Problemas Resueltos Motores de Combustion Interna
-
Upload
nadiel-rch -
Category
Documents
-
view
4.096 -
download
8
description
Transcript of Problemas Resueltos Motores de Combustion Interna
UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA
INGENIERIA MECANICA - ELECTROMECANICA
Datos:
i 4 KW 1000W P1 1bar
VH 3LT1 293K
rk 7k 1.4
Na 150KW
n 5000rpm
TH 30%
v 80%
m 80%
a) El porcentaje de volumen de la cámara de combustión [%]
rk1 c
c
c1
rk 1 c 16.667%
b) La presión y la temperatura al final de la compresión
P2 P1 rkk P2 1.525 10
6 Pa
T2 T1 rkk 1 T2 638.127K
c) El rendimiento al freno si k=1.4
m
THb
TH
THb m TH THb 24 %
d) El volumen de aire utilizado
VhVH
4 Vh 750cm
3
VcVh
rk 1 Vc 125 cm
3
V1 Vc Vh V1 875 cm3
e) El torque al freno
Na
2 n
Na 2 n
Na
2 n 45.595N m
f) Presión media al freno
t 4
Pme Nat
Vh n i Pme 3.82 10
5 Pa
g) La potencia indicadam
Na
NiNi
Na
m
Ni 187.5kW
UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA
INGENIERIA MECANICA - ELECTROMECANICA
Datos:
maire 0.65kg
s P1 0.95bar T1 50 273( )K T2 900K
THb 65% k 1.4 KJ 1000J r 0.9kg
L
Raire 287J
kg K
a) La relación de compresión y porcentaje de cámara de combustión
rkT2
T1
1
k 1 rk 12.96
c1
rk 1 c 8.361%
b) El grado de admisión de combustible
Asumimos el grado de cierre de admisión de Cierre 6%de esta manera tenemos que la fracción de cierre de admisiónPero V3 rc V2
y V1 rk V2Cierre
V3 V2
V1 V2Cierre
V2 rc 1 V2 rk 1 Simplificando despejamos el valor de la relación de cierrerc Cierre rk 1 1 rc 1.718c) La relación de expansión y el rendimiento térmico
re
rk
rc
re 7.545
TH 11
rkk 1
rck
1
k rc 1
TH 59.543%
d) Potencia efectiva al freno, consumo de combustible en l/hr
Si tenemos PCI 10500kcal
kg
mc mce Nby THb
Nb
mc PCI
THb1
mce PCImce1
THb PCImce 0.126
kg
kW hr
si asumimos una relación de compresión deRAC 16mc maire RAC mc 10.4kg
s
con el dato de la densidad se tienemcc
mc
rmcc 4.16 10
4L
hrmcc 0.012m
3
s
la potencia al freno seráNb
mc
mce
Nb 2.972 105 kWTenemos que la masa que se introduce a la mezcla es de mt mc maire mt 11.05
kg
s
El volumen total seráV1
mt Raire T1
P1V1 10.783
m3
s
la Cilindrada seráVH V1 1
1
rk
VH 9.951m
3
s
UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA
INGENIERIA MECANICA - ELECTROMECANICA
La presion media efectiva sera
pem
Nb
VH pem 2.987 10
4 kPa pem 298.655bar
El calor añadido sera cp 1.0062KJ
kg K
T3 T1 rkk 1 rc T3 1.546 10
3 K
QA maire cp T3 T2( ) QA 4.224 105 W
UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA
INGENIERIA MECANICA - ELECTROMECANICA
Datos: NISSAN PATROL MOD. 96
maire 0.534kg k 1.4
P1 1bar R 287.08J
kg K
T1 20 273( )K
rk 16
rp 1.6
rv 1.7
V1maire R T1
P1 V1 0.449 m
3
a) Las temperaturas, presiones y volúmenes en cada punto del ciclo
Proceso de 1-2:
T2 T1 rkk 1 T2 888.21K
P2 P1 rkk P2 48.503bar
V2V1
rk V2 0.028 m
3
Proceso de 2-3:
P3 P2 P3 48.503bar
rvV3
V2
V3 rv V2 V3 0.048 m3
T3 T2V3
V2
T3 1.51 10
3 K
UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA
INGENIERIA MECANICA - ELECTROMECANICA
Proceso 3-4:
V4 V1 V4 0.449 m3
T4 T3V3
V4
k 1 T4 615.88K
P4 P3V3
V4
k
P4 2.102 bar
b) El porcentaje de espacio muerto en la cámara de combustión
c1
rk 1 c 6.667%
c) El rendimiento térmico y la presión media efectiva
rcT3
T2
TH 11
rkk 1
rck
1
k rc 1
TH 62.906%
La presión media efectiva será KJ 1000J
