DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGIA Y MECANICA

CARRERA DE INGENIERIA MECANICA

LABORATORIO DE TERMODINMICA APLICADA

TEMA

CICLO OTTO

INTEGRANTES:

Carolina Cadena

Franklin Estvez

Gabriel Tapia

Jos Jahuaco

Santiago Chiluiza

FECHA

2013-04-02

ESCUELA POLITCNICA DEL EJRCITOLABORATORIO DE TERMODINAMICA APLICADA

TEMA: CICLO OTTO.

OBJETIVOS

Objetivo general

Determinar la potencia indicada y la eficiencia de un motor a gasolina mono cilndrico de cuatro tiempos, a partir de diagramas de indicador para condiciones particulares de funcionamiento as como tambin su eficiencia mecnica.

Objetivos especficos

Conocer el funcionamiento de un motor mono cilndrico en el ciclo Otto.

Obtener los parmetros de flujo msico del combustible, aire en el motor.

Conocer cmo se realiza un anlisis exergtico y aplicarlo a la prctica.

MARCO TEORICO

LA PLACA DEORIFICIO

La placa de orificio es el elemento primario para la medicin de flujo ms sencillo, es una lmina plana circular con un orificio concntrico, excntrico o segmentado y se fabrica de acero inoxidable, la placa de orificio tiene una dimensin exterior igual al espacio interno que existe entre los tornillos de las bridas del montaje, el espesor del disco depende del tamao de la tubera y la temperatura de operacin, en la cara de la placa de orificio que se conecta por la toma de alta presin, se coloca perpendicular a la tubera y el borde del orificio, se tornea a escuadra con un ngulo de 900grados, al espesor de la placa se la hace un biselado con un chafln de un ngulo de 45 grados por el lado de baja presin, el biselado afilado del orificio es muy importante, es prcticamente la nica lnea de contacto efectivo entre la placa y el flujo, cualquier rebaba, distorsin del orificio ocasiona un error del 2 al 10% en la medicin, adems, se le suelda a la placa de orificio una oreja, para marcar en ella su identificacin, el lado de entrada, el nmero de serie, la capacidad, y la distancia a las tomas de presin alta y baja. En ocasiones a la placa de orificio se le perfora un orificio adicional en la parte baja de la placa para permitir el paso de condensados al medir gases, y en la parte alta de la placa para permitir el paso de gases cuando se miden lquidos.

Imagen No. 1 Placa de orificio, concntrica, excntrica y segmentada.

Con las placas de orificio se producen las mayores prdidas de presin en comparacin a los otros elementos primarios para medicin de flujo ms comunes, con las tomas de presin a distancias de 2 y de 8 dimetros antes y/o despus de la placa se mide la prdida total de presin sin recuperacin posterior. Se mide la mxima diferencial posible con recuperacin de presin posterior y, con tomas en las bridas se mide un diferencial muy cerca de la mxima, tambin con recuperacin de presin posterior.

La exacta localizacin de tomas de presin antes de la placa de orificio carece relativamente de importancia, ya que la presin en esa seccin es bastante constante. En todas las relaciones de dimetros D/d comerciales. Desde D antes de la placa en adelante hasta la placa, la presin aumenta gradualmente en una apreciable magnitud en relaciones d/D arriba de 0.5; debajo de ese valor la diferencia de presiones es despreciable. Pero s en la toma de alta presin, la localizacin no es de mayor importancia, si lo es en la toma de baja presin, ya que existe una regin muy inestable despus de la vena contracta que debe evitarse; es sta la razn por la que se recomienda colocarlas para tuberas a distancias menores de2 pulgadasde las tomas de placa. La estabilidad se restaura a 8 dimetros despus de la placa pero en este punto las presiones se afectan por una rugosidad anormal en la tubera.

Qu es el efecto Venturi?

El efecto Venturi lo cre Giovanni Battista Venturi, era un efecto que explicaba como el aire caliente sube y el aire caliente baja.

El aire caliente tiene menos presin que el aire fro. Por eso se produce el efecto Venturi.

Ejemplo: El efecto Venturi ayuda a los aviones a volar, porque sus alas tienen una forma que hace que el aire circule a mayor velocidad en una zona. Y as se produce una diferencia de presin.

Por qu algunos tipos de manmetros son inclinados?

El ngulo inclinado del manmetro proporciona muchas ventajas. Una pequea o baja cantidad de presin contra el manmetro inclinado producir un gran movimiento del lquido relativo a las graduaciones del tubo. Como resultado, la escala de graduacin puede ser muy precisa, hasta una centsima de pulgada. Adems, el diseo simple del manmetro inclinado lo hace una herramienta barata pero precisa para medir la presin de gas.

