PDF Universidad Nacional Del Centro Del Peru

1

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU FACULTAD DE INGENIERÍA MECANICA

“AJUSTE DEL SISTEMA AUXILIAR CONVENCIONAL PARA OPTIMIZAR EL RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO EN MOTORES

DIESEL SOBRE 298 kW”

TESIS

PRESENTADO POR EL BACHILLER:

JHOAN FRANZ GUERRA HUAMALÍ

PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE:

INGENIERO MECÁNICO

HUANCAYO – PERÚ

2010

2

A S E S O R

ING. RAÚL JORGE MAYCO CHÁVEZ

3

DEDICATORIA

A MI PADRE AMÉRICO Y MI MADRE NILDA

POR SU APOYO INCONDICIONAL

DURANTE MI FORMACIÓN POFESIONAL.

JHOAN

4

Í N D I C E

DEDICATORIA RESUMEN INTRODUCCIÓN

CAPITULO I

ASPECTOS GENERALES DE LA INVESTIGACIÓN

1.1 Planteamiento de la investigación 12

1.1.1 Caracterización de la investigación 12

1.1.2 Definición del problema 13

1.1.3 Formulación del problema 13

1.1.4 Objetivo 13

1.1.4.1 Objetivo general 13

1.1.4.2 Objetivo específico 13

1.2 Justificación del tema 14

1.3 Limitaciones 15

1.4 Marco Teórico 15

1.4.1 Antecedentes 15

1.4.2 Bases teóricas 16

1.4.3 Bases conceptuales 19

1.5 Hipótesis 22

1.5.1 Hipótesis general 22

1.5.2 Hipótesis específicas 22

1.5.3 Variables 23

1.5.4 Escala de medición de variables 23

1.5.5 Indicadores 23

1.6 Metodología del estudio 23

1.6.1 Método de investigación 23

1.6.2 Diseño metodológico 24

1.6.2.1 Población 24

1.6.2.2 Técnicas, instrumentos y procedimiento de recolección de datos 25 1.6.2.3 Técnicas de procesamiento y análisis de datos 25

1.6.2.4 Materiales y equipos a utilizar 26

CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO

2.1 Desempeño del motor en el vehículo 27

2.2 Principales variables explotacionales que originan el estudio 30

2.2.1 En el proceso de intercambio de gases 30

2.2.2 Coeficiente de exceso de aire 33

2.2.3 Coeficiente de llenado 34

2.3 Consecuencias de un bajo rendimiento volumétrico 37

2.3.1 Contaminantes en el proceso de combustión 37

2.3.2 Mezcla fresca en la combustión 38

2.3.3 Organización del movimiento de la carga fresca 41

2.4 Factores que influyen sobre los parámetros efectivos del motor 43 2.5 Variación de los parámetros efectivos del motor en función de las condiciones

del medio ambiente 46

CAPÍTULO III

CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR DIESEL DE 298 Kw

3.1 Datos y especificaciones técnicas 48

3.1.1 Etapa de cálculo y diseño 48

3.1.2 Etapa de fabricación 49

3.1.3 Etapa de selección 49

5

3.1.4 Etapa de explotación 49

3.2 Importancia 50

3.3 Factores que influyen sobre el rendimiento 53

CAPÍTULO IV

ANÁLISIS DEL PROCESO DE ADMISIÓN Y DE LA FORMACIÓN DE LA MEZCLA DEL MOTOR EN ESTUDIO

4.1 Pruebas ejecutadas en el motor diesel de 298 kW 56

4.1.1 Objetivo 56

4.1.2 Fundamento teórico 57

4.1.3 Equipos e instrumentos 58

4.2 Sistema de suministro de combustible del banco de ensayos 59 4.3 Sistema de suministro de aire del banco de ensayos 59

4.4 El freno hidráulico 60

4.5 Mediciones que deben realizarse durante los ensayos 60

4.6 Procedimiento 60

4.7 Magnitudes que requieren control permanente 62

4.7.1 Parámetros que deben calcularse 63

4.7.2 Formulas básicas para los cálculos 63

4.7.3 Datos obtenidos de las especificaciones técnicas del motor y cálculos de

otros parámetros que influyen en nv 64

4.8 Datos, cálculos y protocolo de ensayos 71

4.9 Mecanismos auxiliares de motores diesel para el control 74 CAPÍTULO V

AJUSTE DEL MECANISMO DE INTERCAMBIO DE GASES

5.1 Mecanismos de distribución de los gases 76

5.2 Elementos que deben ser ajustados en el mecanismo 77

5.2.1 Control de distribución de los gases en el ciclo real 77

5.3 Ajuste de los parámetros del mecanismo 79

5.3.1 Pérdidas en el intercambio de gases 79

CAPÍTULO VI

AJUSTE DE LOS MECANISMOS DE SUMINISTRO DE AIRE Y DE COMBUSTIBLE

6.1 Grado de sobrealimentación por turbocompresor 85

6.1.1 Turbocompresor 85

6.1.2 Puntos de control en el turbocompresor 86

6.2 Control de la presión en el turbocompresor 86

6.2.1 Control de rutina 86

6.2.2 Control de presión de carga 87

6.2.3 Caída de presión a través del filtro de aire 89

6.2.4 Presión de aceite 89

6.2.5 Contrapresión en el sistema de escape 90

6.2.6 Paso de aceite 90

6.3 Parámetros que se controlan la sobrealimentación 90

6.4 Ajuste del proceso de inyección 92

6.5 Regulación de la velocidad del cigüeñal 95

CAPÍTULO VII

AJUSTE DE LOS MECANISMOS DE REFRIGERACIÓN Y LUBRICACIÓN

7.1 Sistema de refrigeración 100

7.2 Estado térmico del motor 103

7.3 Ajuste de ventilador 106

7.4 Ajuste del sistema de lubricación con carter húmedo 107

7.5 Lubricantes para bajas temperaturas 111

6

7.6 Factores que no pueden ser solucionados por el lubricante 112 7.7 Fallas relacionadas con el aceite en el motor diesel 114

7.8 Calculo del humeado 114

7.9 Analizador de humos (Opacimetro U – Bosh) 115

CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA

7

RESUMEN

Como egresado de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional del Centro del Perú y con experiencia en la línea de la energía térmica, he visto por conveniente ajustar el sistema auxiliar convencional de los motores diesel sobre 298 kW que circulan por la red vial de Huancayo a Lima o viceversa, es decir, los motores de combustión interna que tienen sistemas auxiliares convencionales; con estos sistemas tienen un proceso de combustión heterogéneo, de acuerdo cómo va desarrollándose en el transcurso del tiempo, afectando un consumo de combustible y la contaminación del medio ambiente.

Este problema técnico me conduce a diagnosticar y determinar la influencia de los parámetros explotacionales y constructivos del motor sobre los coeficientes de llenado y de exceso de aire. El presente trabajo consiste en analizar el coeficiente de llenado y el coeficiente de exceso de aire en función de los siguientes parámetros:

- Velocidad de rotación del cigüeñal - Carga del motor

- Resistencia hidráulica en la admisión - Resistencia hidráulica en el escape

Estos parámetros se relación con los siguientes sistemas auxiliares:

- Sistema de intercambio de gases

8

- Sistema de alimentación de combustible diesel

- Sistema de alimentación de aire por sobrealimentación.