cp 1.0062KJ
kg K cv 0.7186
KJ
kg K
QA maire cp T3 T2( ) QA 3.341 105 J
QR maire cv T4 T1( ) QR 1.239 105 J
WN QA QR WN 2.102 105 J
PmeWN
V1 V2 Pme 4.991bar
UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA
INGENIERIA MECANICA - ELECTROMECANICA
Datos:
t 1.45min
i 8 KJ 1000J KW 1000W
Diametro 7.789cm
Carrera 7.789cm
mc 0.454kg
qi 43734KJ
kg
273.3N m
m 78%
nmotor 3520rpm
a) La eficiencia al freno, la eficiencia indicada
n 2437rpm
P n P 69.747KW
si PWb
t
Wb P t Wb 6.068 103 KJ
QA mc qi QA 1.986 107 J
El rendimiento al freno será:
b
Wb
QA b 30.561%
El rendimiento indicado es:
i
Wi
QA
m
Wb
Wi
Wi
Wb
m Wi 7.779 10
6 J
i
Wi
QA i 39.181%
b) El rendimiento al freno, el rendimiento indicado para una eficiencia del ciclo ideal de 53.3 %
t 53.3%THb
b
t
THb 57.338%THi
i
t
THi 73.51%
UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA
INGENIERIA MECANICA - ELECTROMECANICA
Datos:
VH 3.44L 4T KW 1000W KJ 1000J
i 6k 1.4
Do 8.306cm
Lo 10.592cm R 287J
kg K
rk 8
Na 156.7KW cv 0.7186KJ
kg K
n 500rpm
240N m
T1 20 273( )K
P1 1bar
Calcule:a) El porcentaje de espacio rk
1 cc
c1
rk 1
c 14.286%b) La presión y temperatura al final de la compresiónP2 P1 rkk P2 1.838 10
6 PaT2 T1 rkk 1 T2 673.137Kc) El rendimiento al freno
b
THb
TH
TH 11
rkk 1
TH 56.472%
UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA
INGENIERIA MECANICA - ELECTROMECANICA
QA maire cp T3 T2( )
VhVH
i Vh 573.333cm
3
VcVh
rk 1 Vc 81.905cm
3
V1 Vc Vh V1 655.238cm3
maire
P1 V1
R T1 maire 7.792 10
4 kg
mh
P1 Vh
R T1 mh 6.818 10
4 kg
Asumimos un Rac de 15 tenemos: Rac 15
mc
mh
Rac mc 4.545 10
5 kg
HU 44 106
J
kg
QA mc HU QA 2 103 J
Wn TH QA Wn 1.129 103 J
THbWn
QA THb 56.472%
b
THb
TH
b 1d) La masa de aire aspirada
UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA
INGENIERIA MECANICA - ELECTROMECANICA
Datos:
i 6 P1 1bar
d 8cm T1 20 273( )K
l 10cm t 27%
rk 8 v 79%
P 170kW R 287J
kg K
n 4500rpm
cierre 7%
a) La cilindrada unitaria y total
Vh4
d2 l Vh 502.655cm
3
VH Vh i VH 3.016 103 cm
3
b) El rendimiento efectivo
m 85% i 90%
e m i e 76.5%
c) La masa de aire que entra al motor
P1 V1 maire R T1V1 Vh V2c
1
rk 1
c 14.286%V2 c Vh V2 71.808cm3V1 Vh V2 V1 574.463cm3
UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA
INGENIERIA MECANICA - ELECTROMECANICA
maireP1 V1R T1
maire 6.831 104 kg
d) La potencia perdida en el rozamiento si el rendimiento mecánico es el 70%
N 170kW m 70%
Ne
Nm i
Ne N m i Ne 107.1kW
Np N Ne Np 62.9 kW
e) La presión media al freno
4
Pme Ne
Vh n i Pme 3.014bar
KJ 1000Jf) La relación aire combustible
Qa rca qi cp 1.0062KJ
kg K k 1.4
qi 42 106
J
kg
T2 T1 rkk 1 T2 673.137K
Qa maire cp T2 T1( ) Qa 261.299J
rca
Qa
qi
rca 6.221 106 kg
rac1
rca10
4
kg
rac 16.074
Nb mc thb PCI
mc
Ne
e qi mc 3.333 10
3kg
s
1.- Un motor tiene 4 cilindros y una cilindrada de 1600 cc y funciona a 4500 rpm, en el cilindro Se ve que hay una relación diámetro carrera de 1.2 presentando un volumen de cámara de Combustión de 64 cc y una longitud de biela de 180 mm, el diámetro de la válvula es de 50 mm, su levantamiento 12 mm y el ángulo de inclinación de 45º. El poder calorífico que uti- liza el combustible es 33200 KJ/lit. y su densidad 0.75 kg/lit., el exceso o defecto de aire es 1.18 con un RAC de 15 [kga/kgc]. ¿Calcule la potencia del motor asi mismo el consumo de combustible?.
