Tema Vi Ensayo Mcia

TEMA VI

ENSAYOS DE MCIA

Prof. Jesús Araque y Simón Fygueroa. Diciembre 2003 1

CONTENIDO• Objetivos.• Características.• Relación entre potencia: en el combustible, efectiva e indicada.• Mediciones que se llevan a cabo en bancos de motores:

• Potencia, par, consumos de aire y combustible, rpm.• Temperatura, presión en el cilindro.• Flujo de líquido y pérdidas de calor.• Emisiones de escape.

• Tipos de ensayos que se realizan en MCIA.• Velocidad variable y constante en MECH y MEC.

• Recolección de datos: fórmulas utilizadas, factores de corrección.• Curvas características: análisis.

• (Pot., Par, ge) vs rpm.• (ηe, ηi, ηm) vs rpm.• (ma, mc) vs rpm.• Multiparamétricas.


Debido a la complejidad de los MCIA es necesario disponer de laboratorios donde se puedan realizar ensayos, verificar nuevas ideas o emplear herramientas para diseños originales.

Los experimentos de laboratorio permiten mejor control de la variable a ensayar

Los ensayos de MCIA permiten reproducir condiciones similares a las de funcionamiento en carretera, obteniéndose los parámetros característicos del motor, con los cuales se puede estudiar el comportamiento del mismo bajo carga.

OBJETIVOS

Fig. 1 Banco de ensayos de motores

MCIA

Medición de flujo de aire

Medición de flujo de combustible

Tanque amortiguador

Celda de carga

Freno

Balanza

ENSAYO DE MOTORES


ASPECTOS IMPORTANTESPlanificación cuidadosa de los experimentos.Conocer las características de funcionamiento de motor.Conocer las variables primarias y secundarias del problema.Experiencia en el campo del diseño experimental.Asegurar la forma adecuada para la toma de datos, lo que involucra: suficiente información, mínimo numero de errores, etc.Tipo de información requerida y cual necesita experimentos más sofisticados.Exactitud deseada en las mediciones.

Capacidad para almacenamiento de información.Eliminar el excesivos numero de ensayos de prueba.Reducción de tiempo, dinero y uso ineficiente de equipos costosos.Producción en serie reducen las pruebas de normalización.

ENSAYOS DE MOTORES


POTENCIA DESARROLLADA POR EL MOTOR

Potencia en el combustible:

Potencia indicada:

Potencia efectiva:

Eficiencia indicada:

Eficiencia mecánica:

Eficiencia efectiva:

ii WmW =

ime WW η=

C

ii Q

W=η

i

em W

W=η

C

ee Q

W=η

iCC HmQ =

Pot. en el combustiblePot. indicada Pot. efectiva

Efic. indicada Efic. mecánica

Efic. efectiva

ENSAYO DE MOTORES

Fig. 2 Relación entre potencias y eficiencias


⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+=

30cnCCpmf 21

PERDIDAS MECANICAS

C1 C2

MECH con C/Dp > 1 0.050 0.0155

MECH con C/Dp < 1 0.040 0.0135

MEC II 0.105 0.0138

MEC ID 0.105 0.012

Fig. 3 Variación de las pérdidas mecánicas vs rpm

Tabla 1. Constantes de fricción

EVALUACION DE LAS PERDIDAS MECANICAS (M. S. JOVAJ)

Jovaj, M.S., Motores de Automóvil. Editorial MIR. 1982.


- Potencia: - En el eje del motor.

- Velocidad: - En el eje del motor.

- Temperatura: - Sistemas del motor.

- Cámara de combustión.

- Consumo de aire: - Sistema de admisión.

- Consumo de combustible: - Carburador o sistema de inyección.

- Presión: - En el cilindro

- En el múltiple de admisión o escape.

- Análisis gases de escape: - CO2, H2O, N2, CO, ..........,NOx

ENSAYO DE MOTORES: MEDICIONES


ROTORBALANZA ESTATOR

FUERZA

EN BANCOS DE PRUEBAS

Medición de par y potencia Empleando un dinamómetro para medir el par desarrollado por el motor a unas rpm dadas.

