Problemas Resueltos Motores de Combustion Interna

Datos:

a) El porcentaje de volumen de la cámara de combustión [%]

b) La presión y la temperatura al final de la compresión

c) El rendimiento al freno si k=1.4 i4 KW1000W _{P1 1bar} VH3L T1 293K rk 7 k1.4 Na150KW n5000rpm _TH30% _v80% _m80% rk 1_c c c 1 rk 1  c16.667% P2 P1 rk  k P2 1.525 10  6Pa T2T1 rk k 1 T2 638.127K _m T Hb _{T H} _THb_m_TH _{T Hb}24 %

e) El torque al freno

f) Presión media al freno

g) La potencia indicada Vc Vh rk 1  Vc125 cm 3 V1Vc Vh V1875 cm 3 Na    2n Na  2 n  Na 2n   45.595N m  t4 Pme Na t Vh n i   Pme3.82 10 5Pa _m Na Ni Ni Na _m  Ni187.5kW

Datos:

a) La relación de compresión y porcentaje de cámara de combustión

b) El grado de admisión de combustible Asumimos el grado de cierre de admisión de

de esta manera tenemos que la fracción de cierre de admisión

Pero y

Simplificando despejamos el valor de la relación de cierre

c) La relación de expansión y el rendimiento térmico

maire 0.65 kg_s P10.95bar T1(50273)K T2900K _THb65% k1.4 KJ1000J _r 0.9kg L  Raire 287 _{kg K}J_ rk



_

T2_T1



_

1 k 1  _{rk 12.96} c 1 rk 1  c8.361% Cierre6%

V3 rc V2



V1 rk V2



Cierre V3 V2  V1 V2 Cierre V2 rc 1 





V2 rk 1







rc Cierre rk 1 







1 _{rc 1.718} re rk rc  _{re 7.545}

d) Potencia efectiva al freno, consumo de combustible en l/hr

Si tenemos

y

si asumimos una relación de compresión de

con el dato de la densidad se tiene

la potencia al freno será

Tenemos que la masa que se introduce a la mezcla es de

El volumen total será

la Cilindrada será rkk 1



k rc 1









PCI 10500kcal kg  mc mce Nb THb Nb mc PCI _THb 1 mce PCI mce _ 1 THb PCI  _{mce 0.126} kg kW hr   RAC16 mc maire RAC  mc 10.4 kg_s mcc mc_ r  _{mcc 4.16 10} 4 L hr   mcc 0.012m 3 s  Nb mc mce  _{Nb 2.972 10}  5kW mt mc maire  mt 11.05 kg_s V1 mt Raire  T1 P1  V1 10.783m 3 s   VH V1 1 1 rk 













  VH 9.951m 3 s 

La presion media efectiva sera

El calor añadido sera

pem Nb_VH pem 2.987 10  4kPa _{pem 298.655bar} 

cp 1.0062 KJ kg K 

T3_{T1 rk} k 1 _rc T31.546 10 3K

Datos: NISSAN PATROL MOD. 96

a) Las temperaturas, presiones y volúmenes en cada punto del ciclo Proceso de 1-2: Proceso de 2-3: maire 0.534kg k1.4 P11bar R 287.08 J kg K  T1(20273)K rk 16 rp 1.6 rv 1.7 V1 maire R  T 1 P1  V10.449m 3 T2_{T1 rk} k 1 T 2888.21K P2_{P1 rk} k P248.503bar V2 V1 rk  V20.028m 3 P3P2 P348.503bar rv V3_V2 V3_{rv V2} V30.048m 3 T3 T2 V3 V2









