Motores de Combustión Interna I y II (página 2)

Partes: 1, 2

P1 V1
T1

El coeficiente de relación " f" es la
relación entre el peso de los gases quemados que quedaron
dentro del cilindro del ciclo anterior al peso total de la mezcla
encerrada en el cilindro en el nuevo ciclo.

f= gr=
peso de gases residuales

gm= peso de mezcla fresca

El porcentaje de residuos en la mezcla fresca es:

F1=

Sin mucho error de cálculo puede
considerarse:

f1≈f

El valor " f" se estima con la
ayuda de la figura 4 y se verifica el final del calculo,
después de la determinación del punto 4 del ciclo

PUNTO 2:

La compresión del fluido real, como ya se ha
visto, se realiza mediante un politrópica. El
valor del exponente de la politrópica de compresión "
nc" varía durante la compresión, no obstante al los
fines del cálculo pueden adoptarse los siguientes valores medios:

Motores a nafta de alta velocidad: nc =1.3 al 1.32

(Para motores de alta relación de
compresión de de recomiendan los valores mas
altos)

Motores a gas:

alta velocidad: nc= 1.38

baja velocidad: nc= 1.35

Se determina así:

●P2 = P1 x ●P2=
0.72 x

P2= 13.47

●V2= ●
V2=

V2= 0.1515

●T2= T1 x ●T2=
343°k x

T2= 697.760°k

PUNTO 3:

La energía calorífica de un kg de
mezcla es igual al poder calorífico inf. De
1kg de combustible dividida en el peso de la mezcla aire combustible necesario para
combustionar 1kg de combustible

Q= Q=
energía calorífica de 1kg de mezcla
()

E= Relación estequiometrica

Así tendrá

●Q= = 656
(nafta)

●Q= =
650 (alcohol etílico)

●Q= = 615 (gas natural)

Deba tenerse en cuenta que así la mezcla que
evolucione es rica, por ejemplo para el caso de naftas E = 11:1,
el valor de E a considerar en la formula debe ser E = 15:1,
eso es por que el exceso de combustible no podrá quemarse
por falta de aire y solo podrá quemarse aquel combustible
que corresponda que corresponda a la relación
estequiometrica. Sin embargo cuando la mezcla es pobre, por
ejemplo para el caso de naftas 17:1, la energía disponible
será menor que la que corresponde a la relación
estequiometrica , en consecuencia en el cálculo debe
intervenir la relación real E, esto es muy importante en los
motores diesel puesto que trabajan con exceso de aire. Para
el cálculo de los motores otto se toma la
relación estequiometrica .

Como gm es el peso de la mezcla fresca que
ingreso en el cilindro, la energía disponible es:

Eq = gm x Q

Llamando ηc al rendimiento de la
combustión, que esta
asociado con el complemento de la combustión y con las
perdidas de calor, la energía entregada por la mezcla
durante la combustión es:

Eq x ηc =
ηc x gm x Q

Esta energía aparece como energía interna del
gas, luego que la temperatura a sido
incrementada en ΔT, entonces puede escribirse la igualdad:

U = ηc x gm x Q =
Cvm x ΔT (gm + gr)

Cvm es el calor específico medio a
volumen constante de los
productos de combustión,
el salto térmico se calcula entonces como:

ΔT = (en
°c)

ΔT =

●Q= 656 Cal/kg °c
●ηc= 0.40
●Cvm= 0.30 Cal/kg °c   ● f=
0.03

ΔT =

ΔT = 1910.68 °k

Para el ηc se recomiendan valores
comprendidos entre 0.88 a 0.94 y paraCvm valores
entre 0.27 a 0.32 Cal/kg °C

Se determina así la temperatura del punto
3:

T3 = T2 + ΔT

●T2=
697.760°k ● ΔT=
1910.68 °C

T3= 697.760°k + 1910.68 °k

T3=2608.44 °k

Una vez obtenido el valor de T3 y
conociendo que V2 =
V3 , se determina P3 :

P3 x V3 = R3 x
T3

P2 x V2 = R2 x T2

Como el valor de la constante de los gases reales (R),
prácticamente no varía antes y después de la
combustión:

R = R2 = R3

P3=

P3=
50.35

Se han así obtenido los 3 parámetros
característicos del punto 3:

●
P3
●
T3
●V3

PUNTO 4:

Al igual que en la compresión, la expansión de
un fluido real se realiza mediante una politrópica. El valor
del exponente de la politrópica de expansión es "
ne" varia durante la expansión, no obstante a los
fines de cálculo pueden obtenerse los siguientes valores
medios:

