Curvas ca..

CURVAS CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES

Rubén García Navas 49061

José Gonzalo Lorenzo Silvestre 48511

Jonatan Mar@n Blázquez 48482

Óscar Ruiz Gómez 49050

Miguel Ángel Sánchez Rouco 48688

Pedro Zambrana García 48650

ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DEPARTAMENTO DE MECÁNICA INDUSTRIAL

Curvas características Indice

1.  Introducción

2.  Variables que afectan a los parámetros de salida del motor

3.  Curvas caracterís]cas a plena carga

4.  Curvas caracterís]cas a carga parcial

5.  Curvas caracterís]cas de otros parámetros

6.  Variación de la potencia con la altura en aplicaciones aeronáu]cas

7.  Bibliogra_a

8.  Caso prác]co

Curvas características

Definición: Diagramas que representan uno o varios parámetros de interés en función de las condiciones opera]vas del motor.

Parámetros de interés:

Potencia. Par. Pme (presión media efec]va). Consumo o rendimiento. Emisiones. Dosado. Caudales y temperaturas. Tasa de EGR. …

“en general cualquier otro parámetro que pueda ser de interés en una determinada aplicación”

1. Introducción

Curvas características Obje]vo:

-‐ Mostrar el intervalo de uso de sus variables de operación, sustancialmente carga y régimen de giro.

-‐ Describir la variación de los parámetros de los MCIA en función de las condiciones de operación.

-‐ Evaluar la idoneidad de un motor para una determinada aplicación.

-‐ La comparación de diferentes motores entre sí.

Curvas características Tipos de curvas: Curvas caracterís4cas de velocidad. Presentan los parámetros del motor en función del régimen de giro y para un grado de carga constante.

Curvas caracterís4cas de carga. Presentan los parámetros del motor en función de la carga para un régimen de giro determinado.

Curvas características Curvas caracterís4cas mul4paramétricas. Presentan la variación de los parámetros de salida del

motor en función de más de una variable de operación.

Curvas caracterís4cas de regulación (calibración). Su estructura y naturaleza es muy dependiente de la aplicación así como del parámetro de regulación empleado.

Curvas características Disposición de las curvas:

Automoción (general):

-‐ 2 grados de libertad “gdl” (posición del acelerador y par de frenado) -‐ 2 variables → el régimen de giro ”n” y par.

Generación de electricidad:

-‐ El motor gira “n” fijo, ↓ el “gdc” a 1. Aeronáu]ca:

-‐ Se puede seleccionar un dosado independiente de la posición de la mariposa de admisión, ↑ ”gdc”.

Curvas características Normalización de parámetros

-‐ Par motor y potencia → presión media efec]va y potencia por unidad de

superficie del émbolo.

-‐ El consumo específico → ηe del motor, independiente del combus]ble empleado.

*La cogeneración → parámetro de estudio → calor residual del motor → valor

industrial y económico como fuente de energía*

Curvas características Principales variables de operación de los MCIA:

-‐ El régimen de giro → amplios intervalos de funcionamiento.

-‐ Grado de carga complementa al régimen de giro, definiendo las condiciones de funcionamiento del motor.

-‐ Para comparar motores se normalizan algunas variables de operación. *Velocidad lineal media del pistón en lugar del régimen de giro*

-‐ Empleo de variables secundarias que complementen a otras. *Operación en condiciones atmosféricas no estándar*

Curvas características Diferencia entre grado de carga en MEP Y MEC:

–  MEP :

•  Motor alimentado por mezcla homogénea en carrera de admisión.

•  Carga regulada por mariposa de admisión.

•  ↓ grado de carga →↓ entrada de mezcla en el cilindro.

–  MEC:

•  La inyección se produce al final de la carrera de compresión sin variar la can]dad

de aire aspirado cuando se modifica el grado de carga a régimen constante.

Curvas características 2. Variables que afectan a los parámetros de salida del motor ·∙ Dosado

MEC

-‐ Variable de control del grado de carga. -‐ Influye → potencia efec]va matemá]camente y a través del ηe ( ηi )

-‐ Valor máximo → emisiones (hollín y NOx). -‐ Limitación por carga térmica → dosados mayores. -‐ Sobre el consumo específico → matemá]camente, a través del ηe.

