de los Motores de 4 Tiempos…………………………………………………25 2. CAPITULO II – SISTEMAS DE MEDICION DE FLUJO PARA COMBUSTIBLES…………….28 2.1 Instrumentos de medición para el consumo de combustibles……………………...28 2.1.1 Flujometros Acumulativos…………………………………………………………...28 2.1.1.1 Medidores Volumétricos………………………………………….28 2.1.1.2 Medidores Gravimétricos………………………………………..29 2.1.2 Medidores de Tasa de Consumo………………………………………………….32 2.1.2.1 Flujometros de Desplazamiento Positivo………………….32 2.1.2.2 Flujometros de tipo Turbina (turbimetros)………………..35 3. CAPITULO III – ADECUACION Y PUESTA A PUNTO DEL BANCO DE PRUEBAS………..37 3.1 Sistema de Extracción de Gases para el uso de los motores de Laboratorio…37 3.2 Adecuación del Motor………………………………………………………………………………….41. 4.

(5) 4. CAPITULO IV – DISPOSITIVO DE MEDICION…………………………………………………………44 4.1 Trabajo Previo de Medición de Consumo de combustible……………………………44 4.2 Sistema de Medición Escogido…………………………………………………………………….47 4.2.1 Calibración del vaso de vidrio………………………………………………………………..48 4.2.2 Selección, Montaje y Calibración de los Sensores…………………………………..50 4.2.2.1 Los Sensores Capacitivos……………………………………….50 4.2.2.2 Calibración Previa de los Sensores…………………………54 4.2.2.3 Montaje de los Sensores………………………………………..55 4.2.2.4 Calibración en el Montaje final………………………..…….55 4.2.3 Programa para la adquisición de datos……………………………………………………57 4.2.4 Montaje final y Prueba de funcionamiento……………………………………………..59 5. CAPITULO V – PRUEBAS DE CONSUMO...................................................................62 6. CAPUTILO VI – RESULTADOS……………………………………………………………………………….63 6.1 Prueba N°1 - Velocidad de giro de 650 rpm………………………………………………...63 6.2 Prueba N°2 - Velocidad de giro de 900 rpm…………………………………………………64 6.3 Prueba N°3 - Velocidad de giro de 1200 rpm……………………………………………….64 6.4 Prueba N°4 - Velocidad de giro de 1500 rpm……………………………………………….65 6.5 Prueba N°5 - Velocidad de giro de 1700 rpm……………………………………………….66 6.6 Prueba N°6 - Velocidad de giro de 2000 rpm……………………………………………….66 6.7 Prueba N°7 - Velocidad de giro de 2300 rpm……………………………………………….67 6.8 Prueba N°8 - Velocidad de giro de 2500 rpm……………………………………………….68 6.9 Resumen de las Pruebas………………………………………………………………………………68 7. CAPITULO VII – ANALISIS DE RESULTADOS………………………………………………………….70 8. CAPITULO VIII – CONCLUSIONES………………………………………………………………………...72. BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………………………………………………………...73. 5.

(6) LISTA DE FIGURAS Pág. FIGURA 1. Ciclo de combustión en motores de cuatro tiempos………………………………15 FIGURA 2. Motor en línea……………………………………………………………………………………….20 FIGURA 3. Motor en V…………………………………………………………………………………………….20 FIGURA 4. Motor Bóxer………………………………………………………………………………………….21 FIGURA 5. Mecanismo del motor de combustión de cuatro tiempos………………………22 FIGURA 6. Partes importantes del motor de 4 cilindros en línea…………………………....25 FIGURA 7. Medidor Volumétrico…………………………………………………………………………....29 FIGURA 8. Medidor Gravimétrico…………………………………………………………………………..29 FIGURA 9. Medidor Gravimétrico de Puente de ponderación…………………………………30 FIGURA 10. Circuito integrado de bomba con retorno y medidor gravimétrico……..31 FIGURA 11. Medidor de desplazamiento positivo de Paletas Deslizantes……………….33 FIGURA 12. Medidor de desplazamiento positivo de tipo Tri-rotor………………………..33 FIGURA 13. Medidor de desplazamiento positivo de tipo Birotor…………………………..34 FIGURA 14. Medidor de desplazamiento positivo de Pistón Oscilante……………………34 FIGURA 15. Medidor de desplazamiento positivo de Rueda Oval…………………………..35 FIGURA 16. Flujometro de tipo Turbina………………………………………………………………….36 FIGURA 17. Caldera soldada a la tobera de extracción de gases……………………..….....37 FIGURA 18. T usada para el sistema de extracción de gases…………………………………..38 FIGURA 19. Brida fabricada para el sistema de extracción………………………………….....38 FIGURA 20. Extractor EMI utilizado…………………………………………………………………………38 FIGURA 21. Brida montada en la T para la extracción................................................39 FIGURA 22. Sistema de extracción de gases…………………………………………………………...40 FIGURA 23. Electro-ventilador………………………………………………………………………………..41 FIGURA 24. Interruptor Maestro…………………………………………………………………………….42 FIGURA 25. Bombas de gasolina……………………………………………………………………………..42 FIGURA 26. Velocidad de giro del motor en ralentí…………………………………………………43 FIGURA 27. Medidor Gravimétrico………………………………………………………………………...44 FIGURA 28. Toma de datos con ayuda de la balanza………………………………………………45 FIGURA 29. Densidad experimental de la gasolina………………………………………………….45 FIGURA 30. Cronómetro para las pruebas………………………………………………………………46 FIGURA 31. Montaje usando la balanza……………………………………………………………......46 FIGURA 32. Datos de consumo……………………………………………………………………………….47 FIGURA 33. Medidor Volumétrico………………………………………………………………………….47 6.