Qu significa la constante k3?

La constante k3 nos dice que para que un motor de combustin interna pueda acabar con los 4 procesos de levas debern tener 6 revoluciones.

Diagrama indicador ciclo Otto

Ciclo real es el que refleja las condiciones efectivas de funcionamiento de un moto y, cuando se representa en un diagrama P-V, se denomina diagrama indicador

Imagen No. 2 Diagrama Ciclos Otto tericos e indicador

Las diferencias que surgen entre el ciclo indicador y el ciclo terico, tanto en los motores de ciclo Otto como en los de ciclo Diesel estn causadas por:

Prdidas de calor, las cuales son bastante importantes en el ciclo real, ya que al estar el cilindro refrigerado, para asegurar el buen funcionamiento del pistn, una cierta parte de calor del fluido se transmite a las paredes, y las lneas de compresin y expansin no son adiabticas sino politrpicas, con exponente n, diferente de .

Tiempo de apertura y cierre de la vlvula de admisin y de escape, aunque en el ciclo terico se supuso que la apertura y cierre de vlvulas ocurra instantneamente, al ser fsicamente imposible, esta accin tiene lugar en un tiempo relativamente largo, por lo que, para mejorar el llenado y vaciado del cilindro, las vlvulas de admisin y de escape se abren con anticipacin lo que provoca una prdida de trabajo til.

Combustin no instantnea, ya que aunque en el ciclo terico se supone que la combustin se realiza segn una transformacin isocora instantnea, en el ciclo real la combustin dura un cierto tiempo. Por ello, si el encendido o la inyeccin tuviese lugar justamente en el P.M.S (Punto Muerto Superior)., la combustin ocurrira mientras el pistn se aleja de dicho punto, con la correspondiente prdida de trabajo.

Para evitarlo se recurre a anticipar el encendido de forma que la combustin tenga lugar, en su mayor parte, cuando el pistn se encuentra en la proximidad del PMS, lo que en el ciclo se representa por un redondeo de la isocora de introduccin del calor, y por tanto, una prdida de trabajo til. Evidentemente esta prdida resulta bastante menor que la que se tendra sin adelantar el encendido.

Prdidas por bombeo, las cuales aunque en el ciclo terico se supone que tanto la admisin como el escape se realizan a presin constante, considerando que el fluido activo circula por los conductos de admisin y escape sin rozamiento, en el ciclo aparece una prdida de carga debida al rozamiento, que causa una notable prdida energtica.

Qu son los Motores Reciprocantes?

El motor de cuatro carreras encendido por chispa (ECH).

Imagen No. 3 Esquema de un motor- Admisin

La mayora de los motores de combustin interna, utilizan el principio del mbolo reciprocante, segn el cual, un mbolo se desliza dentro de un cilindro hacia atrs y hacia delante y transmite fuerza a la flecha motriz, por lo general, mediante un simple mecanismo de biela y manivela.

Imagen No. 4 Esquema de un motor- Compresin

Una carrera de admisin para inducir una mezcla combustible hacia el interior del cilindro del motor, (vlvula de admisin abierta).

Una carrera de compresin, para elevar la temperatura de la mezcla Figura(ambas vlvulas cerradas).

Imagen No. 5 Esquema de un motor- Escape

Al final de la carrera de compresin, ocurre la chispa y el incendio consecuente de la mezcla homognea, liberando energa que aumenta la temperatura y la presin de los gases; enseguida desciende el mbolo en la carrera de expansin o de potencia, (ambas vlvulas cerradas).

ANLISIS EXERGTICO DE PROCESOS QUE RECHAZAN CALOR

Anlisis exergtico:

Para realizar un anlisis exergtico en un proceso que rechaza calor primero se debe considerar el proceso como ideal, luego calcular las entalpas y exergas en cada uno de los gases que intervienen en el proceso.

En el caso de la exerga se hace referencia al estado muerto del ambiente en donde se toma en cuenta una temperatura de 20 C y 1 atm de presin.

Dependiendo el caso se debe tomar en cuenta el desequilibrio tanto fsico como qumico.

CICLO OTTO

Segn el ciclo modelado de Otto, la energa que se suministra es igual a la cantidad decalorque aporta el combustible. Lapotenciaque se registra delmotora un rgimen dado es la potencia til que se obtiene. La diferencia entre estosvaloreses el calor que se disipa en el motor hacia elambiente, por los refrigerantes y los que se llevan losgasesde combustin:

Para el clculo de la potencia til simplemente se multiplica el par producido por las rpm para el rgimen del motor:

El clculo del calor suministrado se realiza multiplicando el flujo msico de mezcla que ingresa a la cmara por elpodercalorfico del combustible.