- Sistema de lubricación.

- Sistema de refrigeración

Estos sistemas, que en su conjunto es el sistema auxiliar del motor que predomina para un funcionamiento del motor, con un rendimiento óptimo y consumo de combustible económico y limpio.

La metodología del presente trabajo es descriptiva y analítica, conjugando fundamentalmente con la experiencia técnica en el comportamiento de ambas tecnologías (entre el antiguo y el moderno).

9

INTRODUCCIÓN

El presente trabajo de investigación, se inicia en las aulas universitarias cuando se comenta que los motores de combustión interna son los agentes más grandes de la contaminación del medio ambiente del globo terrestre, en ese entonces cuando se estudia la asignatura de motores de combustión interna, uno se imagina, que también estos son máquinas generadoras de energía debido a su mayor rendimiento y el menor consumo de combustible por unidad de potencia.

Entonces, es un mal necesario, frente a ello, los fabricantes y otros aficionados se preocupan en reducir este mal de generación en generación, teniendo en cuenta que el motor propiamente dicho cuenta con sistemas auxiliares, donde cada uno de ellos influye en un funcionamiento óptimo libre de componentes contaminantes.

De acuerdo a mi poca experiencia y los alcances bibliográficos de última generación, sigo pensando que el problema es el suministro de aire fresco al cilindro del motor, para esto, por su puesto los sistemas auxiliares deben estar debidamente sincronizados, y no ajustar a uno de ellos para lograr un buen sonido del motor, que a la postre esto es un calmante, como en el término medicinal; por tanto el arreglo o el ajuste tiene que estar en todos los sistemas.

Esta filosofía se debe aplicar en todas las marcas o tamaños de motores, razón

10

por el cual, este trabajo estriba en ello y se desarrolla a través de seis capítulos, esperando llegar al objetivo planteado, y como sigue:

El primer capítulo ilustra los aspectos generales del trabajo de investigación, donde se plantea el problema en el motor diesel, la justificación del estudio, el objetivo de la investigación, la hipótesis y la metodología del trabajo de investigación.

El segundo capítulo selecciona el marco teórico, donde se obtiene mayores detalles de los principios que gobiernan el control del coeficiente de llenado de dentro de los rangos permisibles y las condiciones normales de presión y temperatura al interior y exterior de la estructura del motor.

En tercer capítulo plantea los datos y especificaciones técnicas de la muestra, es decir, el vehículo de carga pesada con el modelo de F-12 ó NL-12 ambos con el mismo tipo de motor, la diferencia entre ellos es el tipo de cabina y el radio de giro del mecanismo de dirección hidráulica.

El cuarto capítulo analiza el comportamiento del motor orientado fundamentalmente el proceso de admisión y la formación de la mezcla aire- combustible. En este análisis se procesa las mediciones tomadas del banco de ensayos para luego calcular los parámetros que influyen en la variación del rendimiento volumétrico ó coeficiente de llenado.

El quinto capítulo analiza el principio de funcionamiento del mecanismo de intercambio de gases, en el cual interviene una serie de ajustes para el mejor comportamiento térmico y mecánico del motor diesel, así mismo trata de las condiciones de barrido para la disminución de los gases residuales.

El sexto capítulo investiga teóricamente y analíticamente los mecanismos del suministro de aire y combustible, ya que ellos deben cumplir con los principios aplicados por los fabricantes, luego mantener o mejorar los ajustes y aprietes del sistema indicado.

Finalmente el séptimo capítulo investiga teóricamente y analíticamente los mecanismos de refrigeración y lubricación, ya que ellos deben cumplir con los

11

principios aplicados por los fabricantes, luego mantener o mejorar los ajustes y aprietes del sistema indicado.

La peculiaridad de la tecnología de la producción de los motores diesel y el incremento de los requisitos que se plantean ante su calidad, con una escala cada vez mayor nos permite analizar cada parte tomando atención a las deficiencias originadas por mala operación y un mal mantenimiento. Esta es el motivo del presente estudio a fin de alcanzar medios de ajuste normal o especial para mantener ó mejorar el rendimiento el rendimiento volumétrico.

12

CAPÍTULO I

ASPECTOS GENERALES DE LA INVESTIGACIÓN

1.1 . PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN

1.1.1. CARACTERIZACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN

El buen funcionamiento de un motor de combustión interna con inyección directa y sobrealimentado por un turbocompresor moderno estriba en el desarrollo correcto del proceso térmico de admisión, compresión, combustión, expansión y escape; que involucra el ciclo Diesel real de cuatro tiempos, también depende del comportamiento técnico de la estructura y piezas fundamentales que intervienen en este proceso. Este tipo de motores constituye en el parque automotor un 40 % a 50% que son repotenciadas por falta de capacidad de renovación con unidades nuevas, razón por el cual tenemos en el parque automotor muchas unidades en circulación con antigüedad de 20 años a más. En consecuencia, es necesario hacer el estudio sobre el ajuste de un control del conjunto de mecanismos que constituye como sistema auxiliar del movimiento fundamental del motor. Esto en los puntos más importantes del llamado motor de combustión interna convencional y mecanismos

13

del mismo para mediar los problemas ya citados y mantener en condiciones de operatividad para diferentes tipos de carreteras en la red vial nacional.

1.1.2. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

El control correcto del funcionamiento de los sistemas auxiliares con respecto al motor, a través de un ajuste del rendimiento volumétrico, originarán el buen comportamiento del ciclo de trabajo y por ende reduciremos el consumo de combustible, la degradación y contaminación del medio ambiente.

1.1.3. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA (Qué debe resolverse)

- Primero: ¿Qué sistemas auxiliares convencionales se deben ajustar para incrementar la eficiencia volumétrica del motor diesel?

- Segundo: ¿Qué parámetros independientes y dependientes son críticos en el suministro de aire en el cilindro?

- Tercero: ¿Cómo reducir el consumo excesivo de combustible y la contaminación del medio ambiente por los gases del tubo de escape en los motores de combustión interna diesel?

1.1.4. OBJETIVOS:

1.1.4.1. OBJETIVOS GENERALES

Ajustar los principales parámetros de los sistemas auxiliares para optimizar la variación del rendimiento volumétrico en motores diesel sobre 298 kW.

1.1.4.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS

- Analizar el principio de funcionamiento y la estructura de cada sistema auxiliar convencional que influyen en el rendimiento volumétrico del motor Diesel.

14

- Mejorar los parámetros de control y regulación de los puntos críticos.

- Plantear pruebas de verificación del ajuste propuesto.