(7) FIGURA 34. Calibración del vaso para 600 ml………………………………………..……………….48 FIGURA 35. Calibración del vaso para 1000 ml……………………………………………………....49 FIGURA 36. Calibración del vaso para 1400 ml……………………………………………………....49 FIGURA 37. Calibración del vaso para 1800 ml……………………………………………………….50 FIGURA 38. Componentes del sensor capacitivo………………………………………………..…..51 FIGURA 39. Sensor capacitivo más detallado………………………………………………………….52 FIGURA 40. Ajuste de sensibilidad para el sensor capacitivo………………………………....53 FIGURA 41. Aplicaciones de los sensores capacitivos…………………………………………..…53 FIGURA 42. Diagrama de conexión Sensor AUTONICS CR18-88DP………………………….54 FIGURA 43. Calibración de los sensores………………………………………………………………….54 FIGURA 44. Montaje de los sensores………………………………………………………………………55 FIGURA 45. Preparación de la medida de la probeta………………………………………………56 FIGURA 46. Calibración de los sensores en el montaje final……………………………………56 FIGURA 47. Tarjeta National Instruments……………………………………………………………….57 FIGURA 48. Orden de conexión de los sensores en la Tarjeta…………………………………58 FIGURA 49. Programa implementado en LabVIEW…………………………………………………59 FIGURA 50. Montaje final...........................................................................................60 FIGURA 51. Programa en funcionamiento..................................................................60 FIGURA 52. Secuencia de la prueba………………………………………………………………………..61 FIGURA 53. Consumo acumulado para la Prueba N°1…………………………………………….63 FIGURA 54. Consumo acumulado para la Prueba N°2…………………………………………….64 FIGURA 55. Consumo acumulado para la Prueba N°3…………………………………………….65 FIGURA 56. Consumo acumulado para la Prueba N°4…………………………………………….65 FIGURA 57. Consumo acumulado para la Prueba N°5…………………………………………….66 FIGURA 58. Consumo acumulado para la Prueba N°6…………………………………………….67 FIGURA 59. Consumo acumulado para la Prueba N°7…………………………………………….67 FIGURA 60. Consumo acumulado para la Prueba N°8…………………………………………….68 FIGURA 61. Consumo de combustible experimental………………………………………………69 FIGURA 62. Comparación entre el consumo experimental y el teórico…………………..70. 7.

(8) LISTA DE TABLAS. Pág. TABLA 1. Consumo esperado de combustible………………………………………………………..11 TABLA 2. Composición de aire seco……………………………………………………………………….16 TABLA 3. Especificación típica de los medidores…………………………………………………….30 TABLA 4. Constantes dieléctricas de algunos materiales………………………………………..52 TABLA 5. Orden de conexión de los sensores………………………………………………………...57 TABLA 6. Velocidades de giro elegidas para las pruebas...........................................62 TABLA 7. Datos Prueba N°1 a velocidad constante………………………………………………...63 TABLA 8. Datos Prueba N°2 a velocidad constante…………………………………………………64 TABLA 9. Datos Prueba N°3 a velocidad constante…………………………………………….…..64 TABLA 10. Datos Prueba N°4 a velocidad constante……………………………………………….65 TABLA 11. Datos Prueba N°5 a velocidad constante……………………………………………….66 TABLA 12. Datos Prueba N°6 a velocidad constante……………………………………………….66 TABLA 13. Datos Prueba N°7 a velocidad constante……………………………………………….67 TABLA 14. Datos Prueba N°8 a velocidad constante……………………………………………….68 TABLA 15. Consumo promedio de la pruebas………………………………………………………...69 TABLA 16. Parámetros teóricos para el consumo……………………………………………………70 TABLA 17. Comparación entre el consumo experimental y el teórico………………….…70. 8.

(9) LISTA DE ANEXOS Pág. ANEXO 1. Ficha técnica de los Sensores capacitivos AUTONICS………………………………………75 ANEXO 2. Programa de LabVIEW diseñado……………………………………………………………………..79. 9.

(10) INTRODUCCIÓN. Desde la aparición del motor de combustión interna de cuatro tiempos de Nikolaus Otto en 1876, la gasolina se ha convertido en el combustible vehicular dominante desde 1900 hasta el día de hoy. Siendo la fuente de energía predilecta de energía y de gran influencia para el desarrollo de la humanidad en el sector del transporte. En los años 20’s las gasolinas usaban algunos agentes antidetonantes como plomo y manganeso en los 60’s para aumentar su octanaje, con el fin de cumplir con los requisitos de los motores de la época, los cuales tenían mayores relaciones de compresión. Pero el uso de estos compuestos solo duraría hasta los 70’s debido a los graves problemas ambientales que presentaba la presencia de plomo y manganeso en el aire respirable. A raíz de esto los países iniciaron acciones para reducir paulatinamente el uso principalmente de plomo en la gasolina y las petroleras se vieron en la tarea de desarrollar gasolinas de mayor octanaje sin el uso de estos elementos. Hoy en día es frecuente el uso de alcoholes como el etanol y el metanol, los cuales tiene una alta resistencia a la detonación y son más amigables con el medio ambiente. Por lo que el problema de medición del consumo de combustible se hace de vital importancia para poder evaluar el desempeño energético de los motores de combustión interna.. En este proyecto se pretende construir un dispositivo para la medición de consumo de combustible en un motor de combustión interna. El que se encuentra disponible en el laboratorio de conversión de energía de la Universidad de Los Andes, este motor es el de un Renault 12 de 1300 cc. Como primera aproximación a los flujos que se esperan, se debe tener en cuenta la velocidad de giro del motor, el desplazamiento, la densidad del aire y la eficiencia volumétrica del combustible. Además se debe tener en cuenta que para quemar 10.

(11) completamente la gasolina contenida dentro del cilindro típicamente se requieren entre 14 y 15 gramos de aire por cada gramo de combustible, con lo cual el consumo de combustible estaría dado por la siguiente expresión: . . . Donde: C hace referencia al consumo teórico de combustible, Vd al desplazamiento o cilindrada del motor en metros cúbicos, N a la velocidad de giro en rpm, ev a eficiencia !. volumétrica del combustible y . " . a la relación aire-combustible.. Tomando como parámetros: Vd = 1.3·10-3 m3 ; ρaire = 0.89 kg/m3 ; eν = 0.85 y (A/C)teo = 15. La siguiente tabla muestran los valores esperados de consumo de combustible para algunas velocidades de giro del motor con que se va a trabajar. Velocidad Desplazamiento de giro (rpm) 1300 cc. 500 0.98 kg/hr 1000 1.97 kg/hr 1500 2.95 kg/hr 2000 3.93 kg/hr 2500 4.92 kg/hr 3000 5.90 kg/hr 3500 6.88 kg/hr TABLA 1. Consumo esperado de combustible. El dispositivo a construir debe ser de fácil acople al motor, portátil y resistente a los fluidos con los que se va a trabajar. Así como se también se buscará que la adquisición de datos sea mediante una señal que pueda ser entregada a un computador para el intervalo de tiempo que se elija como principio y fin de la medición.. 11.