  T31.51 10 3K

Proceso 3-4:

b) El porcentaje de espacio muerto en la cámara de combustión

c) El rendimiento térmico y la presión media efectiva

La presión media efectiva será

V4V1 V40.449m 3 T4 T3 V3 V4









k 1   T 4615.88K P4 P3 V3 V4









k   P42.102bar c 1 rk 1  c6.667% rc T 3_{T 2} _TH 1 1 rkk 1 rck1 k rc 1























   _TH62.906% KJ1000J cp 1.0062 KJ kg K  cv 0.7186KJ kg K  QA maire cp  (T3T2) _{QA 3.341 10}  5J QR maire cv  (T4T1) _{QR 1.239 10}  5J WN QA QR  WN 2.102 10  5J Pme WN V1V2  Pme4.991bar

Datos:

a) La eficiencia al freno, la eficiencia indicada

si

El rendimiento al freno será:

El rendimiento indicado es: t1.45min i8 KJ1000J KW1000W Diametro7.789cm Carrera7.789cm mc 0.454kg qi 43734 KJ_kg 273.3N m _m78% nmotor 3520rpm  n2437rpm Pn P69.747KW P Wb t Wb P t  Wb 6.068 10  3KJ QA mc qi  QA 1.986 10  7J _b Wb QA  _b30.561% _i Wi QA

b) El rendimiento al freno, el rendimiento indicado para una eficiencia del ciclo ideal de 53.3 % _m Wb Wi Wi Wb_ m  _{Wi 7.779 10}  6J _i Wi QA  _i39.181% _t53.3% _{T Hb} b _t  _THb57.338% _{T Hi} i _t  _THi73.51%

Datos:

Calcule:

a) El porcentaje de espacio

b) La presión y temperatura al final de la compresión

c) El rendimiento al freno VH3.44L 4T KW1000W KJ1000J i6 k1.4 Do8.306cm Lo10.592cm R 287 J kg K  rk 8 Na156.7KW _cv 0.7186KJ kg K  n500rpm 240N m T1(20273)K P1 1bar rk 1_c c c 1 rk 1  c14.286% P2 P1 rk  k P2 1.838 10  6Pa T2T1 rk k 1 T2 673.137K _b THb _TH _TH 1 1 rkk 1   _TH56.472%

Asumimos un Rac de 15 tenemos:

d) La masa de aire aspirada QA maire cp (T3T2) Vh VH i  Vh573.333cm 3 Vc Vh rk 1  Vc81.905cm 3 V1Vc Vh V1655.238cm 3 maire P1 V1  R T1  _{maire 7.792 10}  4kg mh P1 Vh  R T1  _{mh 6.818 10}  4kg

Rac



15

mc_Racmh mc 4.545 10  5kg HU 44 10 6 J kg  QA mc HU  QA 2 10  3J Wn_{TH QA} Wn1.129 10 3J _THb Wn QA  _THb56.472% _b T Hb _{T H}  _b1

Datos:

a) La cilindrada unitaria y total

b) El rendimiento efectivo

c) La masa de aire que entra al motor

i6 P11bar d8cm T1(20 273)K l10cm _t27%

rk



8

v79% P170kW R 287 J kg K  n4500rpm cierre7% Vh  4 d 2  l  Vh502.655cm 3 VHVh i VH3.016 10 3cm3 _m85% _i90% _e_m_i _e76.5% P1 V1 _{maire R} T1 V1 Vh V2 c 1 rk 1  c14.286% V2c Vh V271.808cm 3 V1Vh V2 V1574.463cm 3

d) La potencia perdida en el rozamiento si el rendimiento mecánico es el 70%

e) La presión media al freno

f) La relación aire combustible

maireP1 V1_{R T 1} maire 6.831 10  4kg N170kW _m70% Ne N mi NeN



_m_i



_{Ne 107.1kW}  NpN_{Ne Np 62.9kW}  4 Pme _Ne  Vh n i   Pme3.014bar KJ1000J Qa rca qi cp 1.0062KJ kg K  k1.4 qi 42 10 6 J kg  T2_{T1 rk} k 1 T 2673.137K Qa maire cp  (T2T1) _{Qa 261.299J} rca Qa qi  rca 6.221 10  6kg rac 1 rca 10 4 kg   _{rac 16.074} Nb mcthbPCI mc _Ne e qi  _{mc 3.333 10} 3kg s 

es 1.18 con un RAC de 15 [kga/kgc]. ¿Calcule la potencia del motor asi mismo el consumo de combustible?.