1.2. JUSTIFICACIÓN DEL TEMA:

En los treinta últimos años los motores de combustión interna de ciclo Diesel han sido declarados los menos peligrosos como agentes de la contaminación del medio ambiente por las normas establecidas en América y Europa. Sin embargo, en los países del tercer mundo, como Perú, estas no son estrictamente aplicadas, porque la renovación de estos motores por nuevos no son frecuentes más al contrario el gobierno del ex-presidente Fujimori impulsó la importación de vehículos con motores repotenciados, que no cumplen con las normas que establecen límites permisibles de emisiones contaminantes por más somera que esta sea.

Por lo expuesto en el párrafo anterior se nos presenta un reto de buscar alternativas para equilibrar este problema, a través de un análisis de la variación del rendimiento volumétrico en relación a los sistemas auxiliares. Y mejorando estos motores convencionales (motor diesel con sobrealimentación por turbocompresor) respecto a los actuales se nos presenta interrogantes como: ¿Qué sistemas auxiliares convencionales se deben ajustar para incrementar la eficiencia volumétrica del motor diesel?; ¿Qué parámetros independientes y dependientes son críticos en el suministro de aire en el cilindro?; ¿Cómo reducir el consumo excesivo de combustible y la contaminación del medio ambiente por los gases del tubo de escape en los motores de combustión interna diesel?: ¿En que porcentaje se reducirá el consumo de combustible y la contaminación ambiental? – ¿Cómo varía los parámetros dependientes o independientes? etc.

Además los motores de combustión interna son utilizados en un 90% en vehículos de transporte automotriz, en consecuencia, el problema de

15

protección del medio ambiente es uno de los problemas más actuales de hoy a nivel mundial.

1.3. LIMITACIONES

- En el desarrollo del presente trabajo de investigación se presenta limitaciones de orden económico en el montaje del ajuste, en consecuencia, se planteará las pruebas correspondientes de verificación del estudio.

- Otra limitación es de orden técnico por falta de laboratorios de prueba.

1.4. MARCO TEORICO 1.4.1. ANTECEDENTES

El desarrollo de los motores de combustión interna de ciclo Diesel se inicia el año 1876, desde entonces a la fecha estos motores han venido perfeccionándose de generación en generación desde la estructura fundamental hasta los sistemas auxiliares más elementales, específicamente en el sistema de alimentación de combustible, en el sistema de suministro de aire y en el sistema de intercambio de gases; con la finalidad de elevar los índices de potencia y rendimiento con un consumo mínimo de combustible y emisiones de gases menos tóxicos.

Desde 1876 a la fecha se desarrollo cuatro generaciones, estas tienen vigencia hasta la actualidad en el parque automotor de nuestro país, entre ellas tenemos:

- Motor de combustión interna de ciclo Diesel con sistema de alimentación de inyección indirecta (de aspiración natural) - Motor de combustión interna de ciclo Diesel con sistema de

inyección directa con sobrealimentación por turbocompresor.

16

- Motores de combustión interna de ciclo Diesel con sistema de inyección directa con turbocooler y sistema de combustible electrónica.

- Motores de combustión interna con sistema de combustible de inyección directa (alimentado con una rampa común).

1.4.2. BASES TEORICAS

El presente estudio requiere conocimientos emanados de una bibliografía clasificada que contenga los siguientes tópicos:

- Cálculo de la presión en el cilindro en el periodo de llenado de un motor de combustión interna con suministro mixto de calor.

a ad ad ad a

a k k k

k p V V gz

V gz

p      

2 2

2

2 2

2 

 



 

k

ad ad a

k a

p w p

p   

2

2 2 







 en Pa.

- Análisis de los componentes del motor y sistemas auxiliares en general que influyen en el rendimiento volumétrico.

Sistema de intercambio de gases:

Sistema de suministro de aire comprimido

k k k

aire W

m N .

 kg/seg Donde:

Wk = trabajo entregado a la turbina en kJ/kg Nk = potencia de la turbina en kW.

ηk = rendimiento de la turbina.

Sistema de suministro de combustible:

e u e

c N H

G .

 632 en kg/hora Donde:

Ne = potencia efectiva del motor en kW

Hu = poder calorífico del combustible en kJ/kg ηe = rendimiento efectivo

17 Sistema de refrigeración

Q1 = q1HuGc q1 = Q1/Qc

Donde: q1 = Cantidad de calor relativa que se transmite al sistema de refrigeración.

Q1 = Cantidad de calor trasmitida al líquido refrigerante.

Qc = Cantidad de calor introducida al motor con el combustible.

Hu = Poder calorífico del combustible Gc = Gasto de combustible.

Sistema de lubricación Vc = C nnom d² ic

Donde: Vc = Caudal requerido de aceite de la bomba C = Coeficiente igual a 0,008 … 0,012

nnom = Frecuencia de rotación nominal del cigüeñal en rpm.

d = Diámetro de los muñones del árbol

ic = Número total de cojinetes de biela y bancada - Estudio de factores que influyen sobre parámetros efectivos

del motor.

- Sistemas de control y regulación de motores Diesel.

- Variación de parámetros indicados y efectivos

También son necesarias las experiencias tecnológicas que se encuentran en los talleres de diagnóstico como de mantenimiento y reparación.

Fundamentalmente la base teórica es:

Cantidad total de mezcla fresca: G1 = α Lo

18

Parámetros del proceso: admisión, compresión, combustión y expansión.

Parámetros principales del ciclo: presión media efectiva del ciclo, rendimiento mecánico, consumo específico indicado de combustible, consumo específico efectivo de combustible y consumo horario de combustible.

Producto de combustión perfecta en un ciclo de trabajo:

M2 = MCO2 + MH2O + MO2 + MN2

Este producto en muchos casos es ideal, por falta de ajustes permanentes de los mecanismos auxiliares que contribuyen a un funcionamiento sincronizado del motor; en muchos casos, los ajustes que se da son meros arreglos que mejoran momentáneamente.

Producto de combustión incompleta en un ciclo de trabajo:

M2 = MCO2 + MH2O + MN2 + MCO + MSO2 + MHC + MHollin

Respetar los límites máximos permisibles de emisiones contaminantes para vehículos automotores que circulan en la red vial.

VEHÍCULOS MAYORES A DIESEL (Livianos, medianos y pesados) AÑO DE

FABRICACIÓN

OPACIDAD : K (m^-1) * OPACIDAD EN % Antes de 1995

1996 en adelante 2003 en adelante

3,0 2,5 2,1

72 65 60

(*) Únicamente para controles de carretera o vía pública, que se realicen a más de 1000 msnm. Se aceptará una corrección por altura de 0,25 K(m^-1) por cada 1000 msnm. Adicionales, hasta un máximo de 0,75 K(m^-1).

19 1.4.3. BASES CONCEPTÚALES

El sistema de inyección de combustible convencional en un motor realiza algunas funciones más, como son:

- No solamente debe medir la cantidad de combustible que precisa cada ciclo del motor de acuerdo a la carga y velocidad del motor, sino que debe producir la alta presión necesaria para inyectar el combustible menos inflamable que la gasolina en el cilindro y en el momento oportuno del ciclo de operación.

- Para conseguir la presión necesaria con una relación de compresión (

ε)

de 17  1 a más se requiere un alto grado de precisión.