(12) OBJETIVOS. OBJETIVO GENERAL. Desarrollar un dispositivo para la medición de consumo de combustible para motores de combustión interna.. OBJETIVOS ESPECIFICOS:. 1. Entender el fenómeno de medición de flujo de combustible y su importancia para evaluar el desempeño de los motores de automóvil. 2. Seleccionar un método de medición adecuado a las condiciones en que va a operar el medidor. 3. Diseñar y construir un prototipo capaz de medir flujos de combustible y que sea portátil. 4. Realizar pruebas con el dispositivo acoplándolo a un motor de combustión interna.. 12.

(13) 1. CAPITULO I – CONCEPTOS GENERALES DE LOS MOTORES DE COMBUSTION. En este capítulo se hará una revisión de los conceptos generales de los motores de combustión interna, su funcionamiento, los tipos de motores y sus componentes principales. También se estudiarán los tipos de combustibles existentes, todo esto con el fin de contextualizar este proyecto.. 1.1 Los Motores de Combustión Interna El motor de combustión interna se define como un motor en el cual la energía química del combustible es transformada dentro del motor generando trabajo mecánico, en oposición al motor de combustión externa en el cual un combustor es usado para quemar el combustible. El motor de combustión interna fue concebido en 1876 por Nikolaus A. Otto quien construyó una máquina de cuatro tiempos de encendido por chispa usando un ciclo propuesto por Frenchman Beau de Rochas en 1862. En este tipo de motores la mezcla aire-combustible se comprime hasta una temperatura menor a la de autoencendido del combustible y la combustión se inicia con el encendido de la bujía que produce una chispa. Tiempo después en 1892 Rudolph Diesel logra la patente del motor que lleva su nombre, el cual difiere principalmente del motor de Otto en que el aire se comprime hasta una temperatura superior a la de autoencendido del combustible y la combustión se inicia al inyectar el combustible dentro de la cámara con el aire caliente, sin necesidad de chispa. El motor de Otto es usado principalmente en automóviles, motocicletas y botes, mientras que el motor de Diesel es usado en buses, camiones, generadores eléctricos y maquinaria pesada. Ambos tipos de motores pueden trabajar con ciclos de dos y de cuatro tiempos, y funcionan con el mismo principio de émbolo reciprocante que se alterna en el cilindro entre dos posiciones fijas. La fuerza sobre el émbolo se transmite a través de la biela hasta el cigüeñal del motor, y de este se obtiene la potencia producida por la detonación del combustible.. 13.

(14) Otro tipo de motor de combustión interna es el motor rotatorio, desarrollado en la década de 1950 por el ingeniero alemán Felix Wankel. Este utiliza un rotor triangular que gira alrededor de un eje excéntrico dentro de una cámara ovalada, al girar este rotor cumple con el ciclo de cuatro tiempos. Este motor tiene menos parte móviles y menos vibraciones frente a los de Otto y Diesel, pero sus altos costos de mantenimiento y de precisión en el ensamble lo hacen más difícil de encontrar en las carreteras. El último tipo de motor de combustión interna es la turbina, estas son principalmente usadas en la aviación por sus altos costos de fabricación y generación de potencia. Funcionan por etapas, en las cuales se comprime el aire a altas presiones y más tarde, se enciende una mezcla de aire-combustible que al descomprimirse impulsa los alabes que a su vez hacen girar el eje de la turbina produciendo potencia.. Dado que el motor con el que se va a trabajar en este proyecto es un motor de cuatro tiempos a gasolina, profundizaremos un poco más es este tipo de motores, haciendo a un lado los otros tres tipos de motores.. 1.2 Ciclo de Otto - Motor de 4 Tiempos Estas máquinas reciben su nombre porque el pistón ejecuta cuatro carreras completas, definiendo la carrera como el recorrido del pistón desde el punto muerto superior (PMS) hasta el punto muerto inferior (PMI) o viceversa, dentro del cilindro, y el cigüeñal completa dos revoluciones por cada ciclo termodinámico. Las carreras del pistón son: -. Carrera de Admisión: Ocurre cuando la válvula de admisión se encuentra abierta y permite la entrada de la mezcla aire-combustible hacia el interior de cilindro, desplazando el pistón desde el punto muerto superior (PMS) hasta el punto muerto inferior (PMI).. -. Carrera de Compresión: Ocurre cuando las válvulas de admisión y escape se encuentran cerradas, y el pistón se desplaza desde el punto muerto inferior (PMI) hasta el punto muerto superior (PMS) comprimiendo la mezcla airecombustible. 14.

(15) -. Carrera de Potencia: Un poco antes tes de que el pistón alcance su posición más alta (PMS), ), la bujía produce una chispa y la mezcla se enciende, con lo cual aumenta la presión y la temperatura del sistema. Los gases a alta presión impulsan el pistón hacia abajo hasta el punto muerto inferior inferio (PMI), el cual obliga a rotar al cigüeñal produciendo trabajo útil.. -. Carrera de Escape: Ocurre cuando el pistón se mueve hacia arriba hasta el punto muerto superior (PMS) y estando la válvula de escape abierta los gases de combustión son evacuados.. FIGURA GURA 1. Ciclo de combustión en motores de cuatro tiempos. 1. La anterior figura muestra el ciclo de combustión de un motor de cuatro tiempos para cada carrera del pistón y el diagrama PV del proceso real. real. 1. Tomado de: Çengel, Y. & Boles, M. (2006). Termodinámica (5ta ed). México: McGraw-Hill Interamericana. Pág. 494. 15.

(16) 1.3 El Proceso de Combustión Es un proceso mediante el cual al mezclarse un combustible y un oxidante en presencia de calor, se produce una reacción química en la que se oxida el combustible y se libera una gran cantidad de energía. Los combustibles líquidos utilizados generalmente son: La gasolina considerada como C8H18 para efectos de cálculo, el diesel considerado como C12H26 y el metanol considerado como CH3OH. Y el oxidante preferido es el aire por su fácil acceso, mientras que el oxígeno puro (O2) se emplea en aplicaciones especializadas para corte y soldadura. A continuación se observa en la tabla la composición química del aire. Elemento Porcentaje (%) Oxígeno 20,9 Nitrógeno 78,1 Argón 0,9 Carbono, Helio y Neón 0,1 TABLA 2. Composición de aire seco. Para el análisis de los procesos de combustión se considera que el aire seco está compuesto por un 21% de oxígeno y un 79% de nitrógeno, descartando los gases que se encuentran en pequeñas cantidades. Durante la combustión el nitrógeno se comporta como un gas inerte y no reacciona con otros elementos químicos, más que para formar una pequeña cantidad de óxidos nítricos. Así mismo el aire que entra a la cámara contiene algo de vapor de agua formando agua y humedad en el aire luego de la reacción, los cuales pueden tratarse como un gas inerte.. 16.