Trabajo: bf2w π=

RFbf =RF2w π=

Potencia: RFn2W π=

PAR Y POTENCIA

Fig. 4 Medición del par motor

3.9549n MW =

BRAZO


L

L

a) b)

Fig. 5 Tipos de frenos empleados en ensayos de MCIA: a) Fricción, b) Hidráulico

Entrada de AguaDepósito

Rueda de paletas

Salida de Agua

Eje

PAR Y POTENCIA


Brazo p/ pesosBrazo p/ contrapesos

Eje

Paletas rectas

Fig. 6 Freno tipo ventilador

PAR Y POTENCIA


El par producido por el motor no debe exceder la capacidad del freno (imposible controlar el MCIA)

La línea de potencia constante es un límite de seguridad para protección contra sobrecalentamiento.

La pendiente en la primera porción de la curva se obtiene variando la velocidad para carga constante.

Las posiciones intermedias de absorción dependen de la capacidad de regulación del freno.

rpm

Pot.(kW) Máx. frenado

Pot. del motor

Mín. frenado

0 1000 2000 3000 4000

50

40

30

20

10

0

Fig. 7 Curvas características del freno

CARACTERISTICA DEL FRENO


Contadores de revolución.Son accionados mecánicamente y se emplean para baja velocidad.Tacómetros. Son accionados mecánica o eléctricamente y empleados para alta velocidad, se emplean junto con transductores electrónicos y mecanismos fototransmisores.Estroboscopios.Producen un haz intermitente con frecuencia proporcional a la velocidad de rotación, se emplean para alta velocidad y donde las conexiones mecánicas son difíciles.

MEDICION DE VELOCIDAD

Rueda dentada

Sensor electromagnético

Fig. 8 Medidor de velocidad


Se requiere saber la cantidad de aire que es aspirada por el motor para producir determinada potencia.

Es un procedimiento de cuidado debido a las características pulsantes de aspiración en el motor.

Se debe procurar introducir la mínima restricción posible al paso del aire.

El método utiliza la caída de presión ocasionada por el aire en su paso a través de un orificio calibrado.

MCIA

Manómetro

OrificioLaminas directoras del flujo

Fig. 9 Sistema medidor de flujo de aire

MEDICION DEL CONSUMO DE AIRE


TanqueManómetro

Orificio calibrado

MCIA

TermómetroAplicando la ec. de Bernoulli:

2

22

22

1

21

11 gZ

2VPgZ

2VP

++ρ

=++ρ

;ρρρ aire21 =≈ ;21 ZZ = 0V1 =

; )PP(2Vaire

212 ρ

−= aire2 VV =

Aplicando continuidad:;AVm realaireaireaire ρ= Do

aireaireaire CAP2m

ρΔ

ρ=

;P2ACm aireoDaire ρΔ= ΔHgρΔPliquido

=

Fig. 10 Medición de consumo de aire

DEPOSITO DE REMANSO

ΔH


Colocado entre el orificio medidor y el motor minimiza la amplitud de las oscilaciones en el orificio.El tanque debe tener capacidad suficientemente y un sensor de temperatura para considerar los cambios en la densidad del aire.

D2min

246

tanque iVn(j/2)d4.57x10Vol = d : diámetro del orificio (m).

j : 2 ó 4 (2T ó 4T) i : número de cilindros.VD : volumen desplazado (m3).nmin : rpm mínimas (rad/s)

CALCULO DEL DEPOSITO DE REMANSO

L.J. Kasther. The Airbox Method of Measuring Air Comsumption Proc.I. , 1947.


Asegura condiciones de flujo estable ya que poseen una malla con orificios de área transversal muy pequeña en comparación con la longitud del elemento.

Tiene problemas con el ensuciamiento, lo

cual afecta su calibración.

Su uso garantiza que Pmaire Δ∝

Manómetro

Aire

Elemento viscoso

MCIA

ΔP, (mm H2O)

ΔΗ= 472.0Vaire

60

40

20

020 150 200 250

)s/l(V aire

Fig. 11 Medición de flujo de aire

MEDIDOR DE FLUJO VISCOSO


Flujo másico: balanzas calibradas.Flujo volumétrico: pipetas, buretas, tubos calibrados.Flujo continua: rotámetros, medidores de orificios.

Marca superior

Marcainferior

Fig. 12 Medidores de flujo de combustible: a) balanza, b) tubos calibrados, c) rotámetro

MEDICION DE CONSUMO DE COMBUSTIBLE

a) b) c)


TEMPERATURA

Empleando termopares de superficie se pueden hacer mediciones de temperatura de pared en el motor. Dependiendo de la velocidad del proceso se requiere un sistema de adquisición de datos.