- No debe inyectarse solamente la misma cantidad de combustible en cada cilindro y en cada uno de los tiempos de explosión, sino que la cantidad debe variar de acuerdo con la carga y velocidad del motor.

- La velocidad de inyección varía en los distintos motores; y esta relacionada con el tipo y forma de las cámaras de combustión, junto con la velocidad de rotación y las características del combustible.

- El alcance de la pulverización esta controlada sobre todo, por el diámetro y forma de los orificios del inyector, la presión de inyección y la densidad del aire en el cual se inyecta el combustible.

Entre las condiciones que favorecen la combustión completa se encuentran:

a) Pulverización correcta en la cámara de combustión.

b) Forma correcta del pulverizador.

20

c) Buena mezcla de combustible con el aire en la cámara de combustión de forma que las gotitas de combustible ardan en el instante correcto.

d) Duración de la inyección definida con precisión, con un comienzo de inyección definido, que a su vez depende de la velocidad del motor.

Los resultados de los productos de combustión son los valores que determinan la eficacia de un ciclo de trabajo económico y ecológico. Los factores que influyen en la duración y en la calidad de la combustión en el motor de ciclo Diesel son los siguientes:

a) Coeficiente de llenado.- El grado de perfección del proceso de admisión se acostumbra evaluar por el coeficiente de llenado o rendimiento volumétrico que es la razón entre la cantidad de carga fresca que se encuentra en el cilindro al inicio de la compresión real, es decir, al instante en que se cierran los órganos de intercambio de gases, y aquella cantidad de carga fresca que podría llenar la cilindrada (volumen de trabajo del cilindro) en las condiciones de admisión

b) Propiedades físicas y químicas del combustible.- es el factor que mayor influencia ejerce en el retraso de la inflamación.

c) Presión y temperatura del aire comprimido.- el aumento de la presión, y sobre todo de la temperatura del aire en el instante en que se inyecta el combustible reduce el retraso a la inflamación.

d) Movimiento en torbellino del aire en la cámara de combustión.- el movimiento vertiginoso del aire contribuye a transportar los vapores de combustible a la zona rica en

21

oxígeno, y a retirar los productos de combustión de las zonas en que tiene lugar la reacción.

e) Influencia del equipo de alimentación de combustible.- en el proceso de la combustión influye en cierta medida el tiempo que dura la inyección del combustible, que viene determinado por la estructura del equipo de alimentación de combustible.

f) Cámara de combustión.- influye en la formación de la mezcla y en proceso de combustión.

g) Angulo de avance a la inyección del combustible.- este ángulo depende del tipo de cámara de combustión, de la relación de compresión, de la calidad de combustible, del funcionamiento del equipo de alimentación de combustible y del número de revoluciones del motor.

h) Variación de la carga y de la composición de la mezcla combustible.- como la mezcla de trabajo se distribuye irregularmente por el espacio de la cámara, la combustión puede efectuarse siendo muy grande los valores medios del coeficiente de exceso de aire. Por esta misma razón es imposible conseguir que la combustión sea completa cuando el coeficiente de exceso de aire tiene un valor próximo a la unidad.

i) Variación de las revoluciones.- al aumentar el número de revoluciones varían las condiciones en que se efectúan la formación de la mezcla y la combustión.

j) Punto muerto.- Posición de émbolo parado en el punto más alto o más bajo de su recorrido y que no puede obrar sobre el cigüeñal sin auxilio exterior.

22

k) Ajuste o huelgo.- Es la tolerancia que existe entre piezas en rotación a través de una película de aceite y la tolerancia que existe entre piezas de martilleo por dilatación térmica.

l) Pistón articulado.- Pistón de dos piezas, siendo la cabeza de fierro fundido o de acero fundido o forjado, y la parte inferior de aluminio, fundida o forjada.

1.5. HIPOTESIS:

1.5.1. HIPOTESIS GENERAL

A través de ajustes principales de parámetros energéticos y experimentales de los sistemas auxiliares se optimizará en un 9 a 10% del rendimiento volumétrico en motores diesel sobre 298 kW.

1.5.2. HIPÓTESIS ESPECIFICAS

- A través del incremento del aire al cilindro se reducirá la degradación y contaminación del medio ambiente por efecto de la variación del rendimiento volumétrico.

- Los parámetros de control y regulación de los puntos críticos del proceso de combustión se buscará un producto limpio del tubo de escape.

- Plantear pruebas de verificación del ajuste propuesto.

- Los factores que influyen en la duración y en la calidad de la combustión serán determinantes en la regulación perfecta de la mezcla aire/combustible.

- Se propone una mejor selección de equipos y accesorios del sistema de suministro de aire al cilindro.

23 1.5.3. VARIABLES:

Variables Dependientes: Cantidad de entrada de aire al cilindro y los componentes de los productos de combustión en el proceso del ciclo con suministro mixto de calor.

Variables independientes: Medio ambiente, características técnicas del motor Diesel y las normas de control de emisión gases tóxicos.

1.5.4. ESCALA DE MEDICIÓN DE VARIABLES

- Las variables dependientes se medirán en kilogramos por kilogramo de combustible.

- Las variables independientes se medirán en escala nominal y estadística.

1.5.5. INDICADORES

ENTRADA PROCESO SALIDA Temperatura de aire

Volumen de aire Aire óptimo

Presión de aire RENDIMIENTO Carga óptima RPM del motor VOLUMÉTRICO Control de Ralentí

Carga del motor Control de emisión

Temp. del motor Encendido y

tiempo OTROS

SIENTEN DECIDE ACTUAN 1.6. METODOLOGÍA DE ESTUDIO:

1.6.1. METODO DE INVESTIGACIÓN

En un sentido restringido se utilizará el método general de la ciencia, tomando en cuenta: los principios y fundamentos; condiciones, campos y niveles de realización; de los tipos, estilos y modalidades de investigación; y, en particular, el modelo básico o general aplicable a la formulación y resolución del problema, que tendrá los siguientes pasos:

24

- Elegir un tipo de vehículo con motor Diesel de mayor circulación en el parque automotor nacional y regional.

- Desmontar este tipo de motor en todas sus partes para un análisis mecánico y estructural.

- Elegir un motor con sobrealimentación por turbocompresor y con sistema de inyección mecánico para el ajuste mencionado en el presente trabajo de investigación.

- En base a ambos análisis se realiza el ajuste adecuado para optimizar el rendimiento volumétrico.

- Seleccionar otros elementos mecánicos para la mejor disponibilidad de la carga de aire.

1.6.2. DISEÑO METODOLÓGICO:

1.6.2.1. POBLACIÓN

Se propuso el estudio para vehículos que circulan en la red vial de la región central del Perú, tenemos circulando del 40 a 50% de estas unidades y no se puede decir, que, el parque automotor esta renovado por motores actualizados por la tecnología de punta. Un país tercermundista tiene estos inconvenientes en la renovación de sus unidades después dela vida útil que prevé el fabricante. Actualmente, la vida útil de unidad motorizada varía de 10 a 20 años.