(17) Para que se lleve a cabo la combustión debe llevarse el combustible a una temperatura por encima de su temperatura de ignición. Por ejemplo para la gasolina son 260°C, para el carbón son 400°C, para el hidrogeno son 580°C y para el metano son 630°C. Y las proporciones entre combustible y aire deben estar en un nivel apropiado para que comience el proceso. Como se va atrabajar con un motor a gasolina, la ecuación de combustión estequiométrica para este proceso está dada por: # $ %&$ ' ()*+ ' ,-. + / 0 1 *+ ' 2 %+ * ' 3 + Asumiendo que todos los reactivos se trasforman completamente en los productos, lo que se conoce como combustión completa. Por el contrario si los productos de la combustión contienen algo de combustible o componentes de los reactivos no quemados como C, H2, CO ó OH se conoce como combustión incompleta, y es lo que en la realidad pasa, generalmente o hace falta aire en la cámara o sobra, lo que da una mezcla insuficiente.. 1.4 Combustibles líquidos en Colombia para Motores de Combustión Interna Los combustibles líquidos que se van a estudiar nacen en la empresa ECOPETROL S.A. con materias primas de crudo y gas procedentes de campos de producción de Casanare, Arauca, El Centro (Barrancabermeja) y La Guajira, los cuales llegan a las refinerías de Barrancabermeja y Cartagena, y salen como productos terminados siendo despachados hacia todo el país.. 1.4.1 Gasolina Corriente Este tipo de combustible líquido es una mezcla de más de 200 hidrocarburos distintos, provenientes de diferentes procesos de refinación del petróleo. Es tratada con soda cáustica para eliminar compuestos de azufre como sulfuros y mercaptos que tiene un comportamiento corrosivo. Y además tiene un 10% de alcohol carburante. El producto final que se vende tiene un índice antidetonante IAD de 81 octanos y las estaciones de servicio al público antes de distribuirla le adicionan dispersantes con el fin de prevenir la formación de depósitos en el sistema de 17.

(18) admisión de los motores. Generalmente la usan motores de baja relación de compresión (menos de 9:1) y en altitudes por encima de 2000 metros sobre el nivel del mar tienen un comportamiento adecuado en motores con mayor relación de compresión.. 1.4.2 Gasolina Extra Este tipo de combustible líquido es una mezcla de entre 200 a 300 hidrocarburos diferentes provenientes de diferentes procesos de refinación del petróleo. Al igual que la gasolina corriente es tratada con soda cáustica para eliminar los compuestos de azufre y contiene un 10% de alcohol carburante. El producto final que se comercializa tiene un índice antidetonante IAD de 87 octanos. Y al igual que la corriente también se le adicionan dispersantes en las estaciones de servicio al público antes de distribuirla. Generalmente la usan motores de alta relación de compresión (mayor de 9:1) y tiene buen comportamiento en la mayoría de motores en cualquier altitud.. 1.4.3 Diesel Corriente El diesel corriente conocido como aceite combustible para motores (ACPM), es una mezcla de hidrocarburos de entre 10 a 28 átomos de carbono provenientes de diferentes procesos de refinación del petróleo. Este producto tiene pequeñas cantidades de aditivos, los cuales mejoran el desempeño de este combustible. Es usado en vehículos con motores tipo diesel de trabajo medio y pesado, y para generar energía mecánica y eléctrica, en secadores industriales y calderas.. 1.4.4 Diesel Extra El diesel extra o premium conocido como aceite combustible para motores de bajo azufre (ACEM), es un producto obtenido de la destilación atmosférica del petróleo, el cual es usado especialmente como combustible en automotores de transporte urbano que operan bajo condiciones de baja y media exigencia, y tecnologías limpias. Este combustible se consigue solo en las terminales de oleoductos de Mansilla (Facatativa) y Puente Aranda (Bogotá). 18.

(19) 1.4.5 JET 1A El Jet 1A que también es conocido como turbocombustible o JP-1A, es un producto proveniente de la destilación atmosférica del petróleo, el cual tiene características de alta calidad y es usado como combustible para aviones con turbinas tipo propulsión o jet. No se recomienda usar este producto para usos diferentes al mencionado porque los vapores que genera son más pesados que el aire y por tanto tienden a depositarse en lugares bajos donde generalmente hay fuentes de ignición como pilotos de estufas, interruptores eléctricos, tomas de corriente y puntos calientes, pudiéndose generar un incendio. Este combustible es despachado en las refinerías de Barrancabermeja, Cartagena y Orito.. 1.4.6 Gasolina de Aviación grado 100 La gasolina de aviación grado 100 conocida también como Avigas, es un combustible producido a partir de gases de refinería como butilenos e isobutanos en el proceso de alquilación. Tiene un índice antidetonante IAP de 100 octanos y se le adiciona tetraetilo de plomo para subir su octanaje hasta 130 octanos, por lo que también se le conoce en el mercado como gasolina de aviación 100-130. El número 100 hace referencia a la capacidad antidetonante requerida para los motores de los aviones una vez alcanzan su velocidad de crucero y el número 130 hace referencia a la capacidad antidetonante requerida para el despegue del avión, momento en el cual estos motores desarrollan su máxima potencia. Esta gasolina es usada únicamente para aviones con motor de pistón y al igual que la JET 1A, los vapores que genera son más pesados que el aire y representarían un peligro inminente en lugares residenciales, por lo que no es recomendable para usos diferentes al mencionado. Está solo es despachada desde la refinería de Barrancabermeja hacia los aeropuertos colombianos.. 19.

(20) 1.5 Clasificación de los Motores de 4 Tiempos Los motores se clasifican generalmente según el número de cilindros y la disposición de estos en el bloque del motor. El número de cilindros comercial puede variar entre 1 y 8 cilindros para vehículos convencionales, y entre 10 y 16 cilindros para autos de competición y alto desempeño. Las disposiciones disposici de cilindros más conocidas son son: •. En Línea: Es la disposición de cilindros más conocida y antigua. En esta los cilindros están dispuestos en fila y paralelos entre sí a lo largo del de cigüeñal. Normalmente se pueden encontrar vehículos con motores hasta de ocho cilindros en línea dependiendo del tipo de vehículo.. FIGURA 2. Motor en línea. •. En ‘V’: En esta disposición los cilindros se agrupan en dos filas formando una letra V, y todos los cilindros convergen en el mismo cigüeñal. En estos motores el aire de admisión es succionado por dentro de la V y los gases de escape son expulsados por ambos lados. Los más comunes son los motores V6, V8, V10 y V12 usados tanto en autos de callee como en autos de competición.. FIGURA 3. Motor en V. 2 3. 2. Tomado de : http://blogs.eluniversal.com.mx/wweblogs_detalle.php IBIDEM. 20. 3.