En este punto debemos hallar el flujo msico de combustible o de lo contrario se usa la segundaigualdad, donde el calor especfico para elairese toma de las tablas, la variacin de temperaturas se halla asumiendo una combustin estequiomtrica completa (TMAX= TLLAMA ADIABTICA), adems se tiene la presin del PMS de las especificaciones tcnicas (850 kPa).

El flujo msico del aire para el motor se halla como sigue, para un ciclo:

Donde:

- La cilindrada obtenida de las especificaciones se divide entre tres, ya que un giro completo del rotor equivale a tres ciclos completos.

N: nmero de revoluciones de cigeal (rev/s)

A: nmero de ciclos por giro de cigeal, para este caso se especifican 2 ya que el motor es de doble rotor.

iii. Anlisis exergtico:

Se determinan las corrientes de exerga mediante las siguientes frmulas:

Exerga que acompaa a los flujos de calor:

Exerga de la potencia obtenida:

Irreversibilidades:

Este motor presenta un inconveniente, que es la prdida de potencia por friccin en los segmentos de sellado, sin embargo, sta es menor que la que se genera al vencer la inercia durante la transmisin delmovimiento(de lineal a rotatorio) en un motor alternativo mediante el mecanismo de biela-manivela.

Tambin hay otros factores de diseo que definen elprocesocomo irreversible. La diferencia de presiones entre la cmara adelantada y retrasada al momento que avanza el frente de llama puede generar una combustin deficiente en la segunda cmara, este problema se da slo a velocidades lentas, y por ende fugas de combustible y prdidas deeficiencia.

stos son las dos principalesfuentesde prdida de potencia en el motor, la fraccin de prdida de potencia que generan stas y en general todas las irreversibilidades existentes se puede calcular mediante:

I= -T0*

Dnde:

T0:Temperaturadel ambiente

: factor de irreversibilidad (obtenido por la segundaley)

EQUIPO

Imagen No. 6.1 Equipo didctico ubicado en el Laboratorio de motores.

Imagen No. 6.2 Equipo didctico ubicado en el Laboratorio de motores.

Motor a gasolina Mono cilndrico de cuatro tiempos de ciclo Otto

Imagen No. 6.3 Equipo didctico ubicado en el Laboratorio de motores.

PROCEDIMIENTO

Asegrese de que el dinammetro y su correspondiente torqumetro estn calibrados en cada banco de pruebas.

Chequear cuidadosamente las conexiones entre el banco de pruebas y el equipo indicador.

Abrir totalmente la llave que controla el flujo de agua hacia el banco de pruebas. Asegrese de que existe un flujo continuo de la misma a travs del transductor.

Encender todos (os sistemas elctricos y electrnicos.' "Arrancar" el motor y permitir su estabilidad de funcionamiento durante 10 minutos, a una velocidad de 2000 rpm y con aceleracin parcial.

Preparar cuidadosamente el equipo fotogrfico a usarse.

Establecer la velocidad y aceleracin particulares a las cuales se va a hacer la prueba.

Regular los controles del amplificador, osciloscopio y generador de funciones, hasta obtener en la pantalla respectiva un diagrama correcto y ntido.

Proceda a tomar la fotografa correspondiente. Anote las posiciones de velocidad y diafragma, as como tambin las escalas elegidas en el osciloscopio.

Cambiar todo el sistema indicador al otro banco de pruebas.

Repetir el proceso.

TABLA DE DATOS

(SimbologaN Velocidad del motor ho Presin interna del tanqueTe Temperatura de escapet Tiempo en segundos de utilizacin del motorVg Volumen de gasolina consumido Dimetro de la placa orificio)Tabla de datos No. 1

ENSAYO

N

Tq

Ho

t

Te

( C)

No

(rpm)

(Nm)

(mmH2O)

(s)

1

300

5

3

47,27

720

2

2600

5

3

47,71

675

3

2200

6

2,5

47,8

650

4

1800

5,5

1,5

48,27

580

5

6

58,7

540

Tabla de datos No.2

Dimetro pistn:

67

(mm)

Carrera pistn:

56

(mm)

k3:

50472103

(N/m^3)

Ap:

0,003848

A(diam. piston):

3525,65

(mm^2)

A(cilin. motor):

0,000197437

(mm^3)

k2:

2

TABLA DE RESULTADOS

Tabla No. 1 Resultados

N

w

potencia al freno

L'

PMEI

potencia indicada

eficiencia mecanica

perdidas

(rpm)

(rad/s)

(Kw)

(m)

(N/m2)

(Kw)

(%)

J

3050

319,40

1437,28

0,044

4414014,83

2215,31

6,489

20713,04

2650

277,51

1859,30

0,044

4414014,83

1924,54

9,661

17386,06

2250

235,62

1555,09

0,044

4414014,83

1634,40

9,517

14785,31

1850

193,73

1239,88

0,043

4516666,33

1374,79

9,019

12508,01

1450

151,84

911,06

0,043

4516666,33

1077,54

8,455

9864,31

Tabla No. 2 Resultados

P aire

masa de aire

Vol comb

n

Rev comb.