Datos:z 4 KJ 1000JVH 1600cm
3n 4500rpm
Dc
Sc1.12
Vc 64cm3Lb 180mmdv 50mmh 12mm 45deg
Hu 33200KJ
lc 0.75
kg
lo 1Rac 15a) Calcule la potencia del motor
NeHu VH n v e o
30 o Rac c Para motores Ottoe 0.25 0.35Asumimos e 0.30Sabemos que la presión y temperatura a nivel del mar es:Po 1.013barTo 20 273( )K
UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA
INGENIERIA MECANICA - ELECTROMECANICA
Ra 287J
kg K
Calculamos la densidad del aire:
o
Po
To Ra o 1.205
kg
m3
Calculo del rendimiento volumétrico:
v
To
To T1
rk 1
rk Pa Pr
Po
Pa Po 2 Va2
2 o
Por tanto hallamos los datos que nos falta
Cilindrada unitaria:
VhVH
z Vh 400cm
3
Relación de compresión:
rkVh Vc
Vc rk 7.25
Diámetro y carrera del cilindro:Dc 1.12 ScVh
4
Dc2 Sc
4
1.12S( )2 Sc
4
1.122 Sc
3Sc
3 Vh 4
1.122
Sc
34 Vh
1.122
Sc 74.048mmDc 1.12Sc Dc 82.933mmÁrea del pistón:
Ap4
Dc2
Ap 54.019cm2
UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA
INGENIERIA MECANICA - ELECTROMECANICA
Área de la Válvula:
Av dv cos ( ) h Av 13.329cm2
Velocidad máxima del pistón:
Vmáx Rc 1 2
El radio del cigüeñal es:
Rc
Sc
2 Rc 0.037m
Rc
Lb 0.206
n 471.239rad
s
Vmáx Rc 1 2 Vmáx 17.812m
s
La velocidad de admisión será:
Va VmáxAp
Av Va 72.191
m
s
La velocidad de admisión debe estar entre ( 50 - 130) m/s
para : 2 2.5 4 asumimos 3.25
reemplazando tenemos:
Pa Po 3.25Va( )
2
2 o Pa 0.911 barPr 1.1 1.25( ) PoPr 1.175Po Pr 1.19 barAsumimos: T 0 20( )K para motores OttoT 10K
UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA
INGENIERIA MECANICA - ELECTROMECANICA
Calculamos el rendimiento volumétrico:
v
To
To T1
rk 1
rk Pa Pr
Po v 0.827
Finalmente calculamos la potencia del motor:
NeHu VH n v e o
o Rac c 4 Ne 166.245kW
b) Calculo del consumo de combustible
mcNe
e Hu mc 60.089
l
hr
4. Un motor usado tiene 4 cilindros y una cilindrada de 2000cc y funciona a 5500rpm, en el cilin- dro se ve que hay una relación diámetro carrera de 1.2 presentando un volumen de cámara de combustión de 75cc y una longitud de biela de 200mm, utiliza gasolina como combustible y se quiere que trabaje con un exceso de aire del 15%. ¿Calcule el consumo de combustible?.