(21) •. En Oposición, M Motor ‘Bóxer’: Es una disposición en la que los pistones están opuestos horizontalmente horizontalmente. En estos motores cada pareja de pistones se mueve simultáneamente llegando a los puntos muertos tanto inferior como superior simultáneamente. Generalmente se encuentran motores de este tipo hasta con ocho cilindros y hoy son usados por la escudería Porsche en algunos de sus modelos de calle.. FIGURA 4. Motor Bóxer. 4. 1.6 Relaciones generales de los motores de combustión de 4 tiempos Antes de mirar las relaciones generales de los motores de combustión interna, es importante definir algunos conceptos propios del funcionamiento de los motores útiles para entender mejor las rrelaciones. -. La Cilindrada o Desplazamiento (Vd): Se define como la diferencia entre el volumen máximo (volumen del punto muerto inferior) y el volumen mínimo para cada cilindro (volumen del punto muerto superior). superior El cálculo de la cilindrada es proporcional al área transversal de cada pistón, a la carrera y al número de cilindros del motor. La ecuación usada para el cálculo es:. Donde n hace referencia al número de pistones, b al diámetro del cilindro o bore (inglés), S a la carrera del pistón o stroke (inglés) y adicionalmente en la Figura 5, a hace referencia a la longitud de la manivela, L a la longitud de la biela, y θ al ángulo de rotación de la manivela. 4. IBIDEM. 21.

(22) FIGURA 5. Mecanismo del motor de combustión de cuatro tiempos. 5. -. El Punto Muerto Superior (PMS): Hace referencia a la posición de recorrido del pistón dentro del cilindro en la que el volumen contenido es el menor, conocido como volumen residual.. -. El Punto Muerto Inferior (PMI): Hace referencia a la posición de recorrido del pistón dentro del cilindro en la que el volumen contenido es el máximo.. -. La Carrera del Pistón: Corresponde a la distancia total recorrida por el pistón. Generalmente se conoce como stroke (S) en inglés, y la carrera se define como: 4 5 67. -. La Relación de Compresión: Es la relación entre el volumen contenido en el punto muerto inferior (v1) y el volumen residual contenido en el punto muerto superior (vr). Matemáticamente es: 89: & < 89; Para los automóviles las relaciones de compresión usualmente están desde 8:1 hasta 14:1 dependiendo del motor. . 5 Tomado de: Beltrán, R. (2009). Motores de Combustión Interna - Notas de clase. Colombia: Electiva de Pregado, Departamento de Ingeniería Mecánica, Uniandes.. 22.

(23) Con estos conceptos claros es pertinente hablar de las relaciones generales de los motores de combustión interna, las cuales son función de la geometría, la velocidad de giro, el torque y el consumo de combustible del motor.. •. La Posición del Pistón (y): Se puede conocer para cualquier instante de tiempo, si se conoce el ángulo de rotación de la manivela. Teóricamente la expresión está dada por: = > ' 6 ? @)>+ ? 6+ ABC+ D/&E+ ' 6 FGA HI. •. El Volumen Contenido en función de la posición del Pistón (V(θ)): Se puede conocer para cualquier instante de tiempo conociendo la posición del pistón (y) y el volumen contenido en el punto muerto superior. El volumen contenido en función de la posición está dado por al siguiente expresión: )D/ '. •. J + 2 =. 7. La Velocidad Media del Pistón (Ūp): Es dependiente de la velocidad de giro (N) y de dos veces la carrera, ya que el pistón por revolución debe recorrer una distancia igual a 2S. Teóricamente está dada por: MMMML 4 N K Si se deriva la posición con respecto al tiempo se puede llegar a encontrar la siguiente expresión para la velocidad instantánea del pistón. MMMML KL )D/ K. •. J 6 FGA D ABC D O ' + PQ )> ? 6+ ABC+ D/&E+ . La Potencia al Freno (RSb): Se define como la tasa de cambio a la cual el trabajo es realizado teniendo en cuenta la velocidad de giro (N) y el torque medido en el eje del motor (τ). TSU J V 23.

(24) •. La Potencia Media Efectiva al Freno (bmep): Se define como el trabajo realizado por unidad de tiempo, en otras palabras, es la razón entre la potencia al freno y el desplazamiento por unidad de tiempo del motor. 2WX . •. TSU 7J V )YZ[Z7\]WXZ^/ . El Consumo de Combustible Específico al Freno (bsfc): Es un parámetro relacionado con la eficiencia del motor. Se define como la relación entre el consumo específico de combustible (WSf) y la potencia al freno. 2^_3 . WS` WS` TSU 7J V . Adicionalmente, el consumo de combustible (C) está relacionado con la velocidad de giro (N), el desplazamiento del motor (Vd), la relación airecombustible (A/C), la densidad del aire y la eficiencia volumétrica del combustible. Al mismo tiempo se debe tener en cuenta que para quemar la gasolina contenida dentro del cilindro, típicamente se requieren entre 14 y 15 gramos de aire por cada gramo de combustible, con lo que el consumo teórico estaría dado por: . . . . . , . Donde: Vd hace referencia al desplazamiento o cilindrada del motor en metros cúbicos, N a la velocidad de giro en rpm, ev a eficiencia volumétrica !. del combustible y . " . •. a la relación aire-combustible.. La Eficiencia Térmica del motor (η): Esta definida como la relación entre la potencia al freno (TS b) y la potencia máxima producto de la multiplicación entre el consumo específico de combustible (WSf) y su poder calorífico (qc). Teóricamente la expresión está dada por:. 24.

(25) a . TSU 7 2^_3 b WS` b. 1.7 Componentes de los Motores de 4 tiempos En general los motores de cuatro tiempos tienen los mismos componentes, lo que cambia generalmente es el número de cilindros, la disposición de estos, la geometría del motor, etc. En la siguiente figura se pueden observar los principales componentes de un motor de cuatro tiempos de cuatro cilindros en línea.. FIGURA 6. Partes importantes del motor de 4 cilindros en línea. 6. 1. Múltiple de Admisión: En este elemento el aire de admisión es guiado hacia el interior de los cilindros por cada uno de los conductos. Estos están diseñados para que cada cilindro reciba idéntica cantidad de aire.. 6. Tomada de: http://www.elmundo.es/motor/MVnumeros/97/MV003/MV003taller1.html. 25.