Estas juntas especiales de termopares se emplean para medir temperatura en el pistón y paredes de la cámara de combustión.

Las fallas en la vida útil del cableado, perdida de contacto y tamaño inadecuado de la junta termopar ocasionan interrupciones en la transmisión de información.

Termopares

Cables

Fig. 13 Pistón instrumentado

MEDICION DE TEMPERATURA


FLUJO DE LIQUIDOS Y PERDIDAS DE CALOR

Se emplean medidores de flujo tipo turbina para los casos de: aceite lubricante y fluido de enfriamiento.

Medidores de disipación de calor.

Fig. 14 Medidor de perdidas de calor

MEDICION DE FLUJO DE CALOR

Sensor de temperatura

Medidor de temperatura

Medidor de flujo


PRESION EN EL CILINDRO

Se utilizan para tener registro del cambio p-V en el cilindro del motor bajo condiciones normales de operación.

Usualmente se usan transductores de presión del tipo sensor piezo-eléctrico, los cuales detectan el cambio en tiempo real y envían una señal de voltaje equivalente a la variación de presión.

Adicionalmente se requiere del empleo de amplificadores de señal, filtros, sistemas de monitoreo y de adquisición de datos.

Cara del sensor sometida a p y T de la cc.

Camisa roscada

Salida de voltaje del transductor al sistema de adquisición de datos

Fig. 15 Partes del sensor piezoeléctrico

MEDICION DE PRESION


CONTROL DE EMISIONES DE ESCAPE

Para mejorar las condiciones de aprovechamiento de calor en el cilindro del motor y a la vez para reducir la expulsión de contaminantes al medio ambiente.

En MCIA es deseable controlar la producción de compuestos químicos como: CO, NO, NOX, Partículas, HC.

Los medios de control utilizados son:• Regulación de la temperatura de combustión.• Uso de químicos absorvedores como: metalesNobles (Pt, Pd).

• Empleo de reactores térmicos.• Empleo de convertidores catalíticos.

0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3

Relación A/C

Pobre Teórica Rica20 17 15 14 13 12

NO

HC

CO

φ

MEDICION DE EMISIONES DE GASES

Fig. 16 Contaminantes en MCIA


Fig. 18 Componentes básicos de un sistema de adquisición de datos

COMPONENTES DE UN SISTEMA INDICADOR

Piezoeléctrico

Inductivo

Presión en el cilindroPresión de inyección

Levantamientode aguja

Sensores

Sincronización

Canales de amplificación

OsciloscopioCámara

Salida

De deformación Magnético


VELOCIDAD VARIABLE(Vehículos automotores)

VELOCIDAD CONSTANTE (motor-generador, motor-bomba).

Carga total.

Carga parcial.

Para determinar Potmáx y gemín

Para determinar cambios en gemín

Para determinar cambios en gemín

TIPOS DE ENSAYOS PARA MCIA


CARGA TOTAL (RPM VARIABLE)• Ajustar el salto de chispa para máxima potencia.• Abrir la mariposa de gases completamente (mantener durante el ensayo).• Ajustar la carga para la mínima velocidad.• Comenzar la prueba cuando se alcance equilibrio (TH2O, TACEITE).• Iniciar con la medición de consumo de combustible.• Tomar datos: rpm, par, temperaturas y consumo de aire.• Ajustar el salto de chispa para máximo desarrollo de par a otras rpm.CARGA PARCIAL (RPM VARIABLE)• Ajustar la posición de la mariposa de gases y de la regulación del freno.• La medición del consumo de combustible es el parámetro más importante.RPM CONSTANTEAbrir la mariposa de gases o cremallera de bomba de inyección a las rpm deseadas.Seguir el procedimiento anterior.Para aumentar carga ajustar la posición del acelerador a las rpm deseadas.

CARACTERISTICAS DE LOS ENSAYOS: MECH y MEC


Fig. 19 Velocidad variable , MECH, 100 % carga, rc = 9.

iWeW

fW

eg

pmeMe )ftlb(Me −

)hbhp/lbm(ge −

)hp(We

)psi(pme

240

220

200

160

120

80

40

0

320280240

0.60.5

0.41000 2000 3000 4000 5000 rpm

CURVAS CARACTERISTICAS DE MCIA


MAXIMA POTENCIA.En MEC no hay un indicativo claro de máxima potencia como en MECH.

