POTENCIA-RENDIMIENTOS-BALANCE TERMICO
La potencia desarrollada en el interior del cilindro (potencia indicada) no se transmite
íntegramente 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 + Wroz
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.
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:
Wi = (∏*D^2)/4 *C* pmi
En donde :
D ->Diámetro del cilindro.
C->Carrera.
Como sabemos
(∏*D^2)/4 *C = V
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,
Wi = Z *V * pmi * n/60 * 1/2 = Z * (∏*D^2)/4 *C * pmi * n/60 * 1/2
Para un motor de dos tiempos
Wi = Z *V * pmi − n/60 = Z * (∏*D^2)/4 *C * pmi * n/60
Potencia efectiva o potencia al freno. Presión media efectiva.
La potencia efectiva, es la potencia disponible 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:
-Hidráulicos
-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 = We/[(∏*D^2)/4 * C]
Por tanto:
We = (∏*D^2)/4 *C * pme
We = Z *V * n/60 * pme* 1/2 (4tiempos)
We = Z *V * n/60 pme (2tiempos)
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 6.5 a 8 7.5 a 8.5
Motores a gasolina
super 8.5 a 10.5 8.5 a 11
motor
normal 6 a 10.5 8 a 10
Motores Kerosene
mot. Sobreali. 6 a 7.5 10 a 18
Motores a gas 6 a 7.5 10 a 18
Motores 4 T Diesel:
-Inyección directa 14 a 19 6 a 10
-Inyecc.Directa sobr. 14 a 19 9 a 12
-Cámara turbulencia 15 a 22 6 a 9
-Idem.Sobrec. 15 a 22 9 a 12
-Precámara 15 a 22 6 a 12
Motores 2T Diesel:
-Inyección directa 16 a 22 6.5 a 8.5
-Precámara 20 a 22 5.5 a 7
Potencia absorbida por las resistencias pasivas.
Esta es la potencia perdida, es la diferencia entre la potencia indicada y la efectiva.
Wp = Wi − We
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.
Rendimientos.
Rendimiento termodinámico.
Es la relación entre el trabajo del ciclo ideal y el calor aportado al mismo ciclo:
ηt = Wideal/Q1 = Wnetoideal/Q1 = Wnetoideal/(Hu *mc)
Rendimiento indicado.
Es la relación entre el trabajo del ciclo indicado y el trabajo del ciclo ideal.
ηi = Wi/Wideal
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
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.
ηe = ηtotal = We/Q1
Por lo tanto:
ηtotal = Wideal/Q1 * Wi/Wideal * We/Wi = ηt * ηi*ηm
Curvas características.
Las curvas características 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 característicos, 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
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/Q1 = We/(mc * Hu)
Para obtener 1 unidad de trabajo We=1 el consumo, denominado específico vale:
mc = 1/(Hu *ηe) = 1/(Hu *ηt * ηi *ηm)
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.(ηvolumétrico muy bajo;ηm muy bajo).
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 rápidamente disminuye.
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.
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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