(26) 2. Árbol de Levas: Es el encargado de regular la apertura y cierre de las válvulas, permitiendo la admisión de la mezcla aire-combustible y el escape de gases de combustión en los cilindros.. 3. Impulsadores: Se encuentran localizados entre las válvulas y el árbol de levas, interconectándolos con el fin de que las válvulas sigan el movimiento del árbol de levas. 4. Inyector: Es un dispositivo electrónico, que funciona como una electroválvula, es decir al recibir una señal eléctrica se abre y deja pasar la cantidad de combustible requerida hacia el interior para la combustión.. 5. Válvulas: Son elementos que comunican el cilindro con el exterior. Existen dos tipos de válvulas: Las de admisión, que permiten el paso de la mezcla aire-combustible y su temperatura puede alcanzar entre 200°C a 400°C durante su operación. Y las de escape, que permiten la salida de los gases de combustión hacia el exterior y su temperatura de operación puede pasar de 800°C. Generalmente en un motor de cuatro tiempos se tiene entre 2 a 4 válvulas por cilindro. 6. Correa de Distribución: Es el elemento que se encarga de transmitir el movimiento del cigüeñal hacia el árbol de levas, mediante el cual se accionan las válvulas de admisión y de escape. También reparte potencia a otros dispositivos del motor.. 7. Pistón: Es uno de los elementos más importantes del motor de combustión interna, y hace referencia a un émbolo que se ajusta al interior de las paredes del cilindro por medio de unos anillos. Efectúa un movimiento reciprocante con el cual se varía el volumen interno del cilindro haciendo posible las cuatro carreras del motor. 8. Medidor de Nivel de Aceite: Permite al usuario revisar el nivel de aceite antes de arrancar el motor, y así mantener su nivel dentro del rango aceptable para su operación. 26.

(27) 9. Cilindro: Es el alojamiento por donde se desplaza el pistón, y donde se realiza la explosión de la mezcla aire-combustible produciéndose trabajo mecánico. 10. Inyección: Es un dispositivo electrónico que controla la apertura de los inyectores, este funciona por medio de sistemas de control y sensores electrónicos.. 11. Filtro de Aceite: Es el encargado de retener toda partícula arrastrada por el flujo de aceite provocado por la lubricación, el desgaste y el proceso de combustión del motor. 12. Cigüeñal: Es el eje de salida del motor, y en el cual van conectadas las bielas del motor que se encargan de transformar el movimiento lineal en rotacional hacia el cigüeñal.. 13. Cárter de Aceite: Es el lugar donde está almacenado el aceite usado para la lubricación del motor. Además este protege al motor de la entrada de agua, polvo y de cualquier tipo de contaminante, y le brinda rigidez y consistencia. 14. Biela: Es un componente que conecta al pistón con el cigüeñal y está encargada de transformar el movimiento lineal de los pistones dentro de los cilindros en movimiento rotacional del cigüeñal.. 27.

(28) 2. CAPITULO II – SISTEMAS DE MEDICION DE FLUJO PARA COMBUSTIBLES LIQUIDOS. En este capítulo se hará una revisión de los instrumentos existentes para la medición de flujo de fluidos líquidos, sus partes y componentes importantes, así como también su tipo de respuesta al realizar la medición.. 2.1 Instrumentos de medición para el consumo de combustibles y otros líquidos Para la medición del consumo de combustible líquido es importante el control de temperatura del sistema con que se esté trabajando, en especial para la condición en la cual la bomba de combustible del motor posea retorno. Existen dos grandes grupos de instrumentos para la medición de flujo de combustible, a estos son: los Flujometros Acumulativos y Medidores de Tasa de Consumo. 2.1.1 Flujometros Acumulativos En este grupo encontramos dos tipos de medidores que se encuentran en el mercado: 2.1.1.1 Medidores Volumétricos: Miden el número de revoluciones del motor para consumir un volumen conocido de combustible de un recipiente calibrado. En la siguiente figura se puede observar un medidor volumétrico, el cual cuenta con un sistema de sensores ópticos que proporcionan una señal de tiempo precisa al momento de empezar y terminar la medición para cada uno de los volúmenes calibrados. La señal actúa como un contador, brindando un valor preciso para el número de revoluciones hechas por el motor durante la prueba de consumo.. 28.

(29) FIGURA 7. Medidor Volumétrico. 7. 2.1.1.2 Medidores Gravimétricos: iden el consumo de masa de combustible combustible, teniendo en cuenta el número de Miden revoluciones del motor motor. En la siguiente figura se puede observar un medidor gravimétrico, el cual está diseñado para medir la tasa de cambio de masa en un volumen de combustible, más específicamente consta de un vaso montado sobre una celda de carga,, desde el vaso el combustible es tomado hacia el motor por medio de un tubo sumergido conectado a la manguera de la bomba de combustible combustible.. FIGURA 8. Medidor Gravimétrico. 7 8. 8. Tomado de: Martyr, A. & Plint, M. (2007). Engine Testing (3rd ed). Warrendale: SAE International. Pág. 243 IBIDEM. Pág. 244. 29.

(30) Una forma un poco diferente de medir el flujo acumulativo de combustible es colocando la fuente de combustible en un puente de ponderación o weighting bridge (inglés) y midiendo el tiempo requerido para consumir un cierto peso de combustible. Un ejemplo de este sistema se puede observar en la siguiente figura. Generalmente se usa un contra peso, una balanza y un cronómetro para hacer la medición.. FIGURA 99. Medidor Gravimétrico de Puente de ponderación. 9. Se suelen elegir mucho más los medidores gravimétricos frente a los volumétricos porque se prefiere la medición en masa del combustible, combustible ya que el periodo de medición se puede tomar independiente de la tasa de consumo de combustible. Tanto para los medidores volumétricos como para los gravimétricos, las señales de salida se procesan de forma parecida; se usan voltajes de 11-10 V y señales análogas y digitales. Una especificación típic típicaa se puede observar en la siguiente tabla:. Rangos de Medición Combustibles a usar Interfaz de computo. 0-150 kg/hr, 0-200 kg/hr, 0-360 kg/hr Gasolina E10 y E20, y diesel Puerto serial RS232. TABLA 3. Especificación típica de los medidores. 10. Para esta familia de medidores (flujometros acumulativos) en general, general el consumo específico de combustible está determinado por tres cantidades medibles: la masa de combustible consumida, el n número mero de revoluciones del motor durante la prueba y eel torque promedio. El único y gran problema con el que se tiene que tratar es con el retorno o spillback (inglés) de combustible en. 9 10. Tomado de: Ferguson, C. & Kirkpatrick A. (2001). Internal Combustion Engines (2nd ed). New York, NY: John Wiley & Sons. Pág.108 Tomado de: Martyr, A. & Plint, M. (2007). Engine Testing (3rd ed). Warrendale: SAE International. Pág. 244. 30.