MEP -‐ Su variación es considerablemente menor. -‐ Influye → desarrollo de la combus]ón y sobre el ηe. -‐ Influye → temperaturas tanto del gas de escape, como del agua de refrigeración. -‐ Considerar sus variaciones en función del grado de carga y régimen de giro del motor.

Curvas características ·∙ Presión y temperatura de admisión:

-‐ La Padm → variable de control de la carga en los MEP.

-‐ Regulación → válvula de mariposa y mediante el grado de sobrealimentación.

-‐ Influye → renovación de la carga, alterando la combus]ón.

-‐ En verdad el grado de carga en MEP depende de ρadm (P y T).

-‐ Δt → transmisión de calor, evaporación combus]ble (MEP)

Curvas características ·∙ Régimen de giro: -‐ Variable de operación dependiente del acoplamiento entre la potencia

suministrada por el motor y la oposición al giro que ejerce el elemento accionado por el mismo.

-‐ Si “n” varía → varía la potencia entregada por el MCIA.

-‐Funcionamiento óp]mo → en un “n”determinado, pero en un motor

alterna]vo se presenta un amplio rango de “n” adecuado.

-‐ “n” fijo → por cues]ones de la maquinaria.

-‐ Si “n” varía → afecta renovación de la carga y combus]ón

Curvas características ·∙ Caracterís]cas del combus]ble:

-‐ El índice de octano y de cetano → al proceso de combus]ón. -‐ Combus]bles gaseosos → llenado, pero mejoras en procesos de mezcla con el aire.

-‐ Un MEP no varía por alimentarlo con un combus4ble de ↑ octanaje.

Con ↑ octanaje posible trabajar con una ↑ relación de compresión => presiones medias efec4vas máximas ↑ y consumos específicos mínimos ↓.

El poder calorífico de una gasolina no varía apenas con el índice de octano

Curvas características ·∙ Recirculación de gases de escape:

-‐ Reducir emisiones de NOx afecta renovación de la carga. -‐ Influye ↓ en potencia y consumo específico.

·∙ Avance al encendido: -‐Valor óp]mo → experimentalmente buscando el Parmax “centrado de la combus]ón”o “MBT”.

·∙ Inyección de combus]ble:

-‐Tanto al inicio como en su distribución temporal afectan a la combus]ón de un MEC

Curvas características ·∙ Relación de compresión

-‐Variable de diseño y operación que afecta a ρ de los MCIA

“Permite modificar las curvas del motor, ↓ el consumo específico a “n” ↑ y a carga parcial, donde el riesgo de autoencendido ↓”

-‐ Se puede ↑ la potencia, si el motor esta diseñado para soportar una mayor carga térmica y mecánica.

·∙ Inyección de agua y metanol -‐ La inyección de agua → ↑ refrigeración, ↑ autoencendido → ↑ la potencia 45%

-‐ Mezclas agua y metanol (no congelación) → ↑ la potencia un 85%.


•  Definición: Se ob]enen cuando el motor opera a plena carga:

-‐ Mariposa abierta en MEP

-‐ Plena inyección en MEC

•  Información:

-‐ Ordenadas: Par motor, potencia, consumo específico, rendimiento, emisiones

contaminantes, rendimiento volumétrico …

-‐ Abscisas: Velocidad de giro.

•  Ensayo del motor: mando de control fijo en posición de máxima demanda. Grado de

libertad está en el freno donde se disipa la energía. Regula el régimen de giro o carga, midiéndose el par motor, la potencia efec]va y el consumo específico para cada régimen.

3. Curvas caracterís4cas a plena carga

Curvas características •  Morfología: En automoción, la morfología de las curvas caracterís]cas a plena

carga de un MCIA responde al ejemplo mostrado en la figura (izquierda).

Morfología debida al comportamiento con el régimen de las variables de las que

depende cada parámetro.

Morfología @pica de curvas a plena carga (izda) y variación del rendimiento indicado, mecánico y efec]vo de un MCIA con el régimen (dcha)

Curvas características •  Observaciones:

–  Plena carga en MEP y MEC a dosado constante. Variaciones del par motor con n (rpm) debido a variaciones ɳv, ɳi y ɳm.

•  MEC: Necesidad de reducir el dosado a elevados regímenes de giro debido a las emisiones (al no disponer de ]empo suficiente para completar la combus]ón, especialmente en motores de baja

turbulencia).