Vol/rev

masa comb

A/C

N/m2

kg

m3

Rev

rev

m3/rev

kg

30,324

0,00164486

0,000008

66,2324

33,1162

2,4157E-07

0,00020051

8,204

35,378

0,00164494

0,000008

49,4219

24,7109

3,2374E-07

0,00026871

6,122

20,216

0,00164470

0,000008

38,8534

19,4267

4,118E-07

0,0003418

4,812

15,162

0,00164461

0,000008

19,3494

9,6747

8,269E-07

0,00068632

2,396

EJEMPLO DE CALCULOS

GRAFICOS

Imagen No.7 Diagrama N vs. Pf

Imagen No.8 Diagrama N vs. Pi

Imagen No.9 Diagrama N vs. PMEI

ANALISIS DE RESULTADOS

En la actualidad, las mejores mquinas y motores existentes poseen eficiencias de 40% y son consideradas como excelentes motores a lo largo de pases industrializados, en nuestro caso y con los clculos expuestos las eficiencias dependen del nmero de revoluciones siendo la ms elevada de 30 % y la menos eficiente de 14% teniendo datos coherentes ya que el motor ha pasado por gran parte de su vida til y por tanto est desgastado.

En el porcentaje de potencia perdida se puede mencionar toda la energa que se ha disipado como calor teniendo porcentajes de 70% hasta 86% dependiendo del nmero de revoluciones.

Las prdidas se deben a procesos incompletos, y desgaste de la mquina por el tiempo de uso, y al hecho que durante la historia no se ha podido optimizar un motor con altas eficiencias.

Al comparar los resultados con datos tericos, se puede verificar que las eficiencias varan en 3, 4 y hasta 10 puntos por ciento ya que la mquina tiene su tiempo de uso y de igual manera los datos tomados pueden presentar errores.

CONCLUSIONES:

Los dos motores e encuentra con una eficiencia relativamente baja por lo que su funcionamientos no el esperado, lo que impide un anlisis y una comparacin ms afondo de los ciclos termodinmicos.

Como podemos darnos cuenta, la presin media efectiva, es un indicador muy confiable para determinar el trabajo neto realizado, pero este solo tiene un bajo margen de error ciclo Otto, como se pudo observar en las grficas.

Se pudo ver que a medida que las revoluciones son reguladas y bajan existe un consumo lento de combustible.

Al tener una relacin de compresin baja, el motor a gasolina (ciclo Otto), tiene una relacin de aire combustible baja, es decir que el motor necesita mayor cantidad de combustible para realizar la explosin dentro del motor, por el contrario, una relacin de alta se traduce como menor cantidad de combustible para la explosin dentro del motor.

RECOMENDACIONES

No se debe confundir el volumen con las masa de un mismo elemento, ya que la densidad del mismo es diferente entre substancia y substancia, podemos ver esto en la relacin de aire combustible, y las densidades de la gasolina y del diesel.

Para la manipulacin de los equipos, se debe tener en cuenta que el freno de promedio de circulacin de agua, es muy sensible a los cambios bruscos de caudal, controle el caudal con suma precaucin.

BIBLIOGRAFIA

http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/apuntes/Medicion_de_Caudal.pdf

http://proton.ucting.udg.mx/dpto/maestros/mateos/clase/Modulo_05/detectores/orificio/index.html

http://www.slideshare.net/guest53e8ee/efecto-venturi

http://www.taringa.net/posts/apuntes-y-monografias/4788762/Los-motores-de-combustion-interna.html

Potencia Efectiva VS N

y = -3E-07x2 + 0,0024x - 1,8788R = 0,9911

300026002200180014001.88495559215387611.76976386152225021.26710903694788321.03672557568463160.73303828583761788

N[RPM]

Pf(kN)

Potencia Indicada vs N

y = 0,0014x - 1,0449R = 0,9958

300026002200180014002.81598707373176272.16704646283011871.61307942369727430.875219914088666620.5726924993660506

N[RPM]

Pi(kw)

PMEI[kN/m]300026002200180014004750.31557647059444476.25890859728414217.53189452055183458.27372407407573143.0355050000012

N(RPM)

PMEI(KN/m^2