Datos:

a) Calcule la potencia del motor

Para motores Otto

Asumimos

Sabemos que la presión y temperatura a nivel del mar es:

z4 KJ1000J VH1600cm3 n4500rpm Dc Sc 1.12 Vc64cm3 Lb180mm dv50mm h12m m 45deg Hu 33200KJ l  _c 0.75kg l  _o1 Rac15 Ne Hu VH  n _v_e_o 30_oRac_c _e 0.25 0.35 _e0.30 Po 1.013bar To(20273)K

Calculamos la densidad del aire:

Calculo del rendimiento volumétrico:

Por tanto hallamos los datos que nos falta Cilindrada unitaria:

Relación de compresión:

Diámetro y carrera del cilindro:

Área del pistón: Ra 287 J kg K  _o Po To Ra  _o 1.205kg m3  _v To To T 1 rk 1  rk Pa Pr Po  Pa Po



  2



Va 2 2  _o  Vh VH z  Vh400 cm 3 rkVh_VcVc rk 7.25 Dc 1.12Sc Vh  4 Dc 2  _Sc  4 (1.12S ) 2  _Sc  4 1.12 2  _Sc3 Sc3 Vh 4 1.122 Sc 3 4 Vh 1.122  _{Sc 74.048mm}  Dc 1.12Sc  Dc 82.933mm  Ap  4 Dc 2  

_Ap

_

_54.019cm

_

2

Velocidad máxima del pistón:

El radio del cigüeñal es:

La velocidad de admisión será:

La velocidad de admisión debe estar entre ( 50 - 130) m/s

para : asumimos

reemplazando tenemos:

Asumimos:

para motores Otto Vmáx Rc 1 2 RcSc₂ Rc 0.037m   Rc Lb  0.206 n  471.239rad s   Vmáx_Rc 1 2 Vmáx 17.812m s  Va VmáxAp Av   Va 72.191m s  



  2



2.54  3.25 Pa Po 3.25(Va) 2 2  _o   _{Pa 0.911bar}  Pr (1.1 1.25 _{) Po} Pr 1.175Po  Pr 1.19bar  T (020)K T 10K

Calculamos el rendimiento volumétrico:

Finalmente calculamos la potencia del motor:

b) Calculo del consumo de combustible

4. Un motor usado tiene 4 cilindros y una cilindrada de 2000cc y funciona a 5500rpm, en el cilin- dro se ve que hay una relación diámetro carrera de 1.2 presentando un volumen de cámara de combustión de 75cc y una longitud de biela de 200mm, utiliza gasolina como combustible y se quiere que trabaje con un exceso de aire del 15%. ¿Calcule el consumo de combustible?. Datos:

Con exceso de aire del 15%

_v To To T 1 rk 1 



rk Pa



Pr Po   _v0.827 Ne Hu VH  n _v_e_o _{o Rac} _c4  Ne166.245kW mc _Ne e Hu  _{mc 60.089}l hr   z4 KJ1000J VH2000cm3 n5500rpm Dc Sc 1.2

Vc



75cm

3 Lb 200mm Hu 33200KJ l  _o115% _o1.15

...(2)

Asumiendo valores tenemos: Ne Hu VH  n _e_v_o _{o Rac} _c _c 0.75kg l 

Rac



15

1

.-Datos

a ) Calcular los parámetros técnicos del motor en cada punto pero D=1.14s

entonces el diámetro será

Calculamos el rendimiento volumétrico Datos a nivel del mar

Asumimos Calculamos el valor de la velocidad de admisión

Donde :