(31) algunas bombas y en los sistemas de inyección,, por lo que para estos casos hacer la medición en un poco más complejo. En la figura que sigue se puede observar un circuito que integra un medidor gravimétrico y el retorno de combustible.. FIGURA 10. Circuito integrado de bomba con retorno y medidor gravimétrico. 11. uando una medición de consumo es realizada, una válvula Para este caso cuando solenoide desvía el flujo de retorno, el cual normalmente vuelve al tanque durante la prueba, a la parte inferior del medidor. No es satisfactorio devolver el combustible proveniente del retorno a un filtro de combustible corrientes abajo del nivel, desde que el aire y vapor contenidos en el combustible del retorno lleve a variaciones en el volumen de combustible entre el medidor y el motor, y por tanto a valores incorrectos en la medición.. 11. IBIDEM. Pág. 246. 31.

(32) 2.1.2 Medidores de Tasa de Consumo Existen diferentes diseños de estos medidores en el mercado para distintas aplicaciones, no solo para combustibles fósiles, sino también para otros fluidos diferentes. Los siguientes factores se deben tener en cuenta para la decisión de seleccionar alguno de estos medidores: . Nivel de precisión. Sensibilidad a la temperatura y viscosidad del combustible. Diferencia de presión requerida para operar. Resistencia al desgaste y tolerancia a la suciedad. Lectura de la señal de salida análoga o impulsiva. Uso en motores estacionarios y no estacionarios.. En este grupo encontramos dos tipos de medidores que se encuentran en el mercado: 2.1.2.1 Flujometros de Desplazamiento Positivo Este tipo de flujometros mide la tasa de cambio de volumen de una corriente continua de flujo, por medio del encerramiento de un segmento del fluido en una cámara de volumen conocido y soltando el fluido en el lado de descarga del medidor. Mediante el monitoreo del número de paquetes de fluido para un período de tiempo conocido, el volumen total de flujo puede determinarse. Este tipo de flujometros generalmente absorben una pequeña cantidad de energía del fluido en movimiento. La absorción de energía es proveniente del gasto del fluido en mover partes del medidor y accesorios. Y está perdida de energía del fluido se puede observar como una pérdida de presión a través del medidor. Estos tipos de medidores tienen tres componentes básicos: Un alojamiento externo que actúa como una cámara de seguridad para el flujo de fluido antes y después de ser atrapado por el mecanismo interno. Un mecanismo interno que consiste de una pared de contención en la cámara de medición y los componentes movibles del medidor, que forman el apresamiento del fluido en movimiento en unas trampas mediante un movimiento repetitivo de estos elementos. Y un contador que se encarga de convertir el movimiento de la cámara de medición interna del medidor, y de mostrar la tasa de cambio de 32.

(33) flujo teniendo en cuenta la relación del número de trampas de fluido y volumen atrapado de este. Los medidores de este tipo pueden trasmitir el movimiento del mecanismo interno al contador a través de un switch de salida utilizando lizando técnicas magnéticas, ópticas o electrónicas para contar el flujo atrapado y mostrarr la tasa de cambio del fluido.. FIGURA 11.. Medidor de desplazamiento positivo de Paletas Deslizantes. FIGURA 12 12. Medidor de desplazamiento positivo de tipo Tri-rotor rotor. 12. 13. Los medidores de desplazamiento positivo más comunes son son: •. Deslizantes: Mediante la rotación de las paletas el fluido se Dee Paletas D transfiere a través de un único camino entre las paletas desde la entrada a la salida salida. Contando ontando el número de revoluciones del rotor, puede determinarse la cantidad de fluido que ha pasado. El cierre cie se lleva a cabo por la acción de las paletas sobre la pared de la cámara, mediante una combinación de presión de del líquido y fuerzas centrífugas. centrífugas En la Figura 11 se puede observar un ciclo completo de este dispositivo.. •. ri-rotor: Este diseño tiene ene tres partes rotativas que atrapan al De tipo Tri fluido entre los rotores y la pared exterior. La rotación de cada rotor con respecto a los otros es mantenido por un ensamble de tres engranajes engranajes, en donde cada eje de cada rotor es conectado a uno de estos. En la Figura 12 se puede observar un ciclo de este dispositivo. dispositivo. 12. Tomado de: Webster, J. (1999). The Measurement, Instrumentation, and Sensors Handbook. Florida, FL: CRC Press & IEEE Press. Pág.28-35 13 IBIDEM. Pág. 28-36. 33.

(34) FIGURA 13 13. Medidor de desplazamiento positivo de tipo Birotor. 14. FIGURA 14 14. Medidor de desplazamiento positivo de Pistón Oscilante. 14 15. 15. •. Birotor: Este medidor tiene dos rotores que se mantiene en Dee tipo Birotor perfecta sincronización, gracias a los engranajes de precisión que usa. El flujo puede entrar perpendicular o paralelo al eje de rotación de la pareja de rotores como sse puede observa en la Figura 13.. •. 14 el De Pistón:: En este dispositivo,, como se observa en la Figura 14, fluido entra en una cámara de precisión que contiene un pistón oscilante.. La posición del pistón divide la cámara en compartimentos que contienen un volumen exacto. La presión del líquido lleva el pistón a oscilar y girar sobre su eje central. Los movimientos del centro son. IBIDEM. Pág. 28-36 Tomado de: Oscillating Piston Flowmeter (2009, Noviembre 15). Smart Measurement Inc. [En línea]. Disponible le en: http://www.smartmeasurement.com/en/documents/flowmeter/PDOscillatingPiston.asp. 34.