El análisis estadístico preliminar es primer lugar a nivel del Valle de Mantaro y de la ciudad de Huancayo:

PARQUE AUTOMOTOR A NIVEL DE VALLE DE MANTARO SOBRE 298 KW

CLASE DE UNIDAD SERIE

CANT. P/A 2003 2009

Camiones WP 7 929 8 563

Ómnibus UP 2 645 2 949

Remolcador YP 319 414

Remolque Semirremolque ZP 381 499

TOTAL 11274 12425

25

El presente estudio tiene por objeto fundamentalmente experimentar innovaciones en el sistemas antiguo, aplicando técnicas modernas que vienen en los motores Diesel fabricados en 2002, esperamos alcanzar básicamente técnicas de modificación; el resultado óptimo depende de la parte económica y otras limitaciones de orden técnico.

Habiendo transcurrido muchas generaciones en el desarrollo de los motores diesel, la penúltima y la última no intervienen en el presente estudio.

1.6.2.2. TÉCNICAS, INSTRUMENTOS Y PROCEDIMIENTO DE RECOLECCIÓN DE DATOS.

Las técnicas para recolectar datos son utilizando la estadística del Ministerio de Transportes, Comunicaciones y Vivienda para saber exactamente la cantidad de vehículos automotores con sistemas auxiliares convencionales que circulan en nuestra región y el país entero.

Los instrumentos del muestreo se basa en las variables principales que intervienen en el proceso de intercambio de gases, de las cuales derivarán muchas, entonces las variables principales serán del orden: técnico, económico y ambiental.

1.6.2.3. TECNICAS DE PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS DE DATOS.

Las muestras de los datos obtenidos se analizan mediante la escala de medición con equipos de diagnóstico, mediante un cuadro de instrumentos y finalmente utilizando los cálculos correspondientes sobre de la física, química, matemática y termodinámica.

26

El análisis opcional del tubo de escape para la instalación de un catalizador requiere medir la proporción de aire/combustible, mediante el circuito de regulación y se puede reconocer y corregir las desviaciones respecto a una determinada proporción aire/combustible.

1.6.2.4. MATERIALES Y EQUIPOS A UTILIZAR

- Información sobre varias generaciones de motores de combustión interna que funcionan con petróleo diesel de diferentes cetanajes.

- Información bibliográfica sobre características técnicas de cada generación de estos motores teóricamente y técnicamente.

- Equipos mecánicos, eléctricos y electrónicos como:

tacómetro, osciloscopio, cronómetro, estetoscopio, medidores de gases de escape, petróleo de diferentes cetanajes, sincronizador electrónico digital, etc.

- Herramientas especiales y comunes para desmontaje y montaje.

- Materiales de escritorio, impresos y suscripciones.

27

CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO

2.1. DESEMPEÑO DEL MOTOR EN EL VEHÍCULO

Se considera automóvil el vehículo de motor que sirve normalmente, para el transporte de personas o de cosas, o de ambas a la vez, o para la tracción de otros vehículos con aquel fin. Se excluyen de esta definición los vehículos especiales.

El automóvil puede ser a su vez:

- Turismo - Camión

- Tracto camión - Autobús

- Vehículo mixto

El automóvil, según su propia definición, a de tener un sistema que proporciona energía de desplazamiento (motor) y un sistema que la transmita (transmisión) a las ruedas, que son las que proporcionan el movimiento al vehículo.

28

El automóvil también ha de tener otras cualidades como su estabilidad (suspensión), debe poder ser dirigido por las trayectorias deseadas (dirección) y poder ser detenido cuando sea necesario (frenos).

Todo lo indicado, más otros sistemas, se encuentran instalados en el bastidor suspendido en el piso por ruedas y neumáticos.

El automóvil está fabricado para diversas aplicaciones dentro del transporte de carga liviana, mediana, pesada y extrapesada; motivo por el cual los motores también existen de diferentes potencias y torques. El presente trabajo de investigación estriba en el motor en forma general, pero en lo más específico es en el sistema de alimentación de aire con implicancia de otros sistemas auxiliares, por ejemplo: intercambio de gases, alimentación de combustible, refrigeración y lubricación.

MOTOR

Se trata del sistema encargado de proporcionar la energía mecánica necesaria para que el vehículo pueda desplazarse.

DESEMPEÑO

Para un desempeño óptimo de un vehículo debe cumplir las siguientes condiciones:

1.- MOVIMIENTO: Para que existe movimiento es necesario que la fuerza del motor sea transmitida a las ruedas (fuerza en las ruedas), de éstas al suelo (fuerza de adherencia)y que finalmente venza diversas fuerzas contrarias como a la resistencia aerodinámica, a la resistencia de una pendiente y a la resistencia al rodamiento entre otras.

2.- FUERZA EN LAS RUEDAS: Antes de entrar a una deducción de la fuerza en las ruedas, es necesario conocer algunos conceptos como:

- Rendimiento de transmisión

Todo engranamiento y acoplamiento rotativo pierde parte de la energía que debería transmitir debido a la fricción entre las partes.

29 - Radio dinámico

Cuando los neumáticos ruedan por la carretera se deforman, haciendo que la distancia del centro de la rueda al suelo sea menor de lo que los neumáticos estarían fuera del vehículo. Esto define el radio dinámico que está en función de una serie de factores como: tipo de neumático, tipo del suelo, dimensiones de los neumáticos, velocidad, carga, etc.

- Torque

Torque es el producto de una fuerza por el brazo de palanca.

3.- FUERZA DE ADHERENCIA: La máxima fuerza en la rueda que puede ser aprovechada para el movimiento del vehículo y determinar por las condiciones de adherencia los neumáticos del eje de tracción con el suelo.

Estas condiciones son, por tanto, un límite para la utilización de la fuerza en la rueda de vehículo y define lo que llamamos la fuerza de adherencia.

4.- FUERZAS RESISTIVAS:

- RESISTENCIA AL RODAMIENTO: La resistencia al rodamiento es un fenómeno decorrente principalmente de la deformación del suelo y de los neumáticos cuando esta en operación el vehículo. Estas deformaciones exigen al vehículo más potencia de lo que si una rueda sería rígida.

Como la fuerza debida a la resistencia al rodamiento es una fuerza de fricción, esta depende del peso total del vehículo y de un coeficiente de resistencia al rodamiento, en función al tipo del suelo.

- RESISTENCIA AERODINÁMICA: La resistencia aerodinámica, como su propio nombre indica, es la resistencia que el aire ofrece al avance de un vehículo

30 - RESISTENCIA A LA PENDIENTE - VELOCIDAD DEL VEHÍCULO

Para poder conseguir tal desplazamiento se requieren unos sistemas auxiliares. El presente estudio estriba fundamentalmente en el análisis de los parámetros explotacionales, y como se ve son muchas, sin embargo cabe mencionar, que optimizar el rendimiento volumétrico de motores Diesel para coadyuvar a un desempeño del motor por ende al movimiento óptimo del vehículo evitando el consumo anormal de combustible y la contaminación del medio ambiente.