La velocidad máxima será dada de acuerdo a la expresión

deAire 1 deComb1



₀



1.15

Vht6000cm3





_0.28

PCI 33200kJ L  RAC 15 kg deAire kg deComb  bar105Pa

z



6

rk 10 _comb 0.75kg L  dv 48mm

rd_s



1.14

38deg _{hlev 14mm} Vh D 2 s  4 VhVht_z Vh 1 10  3cm3 rpm  30s 1   sc 3 Vh 4 _{rd_s}2  _{sc 9.932cm} D_{rd_s sc} D11.322cm Po 1.013bar o 1.2 kg m3  B (  )2

B

2.5..4

B



3.25

Va _VmaxpAp Av  Ap ₄D2 _Ap 100.685cm2 Avcos( )_hlev_{dv Av} 16.636cm2 Vmaxp R 1 2

el radio del cigüeñal esta dado por

la velocidad máxima del pistón será

los datos a nivel del mar y para motor otto son

el rendimiento volumétrico será

se tiene un rendimiento efectivo de

para 4T

El momento torsor sera

Densidad y temperatura de los gases residuales

n  418.8791 s  R sc 2  R49.66mm Vmaxp R  1 2 _{Vmaxp 21.601}m s  Va VmaxpAp Av   _{Va 130.737}m s  Pa Po B Va 2 2  _o   _{Pa 0.68bar} Pr 1.175Po Pr 1.19bar To(20273.15)K T 10K _v To ToT 1 rk 1  rk Pa Po Po   _v61.35% _e25%





₂

n4000min1 Ne PCI Vht   n _v_e_o _{0 RAC}   _comb  _{Ne 94.461kW} kN1000N Mt Ne n  Mt1.417kN m _r To To T 1 rk 1   _r0.107

Tr 950K para motores Otto

La temperatura de admisión será

PROCESO DE COMPRESION

donde para Otto

PROCESO DE COMBUSTION

el rendimiento de combustible y el calor a volumen constante

PROCESO DE EXPANSION para Otto Ta To T _{r Tr} _{Ta 405.224K} Rt 287 J kg K  _a Pa Ta Rt  _a 0.584kg m3  Pc Pa rk ₁ ₁1.335 Pc Pa rk ₁   _{Pc 14.7bar} Tc Ta rk _{1 1}   _{Tc 876.385K} _c Pc Tc Rt  _c 5.844kg m3  Tc1 Tc PCI_v_comb _{0 RAC} _cv_comb













rk 1 rk   _comb70% cv 0.717 kJ kg K  Tc1 Tc PCI_v_comb _{0 RAC} _cv_comb













rk 1 rk    _{Tc1 2259.7K} Pc1 Pc Tc1 Tc   _{Pc1 37.903bar} ₂1.265

Consumo especifico de combustible

2

.-Datos

Calculamos la Potencia

para motores Diesel

El consumo de combustible sera de

El torque sera de la sioguiente manera rk Te Tc1 rk _{2 1}  _{Te 1227.583K} mc _PCINe_ e   _{mc 40.971}L hr  z12 _Vht1400 0cm3 _Vcc80cm3 n3000min1 PCI 44000kJ L  _o0.9 RAC 15 kg deAire kg deComb  _v89% _e35% _comb 750kg m3  Ne PCI Vht   n _v_e_o _{o RAC}   _comb  _{Ne 568.545kW} mc _PCINe_ e   _{mc 132.907}L hr  n3000rpm Mt Ne n  Mt1.81kN m

3

.-para el gas natural se tiene

Por lo tanto procedemos a calcular el poder calorifico .Si el GLP tiene una composicion de