Motores a gas: ne
= 1.34

Motores a nafta : ne = 1.23 a 1.32

(Para motores de alta velocidad y relación de
compresión, se recomiendan los valores mas alejados)

Los valores característicos del punto 4 son:

●P4 = ●P4=

P4=3.285

●V4 = V1

●T4 = ●T4=

T4= 1565.70°k

El coeficiente de
dilución adoptado el punto 3, se verifica haciendo
expansionar la politrópica de expansión hasta la
politrópica de escape si no se conoce puede estimarse
Pe = 1.2 kg/cm2

Para motores de aspiración natural, se determina
así:

Si el valor obtenido para " f" se diferencia en menos
de un 5 porciento del adoptado, el cálculo se considera
aceptable, de lo contrario deberá recalcularse desde el
punto 3.

Trazado del diagrama P-V y correcciones al
mismo

Como existe una relación constante entre el
volumen de cilindrada y la carrera del pistón, que es la
superficie del cilindro, es conveniente que el eje de las
abscisas, se coloquen ambas escalas. La conveniencia radica en
que la carrera del pistón, en un instante determinado, esta
relacionado con el ángulo de giro del cigüeñal en
dicho instante. Esto permite calcular fácilmente, la
politrópicas de compresión y expansión, así
como también el trazado del diagrama desarrollado, que es
normal realizarlo en función del ángulo de
giro del cigüeñal, puesto que la relación que liga
el carrera con el ángulo es:

X = carrera del pistón

α = ángulo de giro del cigüeñal

R = radio de la manivela

L = longitud de biela

X= R (1-cos α) + sen
2 α

Conocida la cilindrada unitaria y la relación de
compresión, se determina el volumen muerto comprendido entre
la tapa del pistón y las paredes internas de la cámara
de combustión:

Ρ= Vm=volumen
muerto V= cilindrada

Vm =

Vm = cilindrada
real del IAVA 1300 = 1290cm3

Vm=
157.31cm3

La carrera equivalente de volumen muerto es:

Carrera total del pistón

Cilindrada unitaria (cilindrada total/n° de pitones)
= 322.5cm2

Carrera equivalente

Volumen muerto

Carrera equivalente=

Ce=

Ce=6.7667mm

Con el mismo criterio se trazan las politrópica de
compresión y expansión teniendo como ordenadas las
presiones y como abscisas las carreras, dado que:

Px = P1 x =
P x ()
o bien:

Compresión: Px =
P1 x

Px = 0.72 x

Carrera en mm (X)	Presión en (Px)
55.5	P1= 0.72
54.5	0.73
53.5	0.75
52.5	0.77
51.5	0.78
50.5	0.80
49.5	0.82
48.5	0.84
47.5	0.86
46.5	0.88
45.5	0.90
44.5	0.93
43.5	0.95
42.5	0.97
41.5	1.00
40.5	1.03
39.5	1.06
38.5	1.09
37.5	1.12
36.5	1.16
35.5	1.20
34.5	1.23
33.5	1.27
32.5	1.32
31.5	1.36
30.5	1.43
29.5	1.46
28.5	1.32
27.5	1.58
26.5	1.64
25.5	1.71
24.5	1.78
23.5	1.86
22.5	1.94
21.5	2.04
20.5	3.14
19.5	2.24
18.5	2.36
17.5	2.49
16.5	2.64
15.5	2.79
14.5	2.97
13.5	3.16
12.5	3.38
11.5	3,63
10.5	3.91
9.5	4.23
8.5	4.60
7.5	5.03
6.5	5.54
5.5	6.64
4.5	6.87
3.5	7.75
2.5	8.89
1.5	10.34
0.5	12.26
0	P2=13.47

Expansión

Px = P4 x

Px = 3.285 x

Carrrera en mm (X)	Presión en (Px)
55.5	P4= 3.285
54.5	3.34
53.5	3.41
52.5	3.48
51.5	3.56
50.5	3.60
49.5	3.71
48.5	3.80
47.5	3.88
46.5	3.97
45.5	4.07
44.5	4.16
43.5	4.27
42.5	4.37
41.5	4.49
40.5	4.60
39.5	4.73
38.5	4.86
37.5	4.99
36.5	5.13
35.5	5.28
34.5	5.44
33.5	5.61
32.5	5.78
31.5	5.97
30.5	6.17
29.5	6.38
28.5	6.60
27.5	6.84
26.5	7.09
25.5	7.37
24.5	7.66
23.5	7.97
22.5	8.31
21.5	8.67
20.5	9.06
19.5	9.49
18.5	9.95
17.5	10.46
16.5	11.02
15.5	11.63
14.5	12.80
13.5	13.06
12.5	13.90
11.5	14.84
10.5	15.91
9.5	17.11
8.5	18.50
7.5	20.11
6.5	22.00
5.5	24.22
4.5	26.89
3.5	30.15
2.5	34.20
1.5	39.36
05	46.13
0	P3=50.36