2.2 PRINCIPALES VARIABLES EXPLOTACIONALES QUE ORIGINAN EL ESTUDIO

2.2.1. EN EL PROCESO DE INTERCAMBIO DE GASES PROCESO DE ADMISIÓN

La cantidad de carga fresca suministrada depende de la cantidad con que se limpia el cilindro del motor. Por eso el proceso de admisión se debe analizar tomando en consideración los parámetros que caracterizan el desarrollo del proceso de escape, examinando todo el complejo de fenómenos que se refieren al proceso de intercambio de gases en conjunto.

En el caso de sobrealimentación por turbocompresor, siendo constante la presión del gas ante la turbina, los gases quemados se expulsan del cilindro a un recipiente donde se establece la presión p^rec = Const.

La carga fresca entra en el cilindro a presión p k > p 0. La temperatura del aire T k, después de ser comprimidopor el comprensor, será más alta de To. Al emplear elevados grados de sobrealimentación (πk = pk/po) cuando esta relación es mayor que 2,0 – 2,5, en la tubería principal, después del comprensor (antes de introducir el aire al

31

cilindro del motor), se instala un refrigerador para disminuir la temperatura Tk.. Esto, manteniendo la presión Pk = Const,aumenta la cantidad de la carga fresca que se suministra al cilindro. Las pérdidas en el sistema de admisión, conllevan a que la presión Pa resulte ser menor que la presión del aire después del comprensor pk en la magnitud de las pérdidas hidráulicas ∆P = Pk – Pa . El ingreso de la carga fresca al cilindro continúa también durante el movimiento de retorno del pistón hacia el P.M.S. La recarga tiene lugar parcialmente debido a que el movimiento del pistón desde el P.M.I. pa < pk.

Fig. 2.1 Motor diesel turbocooler: 1. Filtro de aire 2. Compresor-3. Silenciador -4. Turbina- 5. Múltiple de escape- 6. Múltiple de admisión- 7. Cooler.

PARÁMETROS DEL PROCESO DE ADMISIÓN

La cantidad fresca que ingresa en el proceso de admisión, es decir, el llenado del cilindro, depende de los siguientes factores:

1. de la resistencia hidráulica en el sistema de admisión, que hace disminuir la presión de la carga suministrada en la magnitud ∆p;

32

2. de la existencia de cierta cantidad de productos quemados (gases residuales) en el cilindro, que ocupan parte de su volumen;

3. del calentamiento de la carga por las superficies de las paredes del sistema de admisión y del espacio interior del cilindro en la magnitud ∆T, como consecuencia del cual disminuye la densidad de la carga introducida.

Presión en el cilindro en el periodo de llenado.

La existencia de resistencias en el sistema de admisión conduce a que la cantidad de carga fresca que entra en el cilindro del motor, disminuye debido al decrecimiento de la densidad de la carga. La influencia de las pérdidas hidráulicas sobre el llenado puede determinarse si se conocen las perdidas de presión ∆pa en el sistema de admisión o la presión en el cilindro pa en el instante en que se supone finalizado el proceso de admisión. Se puede determinar la admisión, considerando este proceso como estacionario. Utilizando la ecuación de Bernoulli podemos escribir

a ad ad ad a

a k k k

k p V V gz

V gz

p      

2 2

2

2 2

2 

 

 (2.1)

Donde ρk y ρa son las densidades de la carga en la entrada y en el cilindro respectivamente; Vk y Vad, respectivamente la velocidad del aire en la entrada del sistema de admisión, medida en la válvula por ser la sección más estrecha del sistema de admisión por la que fluye la carga fresca, en m/s; ZK Y , Las alturas de nivel respectivamente desde el eje del sistema de admisión y el eje de la válvula de admisión; , el coeficiente de amortiguación de la velocidad de la carga en la sección examinada del cilindro, ( es la velocidad media del aire en la sección examinada del cilindro); ξ ad; el coeficiente de resistencia del sistema de admisión referida a su sección más estrecha.

33

Adoptando que = 0, las alturas de nivel ZK = y despreciando la variación de la densidad de la carga fresca durante su movimiento en el sistema de admisión ( = ), obtendremos

(2.2)

 

k

ad ad a

k a

p V p

p   

2

2 2 







 (2.3)

Según datos experimentales obtenidos al investigar motores de automóviles, para la apertura completa de la válvula en el régimen nominal, la velocidad de movimiento de la carga en la sección de paso es Vad = 50…130 m / s, ) = 2,5… 4. y pa= (0,90 : 0,96) pk para motores con turbocompresor

Al calcular el coeficiente r se puede asumir que la presión de los gases residuales pr = (1,1…1,25) pp y Tr = 700…900k para los motores Diesel.

2.2.2 COEFICIENTE DE EXCESO DE AIRE

En el motor de vehículos la cantidad de aire realmente consumida puede ser en función:

A) Del tipo de formación de la mezcla:

- Formación externa de la mezcla - Formación interna de la mezcla - Carga estratificada

B) De las condiciones de encendido y combustión - Motores de ECH.

- Motores de EC.

- Motores de pre combustión

34

- Motores con encendido del combustible gaseoso por una pequeña porción de combustible líquido que se inflama por compresión.

C) Del régimen de funcionamiento

- Mayo, igual y menor que la necesariamente teóricamente para la combustión completa.

Entonces la relación entre la cantidad real de aire que ingresa al cilindro del motor y la cantidad de aire teóricamente necesaria para la combustión de 1 kg de combustible, se denomina coeficiente de exceso de aire y se designa con

α

:

α = L/L0 Kmol α =

l/l

o Kg. (2.4)

Donde:

l = cantidad real de aire que ingresa al cilindro (en kg)

lo = cantidad de aire teóricamente necesaria para la combustión de 1 kg de combustible.

Siendo la mezcla estequiométrica L = Lo (en kmol) l = lo , entonces α = 1

Si

α<1

(insuficiencia de oxígeno) mezcla rica Si

α>1

(exceso de oxígeno) mezcla pobre

En los motores Diesel, donde se emplea la regulación cualitativa, el coeficiente de exceso de aire varía en función de la carga en amplios límites (desde 5 y más a pequeñas cargas, hasta 1,40 – 1,25 a plena carga).

2.2.3. COEFICIENTE DE LLENADO

El grado de perfección del proceso de admisión se acostumbra evaluar por el coeficiente de llenado o rendimiento volumétrico ην que es la razón entre la cantidad de carga fresca que se encuentra en el

35

cilindro al inicio de la compresión real, es decir, al instante en que se cierran los órganos del intercambio de gases, y aquella cantidad de carga fresca que podría llenar la cilindrada (volumen de trabajo del cilindro) en las condiciones de admisión. Las condiciones de admisión para los motores de cuatro tiempos, la presión Pk y la temperatura Tk después del compresor.

Por eso en lo sucesivo, para estos motores Diesel, vamos a determinar el ην por la cantidad de aire admitida al cilindro. Según la definición

(2.5) Donde es la cantidad másica real de carga fresca que se encuentra en el cilindro al inicio de la comprensión, en Kg; Vk el volumen ocupado por la carga fresca y reducido a las condiciones de admisión ( y ), en .