Datos:
z 4 KJ 1000J
VH 2000cm3
n 5500rpm
Dc
Sc1.2
Vc 75cm3
Lb 200mm
Hu 33200KJ
l
Con exceso de aire del 15%
o 1 15%
o 1.15
UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA
INGENIERIA MECANICA - ELECTROMECANICA
a) Calcular el consumo de combustible
mcNe
e Hu............(1)
NeHu VH n e v o
o Rac c ...........(2)
Asumiendo valores tenemos:
c 0.75kg
l
Rac 15
Tr 950K
UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA
INGENIERIA MECANICA - ELECTROMECANICA
deAire 1
1 .- deComb 1
Datos
0 1.15Vht 6000cm3 0.28
PCI 33200kJ
L RAC 15
kg deAirekg deComb
bar 105Pa
z 6rk 10 comb 0.75
kg
L
dv 48mmrd_s 1.14
38deg hlev 14mm
a ) Calcular los parámetros técnicos del motor en cada punto
Vh D
2s
4pero D=1.14s
Vh
Vht
z Vh 1 10
3 cm3 rpm
30
s1
sc
3Vh 4
rd_s2
sc 9.932cm
entonces el diámetro será
D rd_s sc D 11.322cm
Calculamos el rendimiento volumétrico
Datos a nivel del mar
Po 1.013bar o 1.2kg
m3
B ( )2
B 2.5..4 Asumimos B 3.25Calculamos el valor de la velocidad de admisión
Va Vmaxp
Ap
Av
Donde :
Ap4
D2 Ap 100.685cm
2
Av cos ( ) hlev dv Av 16.636cm2
La velocidad máxima será dada de acuerdo a la expresión
Vmaxp R 1 2
tenemos que la velocidad angular es la velocidad del motor
n 4000rpm
n 418.8791
s
el radio del cigüeñal esta dado por
Rsc
2 R 49.66mm
la velocidad máxima del pistón será
Vmaxp R 1 2 Vmaxp 21.601m
s
Va Vmaxp
Ap
Av Va 130.737
m
s
Pa Po BVa
2
2 o Pa 0.68bar
Pr 1.175Po Pr 1.19bar
los datos a nivel del mar y para motor otto son
To 20 273.15( )K T 10K
el rendimiento volumétrico será
v
To
To T1
rk 1
rk Pa Po
Po v 61.35%
se tiene un rendimiento efectivo de
e 25% 2para 4T
n 4000min1
Ne
PCI Vht n v e o
0 RAC comb Ne 94.461kWkN 1000N
El momento torsor sera
MtNe
n Mt 1.417kN m
Densidad y temperatura de los gases residuales
r
To
To T1
rk 1
r 0.107
para motores Otto
La temperatura de admisión será
Ta To T r Tr Ta 405.224K
Rt 287J
kg K
a
Pa
Ta Rt a 0.584
kg
m3
PROCESO DE COMPRESION
Pc
Park
1
donde 1 1.335para OttoPc Pa rk
1 Pc 14.7barTc Ta rk
1 1 Tc 876.385K
c
Pc
Tc Rt c 5.844
kg
m3
PROCESO DE COMBUSTION
Tc1 Tc
PCI v comb
0 RAC cv comb
rk 1
rk
el rendimiento de combustible comb 70%y el calor a volumen constantecv 0.717
kJ
kg KTc1 Tc
PCI v comb
0 RAC cv comb
rk 1
rk
Tc1 2259.7KPc1 Pc
Tc1
Tc
Pc1 37.903barPROCESO DE EXPANSION 2 1.265 para Otto
UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA
INGENIERIA MECANICA - ELECTROMECANICA
Pe Pc11
rk
2 Pe 2.059bar
Te
Tc1
rk2 1
Te 1227.583K
Consumo especifico de combustible
mc
Ne
PCI e mc 40.971
L
hr
2 .-Datos
z 12 Vht 14000cm3 Vcc 80cm
3 n 3000min1
PCI 44000kJ
L o 0.9 RAC 15
kg deAirekg deComb
v 89%
Calculamos la Potenciapara motores Diesel e 35%comb 750
kg
m3
Ne
PCI Vht n v e o
o RAC comb
Ne 568.545kWEl consumo de combustible sera de mc
Ne
PCI e mc 132.907
L
hr
El torque sera de la sioguiente maneran 3000rpmMt
Ne
n
Mt 1.81kN m
UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA
INGENIERIA MECANICA - ELECTROMECANICA
3 .-
para el gas natural se tiene
Por lo tanto procedemos a calcular el poder calorifico .Si el GLP tiene una composicion de
pentano 1N 0 propano 37
etano 2CO2 0 butano 60
0.37C3 H8 0.60C4 H10 0.02C2 H6 0.01C5 H12 a O2 3.76N2
b C O2 c H2 O a 3.76 N2
Balance
C b 0.373 0.6 4 0.022 0.015( ) b 3.6
H c
0.378 0.6010 0.026 0.01122
c 4.6
O a2 b c
2 a 5.9
Calculamos la relación aire combustible
mGLP 0.37 3 12 8( ) 0.60 4 12 10( ) 0.02 12 2 6( ) 0.01 5 12 12( )[ ]kg deComb
mol
mGLP 52.4kg
mol
maire a 32 28 3.76( )kg deAire
mol
maire 809.952kg
mol
RACmaire
mGLP RAC 15.457
kg deCombkg deAire
con defecto del 30%
0.37C3 H8 0.60C4 H10 0.02C2 H6 0.01C5 H12 0.7 5.9 O2 3.76N2
x C O2 y C O 4.6H2 O 4.1023.76 N2
mGLP 52.4kg
mol
maire 0.7a 32 28 3.76( )kg deAire
mol
maire 566.966kg
mol
RACmaire
mGLP RAC 10.82
kg deAirekg deComb
Calculo de los valores de a y b
x y 0.373 0.6 4 0.022 0.01( )C x y 3.56
O 2x y 0.7 5.86 2 4.6
2x y 3.604Resolviendo el sistema de ecuaciones se tienex 0.044y 3.516 deCO 1de modo que tenemos la contaminación de CO de la siguiente formadeGLP 1
mCO y 12 16( )kg
molcontaminacion
mCO comb
mGLP contaminacion 1.409
kg deCOL deGLP
CON GAS NATURAL SE TIENEmetano 91.80 Nitrogeno 1.42 propano 0.97pentano 0.1etano 5.58 CO2 0.08 butano 0.050.918C H4 0.0097C3 H8 0.0005C4 H10 0.0558C2 H6 0.001C5 H12 0.0142N2 0.0008C O2 a O2 3.76N2 b C O2 c H2 O a 3.76 N2
UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA
INGENIERIA MECANICA - ELECTROMECANICA
Balance
C b 0.918 0.00973 0.00054 0.05582 5 0.01 0.0008( ) b 1.111
H c
0.9184 0.00978 0.000510 0.05586 12 0.01 0.00082
c 2.105
O a2 b c
20.0016 a 2.162
Calculamos la relación aire combustible
mGN b 12 2c( )kg deComb
mol
mGN 17.548kg
mol
maire a 32 28 3.76( )kg deAire
mol
maire 296.861kg
mol
RACmaire
mGN RAC 16.917
kg deCombkg deAire
Vaire a 1 3.76( ) m3 Vaire 10.293m
3deAire
Vcomb 1m3
deComb
RACv
Vaire
Vcomb RACv 10.293
m3deAire
m3
deComb
con defecto del 30%
0.9232C H4 0.0097C3 H8 0.0013C4 H10 0.0558C2 H6 0.001C5 H12 0.7a O2 3.76N2
x C O2 y CO c H2 O 0.7a 3.76 N2mGN 17.548
kg
mol
UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA
INGENIERIA MECANICA - ELECTROMECANICA
maire 0.7a 32 28 3.76( )kg deAire
mol
maire 207.803kg
mol
RACmaire
mGN RAC 11.842
kg deAirekg deComb
Vaire 0.7a 1 3.76( ) m3 Vaire 7.205m
3deAire
Vcomb 1m3
deComb
RACv
Vaire
Vcomb RACv 7.205
m3deAire
m3
deComb
Calculo de los valores de a y b
x y 0.9232 0.00973 0.00134 0.05582 5 0.01( )C x y 1.111
O 2x y 0.7 2.179 2 2.105
2x y 2.119
Resolviendo el sistema de ecuaciones se tiene
x 0.1650.7 2.179 2 2.105 0.946
y 1.276de modo que tenemos la contaminación de CO de la siguiente forma 0.946 1.111 0.165
mCO y 12 16( )kg
mol GN 0.65
kg
m3
1.111 x 1.276
contaminacionmCO GN
mGN contaminacion 1.323
kg deCO
m3
deGLP