•  En MEC: sistema de inyección corta el combus]ble suministrado a par]r del régimen máximo de diseño, produciéndose en estos motores una caída brusca del par a estos regímenes.

-‐ Rendimiento volumétrico determina, en la mayor parte del intervalo de u]lización del motor, la forma de

la curva de par. A ↑ regímenes de giro, la ↓ del ɳv y ɳm → el declive más significa]vo de la curva de par.

Curvas características •  -‐ El máximo de la curva de potencia se presenta a mayor régimen de giro que el de

la de par. El de par está ubicado en el punto de tangencia de la curva de potencia

con una recta trazada desde el origen de coordenadas. El régimen máximo del

motor se suele situar ligeramente a la derecha del de máxima potencia.

-‐ Consumo específico de combus]ble mínimo en un régimen intermedio de velocidad. -‐ En bajas las disminuye el rendimiento (perdidas de calor en la cámara de combus]ón ). -‐ En altas aumentan las pérdidas mecánicas consecuencia de la mayor velocidad del pistón.

Curvas caracterísGcas a plena carga de un MEC turbosobrealimentado (Audi Q7 V12 TDI)

Curvas características -‐ Al comparar motores de diferente cilindrada, es ú]l la u]lización de los parámetros

normalizados: Se sus]tuye:

. El par motor por la presión media efec]va en las curvas caracterís]cas.

. La comparación en términos de potencia se hace sobre la carga térmica

(potencia por unidad de superficie de émbolo).

Curvas de plena carga de diversos motores en función del régimen de giro.


•  -‐ El ɳi suele mantenerse en un valor casi constante para un amplio intervalo de

valores de régimen de giro. El ɳm muestra valores altos a bajo régimen y

decrecientes con el régimen de giro. El gef suele aumentar si aumenta el régimen

de giro (excepto para bajos). En MEC, suelen llegar a tener el mínimo de gef al

menor régimen de u]lización del motor.

Curvas caracterís]cas de plena carga de los motores anteriores en función de los parámetros normalizados (Cm, pme y Ne_esp )

Curvas características -‐ Según curva de par, los MCIA pueden ser:

-‐  Elás]co :

. Curva de par muy plana.

. Ligeramente creciente al disminuir el régimen.

. Facilita la conducción del vehículo (Audi de 4,2 l de las figuras anteriores).

-‐ Exigido:

. Máximo de par motor a alto régimen.

. Curva de potencia de mayor pendiente, obligando al motor a operar a elevados regímenes de giro.

. Intervalo de régimen es reducido pero su potencia específica es elevada. (Honda CBR 600 F de las figuras anteriores)

Una u otra configuración para un motor se consigue actuando sobre las variables de diseño (rendimiento volumétrico y el grado de sobrealimentación)

Curvas características •  Consideraciones par4culares según el 4po de motor

-‐ Evolución tecnológica de los MCIA è másdis]ntos ]pos de motores.

-‐ Limitaciones adicionales a su funcionamiento como:

. Limitación de emisiones contaminantes

. Mejora de diseños de turbocompresores, distribuciones y colectores de geometría variable o sistemas de mul]inyección …

-‐ Tendencias básicas de cada concepción de motor:

MEP de aspiración natural è varios máximos en la curva de par.

MEP sobrealimentado è menor gef que el anterior, menor rendimiento, reducción brusca del par a bajo régimen, mayor pme …

MEC de aspiración natural è curva de par más plana, menor pme que MEP equivalente,

menor rendimiento que el sobrealimentado …

MEC sobrealimentado è mayor rendimiento, disminuye gasto específico de combus4ble, sobrealimentación no tan limitada como en MEP


Curvas caracterís]cas de plena carga de los MEP. Buick V6 de aspiración natural (izda) y versión turbosobrealiemntada (dcha)

-‐ Se observa: motores sobrealimentados suelen tener una curva de par plana en función del régimen, es decir, son motores que se pueden considerar como elás]cos. Mayor par y potencia efec]vos al mismo régimen.


•  Definición: Se ob]enen manteniendo constante la velocidad de giro y variando la carga del motor:

-‐ Variando apertura de mariposa de admisión en MEP

-‐ Variando el caudal de combus]ble inyectado en MEC

•  Conceptos: –  Consumo específico: consumo horario de combus]ble en relación a la potencia producida.