ECUACIONES DE LOS COEFICIENTES Y PARA EL MOTOR DE CUATROTIEMPOS

Al examinar el escape puede admitirse que el proceso en el motor de cuatro tiempos termina en el P.M.S. Entonces De la ecuación Mr = Pr

Vc /Rv Tr, sustituyendo por obtendremos

(2.6)

Teniendo en cuenta que y , podemos

escribir.

(2.7)

En caso de que haya traslapo de válvulas, lo que garantiza el barrido del cilindro, el coeficiente disminuirá.

36

Para tomar en consideración el soplado adicional del cilindro del motor de cuatro tiempos al efectuar el barrido, especialmente característico para el motor sobrealimentado, en la ecuación:

γr = 1 / (ε-1)ηv . Pr / Pk . Tk / Tr (2.8) se introduce el coeficiente de soplado .

(2.9)

Al no haber barrido = 1, siendo el soplado perfecto = 0. En el denominador de la ecuación:

ηv = φ1 ( ε/ε-1). Pa/Pk . Tk / ( Tk + ΔT + φ γrTr ) (2.10) en lugar de pongamos su valor de la ecuación 2.9. Después de las transformaciones correspondientes obtendremos.

(2.11)

φ= la relación del calor específico de gases residuales y al calor específico de la carga fresca.

φ1 = coeficiente de recarga φS = coeficiente de soplado

Después de sustituir el valor de en la ecuación 2.9 a partir de la expresión 2.11 se puede obtener la ecuación para el coeficiente en el motor de cuatro tiempos en función de la temperatura, presión y coeficientes experimentales:

(2.12) En caso de que el motor de cuatro tiempos no tenga barrido no recarga, =1. Por lo tanto,

37

(2.13)



 



 

 

 

V n i

m l

k h

o comb o v

. . . 120

.

. (2.14)

) (

) ( teórico aire

real aire

v G

 G

 (2.15)

Gaire (real) : Cantidad de carga fresca que se encuentra en el cilindro al inicio de la compresión real.

Gaire (teórico) : Cantidad de carga fresca que podría llenar la cilindrada en las condiciones de admisión.

(2.16)

2.3. CONSECUENCIAS DE UN BAJO RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO 2.3.1. CONTAMINANTES EN EL PROCESO DE COMBUSTIÓN

La presencia de los contaminantes en el producto de combustión, se debe a la combustión incompleta de la mezcla aire combustible, a las relaciones colaterales que transcurren durante el proceso de oxidación a alta temperatura y de la descomposición térmica de los hidrocarburos. Entre estos componentes figuran el CO, que se localiza en productos de combustión incluso con exceso de aire;

NOx, que representan una mezcla de diferentes óxidos, entre las cuales los más tóxicos son NO2 y los polímeros; los CxHy, que son un grupo considerable de diferentes uniones de hidrocarburos que no han reaccionado; aldehídos y partículas de carbonilla.

En caso de trabajar con mezcla pobre, en particular con inyección del combustible a la cámara de combustión, como es el caso de estos motores Diesel, el combustible se distribuye

38

desuniformemente en el volumen y aparecen zonas en las cuales α<1

.

En estas condiciones también puede formarse el CO.

Si vemos la figura 2.1 que muestra la variación del contenido CO y NOx en función de la carga, para motores Diesel con diferentes tipos de cámaras de combustión. Los valores menores de las concentraciones de CO y NOx se consiguen utilizando la cámara de turbulencia, como en el caso del presente estudio. La variación del coeficiente de exceso de aire (

α

) depende de la carga del motor. En la figura 2.1 las líneas llenas corresponden a la separada (en el pistón); las de trazos, a las separadas de turbulencia.

Fig.2.1 Variación del contenido de los componentes de los productos de combustión en función de la carga para diversas cámaras.

Las curvas ilustradas en la figura 2.1 han sido determinadas para un motor diesel con combustión completa.

2.3.2 MEZCLA FRESCA EN LA COMBUSTIÓN

En el motor Diesel, la mezcla aire-combustible se forma en la cámara de combustión, al final del proceso de compresión y en el transcurso del proceso de combustión. Como consecuencia de

39

esto, así como debido al pequeño volumen que ocupa el combustible líquido, no se toma en cuenta la masa molecular del combustible; entonces la mezcla fresca será:

M1 =

αL

o (2.17)

CUANDO EL COMBUSTIBLE ARDE TOTALMENTE

α≥1

La cantidad total de productos de combustión (en kmol) referida a 1 kg de combustible es:

M2 = MCO2 + MH2O + MO2 + MN2 (2.18) La cantidad (en Kmol) de los componentes por separado de los productos de combustión se hallan aplicando las siguientes formulas:

M

CO 2 = C/12 (2.19)

M

H 2 O = H/2 (2.20)

M

O 2 = 0,21 α LO – 0,21 LO = 0,21 (α – 1) LO (2.21)

M

N a = 0.79 α LO (2.22)

Después de introducir a la ecuación (14) las ecuaciones 2.19, 2.20, 2.21 y 2.22 hallamos:

M

2 = C/12 + H/2 + 0,21 (α –1) LO + 0,79 α LO

M

2

=

C/12 + H/2 + α LO – 0,21 LO (2.23) Sustrayendo la expresión 0,21 L0 por su valor a partir de la expresión 2.17, finalmente tendremos la cantidad de productos de combustión en Kmol.

M

2 = α LO + C/12 +H/2 - C/12 -H/4 + OC

/

32

40

=αLO + ¼ (H + OC/8) (2.24) Para la composición estequiométrica de la mezcla α = 1

M

O 2 = O

(

M

2

)

α = 1 = C/12 + H/2 + 0,79 LO (2.25) Entonces para cualquier valor de α > 1, la cantidad de los productos de combustión en Kmol es:

M2 = C/12 + H/2 + 0,79 LO + 0,79 (α - 1)LO + 0,21 (α - 1) LO

M

2 = (

M

2

)

α = 1 + (α - 1)LO (2.26) Donde: 0.79 (α - 1)LO y 0,21(α - 1)LO son las masas de nitrógeno y oxigeno sobrantes respectivamente en los productos de la combustión, en función del coeficiente de exceso de aire.

La masa de los productos de combustión (en Kg.) al quemar 1 Kg.

de combustible es:

G2 = 11/3C + 9H + 0.23 (α - 1)LO + 0.77 α LO = G1 (2.27)

Fig.2.3 Influencia del régimen de velocidad del motor sobre el coeficiente para diferentes cargas.

41

El coeficiente en el motor Diesel a plena carga es un poco mayor;

además, la curva 2 tiene pendiente más suave que la curva 3, lo que se explica por ser menores las pérdidas hidrodinámicas en la admisión del motor Diesel. Cuando el motor funciona en vacio, en el motor Diesel es mayor (curva 1) debido a un menor calentamiento de la carga (véase la fig. 2.4).