●Una vez trazado el diagrama se realizan las
siguientes correcciones:

Presión Máxima:

Pmáx = 0.75kg/cm2 x
P3

Pmáx
=36.76kg/cm2

●Presión en el instante de
encendido:

para ello es necesario saber la duración en grados
de giro del cigüeñal de la combustión puesto que
la combustión real no es instantánea:

αcomb=

n = revoluciones por minuto

Lc = Distancia de la bujía al punto mas
alejado de la cámara de combustión = 0.064m

V11 = velocidad de la llama m/seg

El régimen de revoluciones a utilizar en esta
formula para el trazado del diagrama a potencia máxima en motores
rápidos, es de orden de 70á€° al
80á€° del régimen que se corresponderá
a dicha potencia máxima.

La velocidad de la llama varia entre otros factores con
la presión de admisión, temperatura de entrada de la
mezcla al cilindro, relación de la mezcla, avance de
encendido, régimen de revoluciones en general se toma:

●Motores de baja velocidad:
V11 = 15 a 20 m/seg

●Motores de media
velocidad: V11 =20 a 30 m/seg

●Motores de alta
velocidad: V11 =30 a 20
m/seg

0.80 x 6000rpm = 4.800 rpm

αcomb =

αcomb
= 44° 6°

El avance de encendido es:

αE = 0.75 x αcomb

αE =33° 4°
30°

La carrera del en el instante de encendido es:

R = mitad de la carrera (manivela)

L = biela

XE = R (1 – cos αE ) + x

XE =27.75mm (1- cos 17°19°30°) +
x
17°19°30°

XE =5.558mm

La relación de compresión en el instante de
encendido es:

ρE =

ρE = 11.36
kg/cm2

La presión en el instante
de encendido es:

PE = P1 x

PE = 0.72kg/cm2
x

PE
=10.22kg/cm2

La presión cuando el pistón alcanza el
PMS:

PPMS =

PPMS =
23.99kg/cm2

Ángulo en el cual se obtiene la presión
máxima:

αPmáx = 0.25 x
αcomb = 0.33 αE

αPmáx = 11°
1° 30°

Presión en el PMI:

PPMI = 0.45 x P4

PPMI = 0.45 x
3.285kg/cm2

PPMI =
1.47825kg/cm2

Apertura de la válvula de escape y reglaje árbol de
levas:

Al abrir la válvula de escape se produce una
brusca pérdida de presión, conociendo el reglaje del
árbol de levas, se determina la carrera equivalente a su
ángulo de apertura. Por otra parte, el cierre de dicha
válvula supuesto el sistema correctamente
sincronizado se produce, según ya se vio, cuando la
presión de escape iguala a la de presión
atmosférica después del PMS en cuanto a la apertura de
la válvula de admisión esta dada por su reglaje y el
cierre cuando la presión de admisión iguala a la
atmosférica. En todos los casos debe hacerse la
transformación de ángulos a carreras equivalentes para
poder representar estos puntos en el diagrama. En caso de no
conocer la presión reinante en el cilindro durante la
carrera de escape puede adaptarse 1.2 a 1.3
kg/cm2. De la misma manera puede trazarse el
llamado rulo de bombeo como se muestra en la fig. 3.

● Redondiamiento del ciclo

Determinar los puntos característicos
(1-2-3-4) y las correcciones del diagrama indicadas, se procede a
realizar el redondiamiento del ciclo para ello es conveniente
observar el diagrama indicado en un osciloscopio o mediante otro
tipo de indicadores, de algún
motor similar a fin de
familiarizarse con el tipo de redondiamiento a realizar. El
diagrama final obtenido se muestra en la figura 3 donde se a
exagerado el rulo de bombeo a fin de poder mostrar el reglaje del
árbol de levas.

Transformación de los ángulos a carrera
equivalente:

X = R (1 – cos αE ) + x