Similar que en MECH el freno se ajusta para la mínima velocidad con una posición de la bomba de inyección para un color no muy oscuro de los humos. Sin embargo el color de los humos puede ser resultado de: mala atomización, inyección tardía, falta de compresión, mala distribución del combustible por cilindro.

CARGA PARCIAL.Procedimiento similar al caso de MECH.

Pot.

Azul grisáceo

Gris claro

Azul grisáceo

Gris claro

150

100

75

50

25

00 500 1000 1500 2000 2500

0.450.40

rpm

ge

Fig. 20 Curvas de MEC para potmáx

ENSAYOS CON RPM VARIABLE (MEC)


)J,rpm,M(fW

),t,V(fm

)orificio,P(fm

ee

ccc

a

=

ρ=

Δ=

TOMA DE DATOS EN ENSAYOS DE MOTORES

Fig. 21 Parámetros básicos a medir en un ensayo de motores

Motor

Manómetro

Placa de orificio

n F Δp Vc t(rpm) (kg) (cmH2O) (cm3) (s)

cmampar

PotenciaF/A


Consumo de aire:

Rendimiento volumétrico:

Consumo de combustible:

Potencia efectiva:

Consumo específico de combustible:

Rendimiento efectivo:

Rendimiento mecánico:

Presión media efectiva:

Riqueza:

)Cp,T,p,f(m Dar Δ=

n/30JρiVm;m/mη Datatarvol ==

/tVρm ccc =

n/const.MW ee =

ece W/mg =

icccee HmQ;Q/Wη ==

iem W/Wη =

De V/Wpme =

ace m/mF;F/F ==φ

FORMULAS A UTILIZAR


CORRECCION DE POTENCIA y ηV

Se requiere debido a que la p, T y humedad del aire que se introduce al cilindro del motor afectan el flujo de aire y por lo tanto la potencia producida.

Los valores de AN: patm = 101.325 kPa, pvap = 1.327 kPa y Tamb = 29.4 C

o

o1)/γ(γ

o

2/γ

oo

oe

Tpm ;

pp

pp

1γ2γ

RTpAm ∝

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=+

Nf,Mi,Ne,M

N

vapM

NMi,Ni, WWFCW ;

TT

p-ppFC ; WFCW −===

M

NMV,NV, T

TFC' ; ηFC'η ==

Para flujo de aire a través de un orificio en condiciones de estado estable

Factor de corrección de potencia

Factor de corrección del rendimiento volumétrico.


am

iW

eW

fW

200

150

100

50

00 1000 3000 5000 7000 rpm

800

600

400

200

eWam

CURVAS CARACTERISTICAS

Fig. 22 Curvas características: potencia, consumos de aire y combustible y rendimientos de MCIA

mη

iη

eη

eg

ig

η,g

n(gemín) nemb rpm



rpm

Pmi

Pme

Pmf

fW

eW

iW

pme, kPa.Pot, kW

rpm.Fig. 23 Curvas características para MCIA y efectos de la altura sobre la potencia



pme

eW

eg

FA

aV

g/kWhge

kWWe

FA

s/dm

V 3a

kPa,pme

rpm

Fig. 24 Curvas características para MCIA y mapa del motor

ukPa,pme Nm,M e

rpm


CARACTERISTICAS DE TRABAJO DE MCIA

Tabla 2. Parámetros característicos de MCIA de AN y SA (Par)Máx

Motor crCpDpD

C3dm

RPM RPM us/m

eg eηkPa kPa

(Efic.)Máx

DVperpmepmei

h.kW/g

Heywood, J. B., Internal Combustion Engines Fundamentals. Mc. GrawHill 1988.


1. Benson, R. S., Advanced Engineering Thermodynamics. 1977.2. Greene A. B., The Testing of Internal Combustion Engines.3. Heywood, J. B., Internal Combustion Engines Fundamentals. Mc. GrawHill

1988.4. Lukanin, V. N., Motores de Combustión Interna. Editorial MIR 1982.5. L. R. Lilly., Diesel Engine Reference Book. 1985.6. Jovaj, M.S., Motores de Automóvil. Editorial MIR. 1982.7. Obert, E. F., Motores de Combustión Interna.8. Taylor, C. F., The Internal Combustion Engine. 1961.9. Taylor, C. F. y Taylor, E., The Internal Combustion Engine in Theory and

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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS


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