(35) detectados a través de la pared del medidor por un imán seguidor. Cada revolución del eje del pistón es equivalente a un volumen fijo de líquido. El espacio estrecho entre el pistón y la cámara garantiza el deslizamiento mínimo de líquido para una medición edición muy precisa y repetible.. FIGURA 15 15. Medidor de desplazamiento positivo de Rueda Oval. •. 16. Oval: El medidor de rueda eda oval, que se muestra en la Figura F De Rueda O 15,, dispone de dos ruedas ovales que engranan entre sí y tienen un movimiento de giro debido a la diferencia de presión creada por el flujo de líquido. Tanto la cámara de medida como las ruedas están mecanizadas con gran precisión, con el fin de conseguir que el deslizamiento entre ellas se pro produzca duzca con el mínimo rozamiento y desplazando la misma cantidad de líquido en cada rotación rotación.. 2.1.2.2 Flujometros os de tipo Turbina (turbimetros) Este dispositivo consta de un rodete de turbina dentro de un tubo, por el cual pasa el fluido, su velocidad de rotación depende directamente del flujo del fluido. La velocidad del fluido se puede medir contando el número de aspas que pasan por un punto dado, por medio del uso de un transductor magnético en la proximidad para producir pulsos de voltaje. Mandado estos pulsos a un medidor electrónico y acumulando el número total de pulsos durante un intervalo de tiempo es posible obtener el flu flujo jo volumétrico del fluido. Resumiendo se encuentra que el flujo volumétrico del fluido depende de: de. 16. Tomado de: Webster, J. (1999). The Measurement, Instrumentation, and Sensors Handbook. Florida, FL: CRC Press & IEEE Press. Pág.28-36. 35.

(36) Donde: Q = flujo volumétrico [in3/s] n = velocidad de giro del rotor [rps] D = diámetro del tubo del medidor [in] γ = viscosidad cinemática [in2/s] En la siguiente figura se puede observar un medidor de tipo turbina.. FIGURA 16. Flujometro de tipo Turbina. 17. Es posible efectuar estas medidas con mayor precisión si la señal es digital, frente a si esta es análoga análoga,, aunque si esta es análoga los pulsos se pueden aplicar a una convertidor de frecuencias a voltaje, pero con una precisión menor como ya anteriormente se mencio mencionó.. 17. Tomado de: Doebelin, E. (1981). Diseño y Aplicación de Sistemas de Medición Medición. México: McGraw-Hill. Pág. 479. 36.

(37) 3. CAPITULO III – ADECUACION Y PUESTA A PUNTO DEL BANCO DE PRUEBAS Antes de comenzar con la parte experimental de este proyecto, es necesario revisar que todos los componentes tanto del motor de Renault 12, como del banco se encuentren en óptimas condiciones, reemplazando los que estén defectuosos. Así como también es necesario solucionar el problema del sistema de extracción de gases para el banco de pruebas ya que no se tiene uno para poder poner en marcha el motor.. 3.1 Sistema de Extracción de Gases para el uso de los motores de Laboratorio En el instante en que se llegó al laboratorio de conversión de energía se encontró con que la tobera de extracción usada para sacar los gases de escape de los motores de combustión interna con los que se cuenta, el de gasolina y el de diesel, estaba soldada a la caldera instalada como se puede ver en la siguiente figura.. FIGURA 17. Caldera soldada a la tobera de extracción de gases. Por lo que se debió considerar la idea de usar la T ubicada en el fondo del laboratorio que se encontraba sellada por una brida ciega de 28 cm de diámetro. Para el uso de la T se bajó la antigua brida (Figura 18) y se cambió por una fabricada con una salida (Figura 19), adicional a esto se adquirió un extractor EMI. 37.

(38) de seis pulgadas de diámetro y se montó con unos anillos (O-rings) sobre la nueva brida, para evitar fugas en la extracción los gases de escape (Figura 20).. FIGURA 18. T usada para el sistema de extracción de gases. FIGURA 19. Brida fabricada para el sistema de extracción. FIGURA 20. Extractor EMI utilizado. 38.

(39) En la siguiente figura se puede observa el montaje de la nueva brida con el extractor, con el fin de terminar el sistema de escape conectando una serie de tubos en acero y mangueras.. FIGURA 21. Brida montada en la T para la extracción. El sistema en resumen consta de: • Un extractor EMI de 6 pulgadas de diámetro. • Una brida con salida de 28 cm de diámetro. • Un tubo en acero. • Un tubo en acero en forma de L. • Dos mangueras de caucho grueso. • Una caneca de cinco galones en acero. • Una manguera para alta temperatura. En la Figura 22 se puede observar una secuencia de imágenes del sistema de extracción de escape construido para la extracción de gases.. 39.

(40) FIGURA 22. Sistema de extracción de gases. Los tubos usados son de acero AISI 1020. La caneca de cinco galones en acero se usó para expandir el gas, bajar la presión de este y disminuir la pérdida de potencia del motor. Las mangueras de caucho usadas aguantan entre 100°C y 150°C para las que se puede ver de color negro y para la de color rojo entre 180°C y 200°C (Figura 22 cuadros 4 y 5), esto con el fin de tener un rango más amplio de temperaturas ya que en promedio los gases en el exhosto salen entre 70°C y 90°C para velocidades de giro por debajo de 3000 rpm.. 40.

(41) 3.2 Adecuación del Motor Se empezó por revisar el estado de los elementos que conforman el sistema eléctrico del motor, los cuales son: • • • •. La Batería: La cual permite arrancar el sistema y funciona a 12 Voltios. El Motor de Arranque: Es un motor eléctrico, el cual se encarga de poner en marcha el motor haciendo girar el volante de este. El Alternador: Es un generador de corriente alterna mediante inducción electromagnética, este debe ser alimentado y además recarga la batería. El Electro-ventilador: Es un dispositivo que se encarga de mantener la temperatura del motor, se encuentra delante del radiador, accionado por un termostato y aumentando el intercambio de calor entre el agua de refrigeración y el aire exterior. (Figura 23). FIGURA 23. Electro-ventilador. •. El Interruptor Maestro: Cierra el circuito entre todos los componentes del sistema eléctrico y la batería, este debe permanecer abierto durante toda la prueba y consta de un botón maestro para poner en marcha todo el sistema. (Figura 24). 41.

(42) FIGURA 24. Interruptor Maestro. De igual manera se revisó el funcionamiento del motor arrancándolo y dejándolo durante 10 minutos prendido y se encontró que el nivel de aceite en la aguja aumentaba, es decir que estaba pasando gasolina al cárter de aceite, en otras palabras la bomba estaba ligando la gasolina con el aceite, por lo que se procedió a revisar la bomba de gasolina y se encontró que esta estaba averiada ya que como se puede ver en la Figura 25 el diafragma de la bomba averiada (derecha) estaba desgastado y poroso comparado con el diafragma de la bomba nueva (izquierda).. FIGURA 25. Bombas de gasolina. 42.

(43) De igual manera se dejó el ralentí del motor a 650 rpm, luego de instalar la nueva bomba de gasolina. Este procedimiento se hizo con el estroboscopio, detectando una banda reflectiva de color amarillo en la parte frontal del motor.. FIGURA 26. Velocidad de giro del motor en ralentí. 43.