Fig. 2.4 variación del rendimiento volumétrico y las pérdidas Δ en función de la carga del motor (cuando n=1400 rpm)

En cierta gama de frecuencias de rotación el coeficiente puede elevarse mediante una efectiva utilización de los fenómenos ondulatorios en los conductos de escape y admisión (sobrealimentación inercial)

Al funcionar en los regímenes nominales el coeficiente varía entre los límites de 0.75 – 0.85 en lo motores de carburador y de 0.8 – 0.9 en los motores Diesel.

En la tabla 2.1 se muestran las fases de distribución de los gases de algunos motores Diesel.

2.3.3. ORGANIZACIÓN DEL MOVIMIENTO DE LA CARGA FRESCA Para obtener elevada calidad de la mezcla y alta velocidad de combustión, la carga deberá desplazarse con la velocidad necesaria al comienzo de la inflamación del combustible y el la

42

ulterior combustión en la cámara. Para dicho fin en el periodo de admisión se crea un movimiento dirigido de la carga. Las investigaciones muestran que una vez que la mezcla ingresa al cilindro su velocidad de movimiento bruscamente disminuye. El movimiento dirigido de la mezcla organizado durante el proceso de admisión se conserva también en el proceso de comprensión, cuando su velocidad crece como resultado del empleo de medidas constructivas adicionales (expulsores, cámaras en el pistón y cámaras).

En los motores de cuatro tiempos modernos el conducto de admisión tiene la configuración correspondiente, condicionando el movimiento dirigido de la carga como se ilustra en figura 2.5.

Fig. 2.5 Dirección del movimiento de la carga en el cilindro Las mediciones se efectuaron a diferentes frecuencias de rotación.

La mayor velocidad se registró a =100° después del P.M.S. En la culata del motor Diesel está situado un conducto tangencial de entrada, que asegura al final del proceso de admisión la formación del movimiento de la carga dirigido tangencialmente, que se somete a la ley de rotación de los sólidos. En el instante en que se cierra la válvula de admisión, en función de la frecuencia de rotación, = 4…10 m/s.

43

Las formas de los conductos de admisión en la culata de motores diesel deben tener menor resistencia hidráulica a fin de incrementar la carga fresca en el proceso de admisión.

2.4. FACTORES QUE INFLUYEN SOBRE LOS PARÁMETROS EFECTIVOS DEL MOTOR

VARIACIÓN DE LOS PARÁMETROS EXPLOTACIONALES DEL MOTOR DIESEL

Parámetros efectivos del motor a plena carga y a diferentes regímenes de velocidad. En la fig. 2.6 se muestra la tendencia de variación de los parámetros que influyen sobre la potencia efectiva del motor en función de la frecuencia de rotación. La primera figura es la comparación de la variación de la potencia en función de la rotación del cigüeñal entre vehículos de mayor circulación en el país, específicamente los sobrealimentados (Volvo y Scania). La segunda figura es la comparación de la variación del torque en función de la rotación del cigüeñal. La tercera figura es la comparación de la variación del consumo específico del combustible en función de la rotación del cigüeñal.

44

Fig. 2.6 Variación de M, Ne y ge en función de la velocidad de rotación (n)

El producto en la expresión = Hu/lo.ηi/α(ηv ρk) determina la presión media indicada o el torque indicado que es proporcional a ella. En caso de ρk = constante para los combustibles

líquidos .

La potencia indicada gastaba en vencer la fricción y para el accionamiento de los mecanismos auxiliares, se caracteriza por las curvas Al aumentar Y respectivamente , incrementando n, en cierto régimen de velocidad todo el trabajo indicado se gastará por completo en vencer la fricción y en accionar los mecanismos auxiliares. La abscisa del punto A caracteriza la máxima frecuencia de rotación que el motor puede

45

desarrollar sin carga. Se denomina frecuencia de rotación de embalamiento en vacío nemb. Debido a que las fuerzas de inercia, que cargan el mecanismo biela-manivela nemb, aumentan bruscamente, no debe tolerarse que el motor funcione en este régimen.

Las ordenadas de las curvas = - ) y

para cualquier régimen de velocidad caracterizan el toque efectivo (presión media efectiva) y la potencia efectiva, que puede ser traspasada a la transmisión del vehículo.

De la fig. 2.7 se infiere que el máximo de la curva se obtiene para la frecuencia de rotación , que es menor que correspondiente al punto máximo de la curva de .

La tendencia que tiene la variación del rendimiento y el consumo específico de combustible en función de la frecuencia de rotación se muestra en la fig. 2.8. Cuando se conocen y pueden determinarse

.

Fig. 2.7 Variación de pe, pi. M, Ne, y Ni en función de n

46

Fig. 2.8 Variación de rendimientos y consumos específicos de combustible en función de la velocidad de rotación

2.5. VARIACIÓN DE LOS PARÁMETROS EFECTIVOS DEL MOTOR EN FUNCIÓN DE LAS CONDICIONES DEL MEDIO AMBIENTE.

P0TENCIA EFECTIVA Y PÉRDIDAS MECÁNICAS:

La potencia que puede obtener del cigüeñal del motor se denomina potencia efectiva. Esta potencia es menor que la potencia indicada, en la magnitud de la potencia que se gasta en las pérdidas mecánicas, es decir:

Ne = Ni - Nm (2.28) Siendo la potencia que se gasta en las pérdidas mecánicas:

 30

. . .iv n

N_m  p^{m h} si la pe = pi – pm

Entonces:

 30

. . .iv n

N_e  p^{e h} kW (2.29)

Donde: pe en MPa, vh en litros y n en rpm.

La potencia correspondiente a las pérdidas mecánicas esta constituida por las potencias que se gastan: en vencer la fricción, en poner en accionamiento los mecanismos auxiliares, en el intercambio de gases, en accionar la bomba de barrido.

Por consiguiente: Nm = Nfr. + Nm.a + Ngas +Nk

47

RENDIMIENTO EFECTIVO Y CONSUMO ESPECÍFICO EFECTIVO DE COMBUSTIBLE:

El grado de aprovechamiento del calor se determina por rendimiento efectivo y por el consumo específico efectivo de combustible.

Le = Li – Lm de donde el rendimiento efectivo es

u e

e H

 L



También ηe = ηm ηi

Para los motores que funcionan con combustible líquido, se introduce esta ecuación en la ecuación:

Ne = ηm.Ni para obtener

k v

e o o k v u

i m o e

p H

l H

p l













 

. . .

. . .

. 

 (2.30)

El consumo específico efectivo de combustible puede determinarse a través del rendimiento efectivo (kg/J):

u e

e H

g 

 1

Después de introducir el valor de ηe a partir de la ecuación (2.29) obtendremos:

e v o

k

e l p

g 



  si se expresa pe en MPa y el ge en g/kWh

e o

k v

e l p

g . .

3600 .





  (2.31)

48

CAPÍTULO III

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL MOTOR DIESEL DE 298 kW

3.1. DATOS Y ESPECIFICACIONES TÉCNICAS