Laboratori de Mecànica de Fluids i Motors Tèrmics. E.U.P.M. Departament de Màquines i Motors Tèrmics. U.P.C. Prof.: J.J. de Felipe
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TEMA 5.-POTENCIA-RENDIMIENTOS-BALANCE TERMICO 1.-Introducción. La potencia desarrollada en el interior del cilindro(potencia indicada) no se transmite integramente al eje motor de salida(potencia efectiva), si no que parte de esta potencia es absorbida, o mejor dicho, perdida debido a los rozamientos de los diferentes órganos mecánicos del motor; a esta potencia perdida es la denominada "potencia absorbida por las resistencias pasivas". Por tanto se cumple: •
•
•
Wi = We + W roz La potencia indicada se calcula si conocemos el ciclo indicado del motor. La potencia absorbida por las resistencias pasivas se puede medir haciendo girar el motor sin encendido mediante una fuente externa de potencia. La potencia efectiva se puede medir colocando un freno especial en el eje de salida. 2.-Potencia indicada Es la potencia desarrollada por el fluido de trabajo en el interior del cilindro. La potencia indicada es facilmente calculable, si conocemos la presión media indicada(pmi): y está si conocemos el ciclo indicado. Así, el trabajo indicado durante un ciclo termodinámico y en función pmi, nos viene dado para un cilindro como:
∏*D 2 Wi = * C * pmi 4
En donde : D ->Diámetro del cilindro. C->Carrera. Como sabemos
∏ *D 2 *C = V 4
es la cilindrada. La total para un motor con "Z" cilindros es: Vtotal=Z.V Por tanto el trabajo indicado, se puede expresar como:
Wi = Z * V * pmi
La potencia la podemos calcular si introducimos la magnitud tiempo, a través de las r.p.m. Para un motor de cuatro tiempos (1 ciclo termodinámico cada dos revoluciones), obtenemos,
n 1 * = 60 2 ∏ *D2 n 1 Z* * C * pmi * * 4 60 2 •
Wi = Z * V * pmi *
Para un motor de dos tiempos
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n = 60 ∏ *D2 n Z* * C * pmi * 4 60 •
Wi = Z * V * pmi −
3.-Potencia efectiva o potencia al freno. Presión media efectiva. La potencia efectiva, es la potencia disponile a la salida del eje motor, a diferencia de la potencia indicada. Es la potencia neta disponible de la máquina, también se le denomina potencia al freno, ya que en general esta potencia se mide con un dispositivo colocado en el eje del motor y denominado freno.Existen diversos tipos de frenos: -Hidraúlicos -Eléctricos -Aerodinámicos. Todos ellos se basan en equilibrar mediante un momento de fuerzas externas medibles , el momento en el eje producido por el motor. Esta potencia medida mediante estos sistemas, la podemos poner en función de una hipotética presión media efectiva (pme); para seguir en paralelismo con lo dicho con la potencia media indicada. Esta presión media efectiva corresponderá a la presión media que multiplicada por la cilindrada el mismo trabajo útil efectivo, que el medido por los frenos
pme = Por tanto:
We ∏ *D 2 *C 4
∏ *D We = * C * pme 4 • n 1 We = Z * V * * pme * (4tiempos ) 60 2 • n pme (2tiempos) We = Z*V * 60 2
La pme es un término muy útil para comparar los motores y establecer sus límites de prestaciones. Los valores usuales de ésta y la relación de compresión para diversos motores es: rcv pme Normal 6.5a 8 7.5 a 8.5 Motores gasolina super 8.5 a 10.5 8.5 a 11 motor normal 6 a 10.5 8 a 10 Motores Keroseno mot.Sobreali. 6 a 7.5 10 a 18
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Motores a gas 6 a 7.5 Motores 4 T Diesel: -Inyección directa 14 a 19 -Inyecc.Directa sobr. 14 a 19 -Cámara turbulencia 15 a 22 -Idem.Sobrec. 15 a 22 -Precámara 15 a 22 Motores 2T Diesel: -Inyección directa -Precámara
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10 a 18 6 a 10 9 a 12 6a9 9 a 12 6 a 12
16 a 22 20 a 22
6.5 a 8.5 5.5 a 7
4.-Potencia absorbida por las resistencias pasivas. Esta es la potencia perdida, es la diferencia entre la potencia indicada y la efectiva. •
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W p = Wi − W e Es la potencia que se utiliza para vencer: a)Los rozamientos entre las partes mecánicas en movimiento. b)La que se utiliza para el bombeo del fluido. c)Y la utilizada para mover todos los sistemas que permiten el correcto funcionamiento del motor(distribución, refrigeración, lubricación, etc.). Existen dos procedimientos de medida: -Se mide en un freno la potencia efectiva, y mediante el ciclo indicado se mide la potencia indicada, serestan ambos valores y obtendremos la potencia absorbida por las resistencias pasivas. -El segundo método se basa en medir la potencia efectiva con un freno del tipo eléctrico, después de medido se desconecta el encendido del motor y se arrastra con el freno eléctrico; la potencia desarrollada por éste, es la potencia perdida por rozamientos. 5.-Rendimientos. 5.1.-Rendimiento termodinámico. Es la relación entre el trabajo del ciclo ideal y el calor aportado al mismo ciclo:
ηt =
Wideal W netoideal W netoideal = = Q1 Q1 Hu * mc
5.2.-Rendimiento indicado. Es la relación entre el trabajo del ciclo indicado y el trabajo del ciclo ideal.