Balance C H

Calculamos la relación aire combustible

con defecto del 30% pent an o1 N0 propano37 et ano2 CO20 butano 60 0.37C3 H8 0.60C4 H10 0.02C2 H6 0.01C5 H12 a O2 3.76N2







b C _O2_{c H2} Oa 3.76 _N2 b(0.373  0.6 4  0.022  0.015 ) b 3.6 c 0.378 0.6010  0.026 0.0112 2  c 4.6 O a 2 b  c 2  a 5.9 mGLP [0.37 3 12(  8)0.60 4 12(   10) 0.02 12 2(  6) 0.01 5 12(  12)]kg deComb mol  mGLP 52.4 _molkg maire a 32 28 3.76(   )kg deAire mol  maire 809.952 _molkg RAC maire mGLP  RAC 15.457kg deComb kg deAire  0.37C3 H8 0.60C4 H10 0.02C2 H6 0.01C5 H12 0.75.9 



_{O2 3.76N2}



x C _O2y C O_{4.6H2 O} 4.1023.76 _N2

Calculo de los valores de a y b C

O

Resolviendo el sistema de ecuaciones se tiene

de modo que tenemos la contaminación de CO de la siguiente forma

CON GAS NATURAL SE TIENE mGLP 52.4 _molkg

maire 0.7a 32 28 3.76(   ) kg deAire mol  maire 566.966 _molkg RAC maire mGLP  RAC 10.82kg deAire kg deComb  x y (0.373 0.6 4 0.022 0.01) xy 3.56 2x y 0.7 5.86 24.6 2x y 3.604 x0.044 y3.516 deCO1 deGLP1 mCO y 12 16(  ) kg mol 

cont aminacion mCO _comb  mGLP

 cont aminacio n 1.409kg deCO

L deGLP 

metano91.80 Nit rogeno1.42 propano0.97 pent ano0.1 et ano5.58 CO20.08 but ano0.05

0.918C _H4_{0.0097C3 H8} 0.0005_{C4 H10} _{0.0558C2 H6} _{0.001C5 H12} _0.0142N2 0.0008_{C O2}







Balance C H

Calculamos la relación aire combustible

con defecto del 30%

b(0.918 0.00973 0.00054  0.05582 5 0.01 0.0008) b1.111 c 0.9184  0.00978  0.000510 0.05586  12 0.01 0.0008 2  c2.105 O a 2 b c 2 0.0016  a2.162 mGN (b 12 2c) kg deComb mol   mGN 17.548 _molkg maire a 32 28 3.76(   ) kg deAire mol  maire 296.861 _molkg RAC maire mGN  RAC 16.917kg deComb kg deAire 

Vaire a 1 3.76 (  )m3 _{Vaire 10.293m} 3deAire

Vcomb 1m 3deComb RACv Vaire Vcomb  _{RACv 10.293}m 3 deAire m3deComb  0.9232C _H40.0097_{C3 H8} 0.0013_{C4 H10} _{0.0558C2 H6} _{0.001C5 H12} _{0.7a O2 3.76N2}







x C _O2y CO _{c H2} O0.7a 3.76 _N2 mGN 17.548 _molkg

Calculo de los valores de a y b C

O

Resolviendo el sistema de ecuaciones se tiene

de modo que tenemos la contaminación de CO de la siguiente forma maire 0.7a 32 28 3.76(   )kg deAire

mol  maire 207.803 _molkg RAC maire mGN  RAC 11.842kg deAire kg deComb 

Vaire 0.7a 1 3.76 (  )m3 _{Vaire 7.205m} 3deAire

Vcomb 1m 3deComb RACv Vaire Vcomb  _{RACv 7.205} m 3 deAire m3deComb  x y (0.9232 0.00973   0.00134  0.05582 5 0.01 ) x y 1.111 2x y 0.7 2.179 22.105 2x y 2.119 x0.165 0.7 2.179 22.1050.946 y1.276 0.946 1.111 0.165 mCO y 12 16(  ) kg mol  _GN 0.65kg m3  1.111 x 1.276

cont aminacion mCO _GN  mGN

 cont aminacio n 1.323kg deCO

m3deGLP 