ηi =
Wi W ideal
5.3.-Rendimiento mecánico. Es la relación entre el trabajo útil o efectivo medido en el eje de salida del motor y el trabajo indicado.
ηm =
We Wi
5.4.-Rendimiento total o rendimiento efectivo. Es la relación entre el trabajo efectivo medido en el eje de salida del motor, y el calor producico por el combustible consumido.
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ηe = η total = Por lo tanto:
ηtotal =
We Q1
W ideal Wi W * * e = ηt * η i * η m Q1 Wideal W i
6.-Curvas caracteristicas. Las curvas caracteristicas son aquellas que para una determinada carga(fuerzas y momentos que se oponen al momento realizado por el motor en el eje) y en función del número de revoluciones del motor(velocidad), nos da una serie de parámetros caracteristicos, como son: a) Par motor b) Potencia efectiva c) Consumo específico del combustible d) Presión media efectiva e) Rendimiento volumétrico Existen dos grandes familias de curvas: -A plena carga -A cargas parciales 6.1.-Curvas a plena carga. Las curvas características más representativas son, las del par motor, potencia efectiva y consumo específico de combustible a plena carga. En este caso, en el banco de pruebas se abre totalmente la válvula de mariposa, o se coloca al máximo la inyección de combustible, y se ajusta la carga para la velocidad mínima, a dicha velocidad se toman los datos necesarios, se ajusta de nuevo la carga en el freno para una nueva velocidad y se repite el proceso hasta obtener las correspondientes curvas. -Curva de consumo específico. sabemos que el rendimiento efectivo vale:
ηe =
We We = Q1 mc * Hu
Para obtener 1 unidad de trabajo We=1 el consumo, denominado específico vale:
mc =
1 1 = Hu * η e Hu * η t * η i * η m
Por tanto el consumo específico depende de como varía el ηi,ηm,y el ηt.
Cm =
2* C* n 60
El rendimiento indicado aumenta al aumentar la velocidad media del émbolo, debido a que se reduce las pérdidas de calor y mejora la combustión por el aumento de la turbulencia, y aumenta más rapidamente que la disminución del rendimiento mecánico en un principio, por lo que el consumo específico disminuye hasta llegar a un mínimo, al aumentar más la velocidad la pérdida de ηm se acentúa debido al fuerte aumento de las pérdidas mecánicas cuando las velocidades del pistón son elevadas(Son proporcionales al cuadrado de la velocidad del émbolo). -Curva de potencia efectiva. Al aumentar el número de revoluciones, aumenta la potencia efectiva hasta un máximo, en donde un aumento posterior del número de revoluciones ve disminuir la potencia, ya que debido a la rapidez del ciclo no entra el suficiente combustible por ciclo, y netamente decrece la potencia.(ηvolumetrico muy bajo;ηm muy bajo).
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-La curva de momento en el eje. En un principio aumenta, ya que el ηi aumenta también, más rapidamente que las pérdidas mecánicas; pero rapidamente estas incrementan con la velocidad, por lo que se llega a un máximo, y rapidamente disminuye. 6.2.-Curvas a carga parcial. Este tipo de curvas se toman para completar la información de funcionamiento del motor. En general para distintas posiciones de abertura de mariposa ó de carrera de bomba de inyección se toman los parámetros medidos en la prueba anterior, construyendose una serie de gráficas. 7.-Balance térmico. Como hemos visto sólo una pequeña parte de la energía térmica del combustible quemado se transforma en energía mecánica;el resto de la energía se reparte y dispersa en caminos diferentes: -El agua de refrigeración (20 a 25%). -Los gases de escape (35%) -Por radiación (20%) __________ Total perdidas 75 % Resistencias pasivas se disipa mediante el aceite lubricante y la refrigeración y radiación.
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