Las unidades usadas habitualmente son g/kWh,. Suele ser usual expresarlo en litros por kilometro.

–  Grado de carga del motor:. Se suele aplicar al par en el eje, a la potencia e incluso al caudal de combus]ble. Es el cociente entre el par efec]vo producido por el motor en cierta condición de funcionamiento y el máximo que puede producir a esa La regulación del grado de carga se consigue de dis]nta manera según el ]po de motor.

4. Curvas caracterís4cas a carga parcial

Curvas características Al comparar las curvas mul]paramétricas de isoconsumo específico de un MEP de aspiración natura y de un MEC sobrealimentado, se observa:

–  Mayor máximo de la velocidad lineal media del pistón en el caso de MEP.

–  Mayor valor de la presión media efec]va del motor MEC frente al MEP.

Cabe destacar de dichas curvas la línea de plena carga y el polo económico.

Curvas características ·∙ La línea de plena carga limita por arriba la zona de u]lización del motor, siendo

una traslación directa de la curva de par motor a plena carga.

·∙ El polo económico muestra las condiciones de régimen y carga para las que el

rendimiento del motor es máximo (gef mínimo). Diseños actuales presentan el

polo económico para regímenes intermedios tanto en MEC como en MEP.

Como consecuencia del proceso de combus]ón, los MEC suelen presentar su polo

económico situado en valores más bajos de cm que los MEP.


Evolución del consumo específico con la carga, en

términos de potencia, para motores empleados en

cogeneración.

Aumenta el consumo específico cuando la carga del

motor disminuye. Temperatura de escape y gasto másico.

5. Curvas caracterís4cas de otros parámetros

·∙ Curvas de interés de cogeneración

·∙ Curvas de emisiones contaminantes


-‐ MEP: * Hidrocarburo sin quemar * CO * NOX

-‐ MEC: * NOX * Humos * Par@culas

Curva de isoemisiones

-‐ Menores emisiones de NOX: Zona de bajo régimen y carga : Zona de mayor control: Hay que actuar. -‐ Mayores emisiones de NOX: Zona de alto régimen y carga

Ejemplo motor diésel

Curvas características ·∙ Ejemplo de mapas de funcionamiento del motor

MEP con inyección directa de gasolínaCurvas EGR de un MEP Curvas EGR de un MEC

Ángulo de avance al encendido de un MEPÁngulo de avance de la preinyección de un motor

diésel sobrealimentado

Curvas características 6. Variación de la potencia con la altura en aplicaciones aeronáu4cas

•  Nivel de vuelo está determinado por la presión, no por la distancia al suelo.

•  Creación de la norma: Atmósfera Estándar Internacional ( InternaGonal Standard

Atmosphere o ISA ).

•  La ISA ]ene muy buena aproximación entre al]tud y presión.

•  Ecuaciones de Toussaint (válidas hasta los 11.000 m ):

TZ= T0+ 6,5·∙10-‐3 z

pZ= p0( T0+ 6,5·∙10-‐3 z/T0)(g/6,5·∙10^-‐3 R)

ρZ= ρ0(T0+ 6,5·∙10-‐3 z/T0)(g6,5·∙10^-‐3 R)-‐1

Curvas características ·∙ Para MCIA en aviación:

-‐ Curvas de calibrado al nivel del mar.

-‐ Curvas de calibrado en altura. Obtenidas:

-‐ Según ISA.

·∙ Con dichas curvas obtenemos: -‐ La potencia en condiciones no estándar.

·∙ Cada gráfica de hace para un dosado determinado. ·∙ Cada gráfica se hace para un dosado determinado.

Curvas características Fisionomía de las curvas

•  Curvas de calibrado al nivel del mar:

-‐ Potencia suministrada en función de:

·∙ La velocidad de giro.

·∙ La presión de admisión.

-‐ Representación de la curva de máxima

potencia en despegue.

Curvas características •  Curvas de calibrado en altura:

-‐ Potencia suministrada en función de:

·∙ La presión de admisión.

·∙ La Al]tud de vuelo.

·∙ Régimen de giro.

-‐ Dis]nguimos dos tramos:

·∙ Tramo ascendente (motores sobrealimentados)

·∙ Tramo descendente (Reduce la potencia suministrada por el motor)

Curvas características Altura de restablecimiento o altura crí]ca

•  Altura crí]ca: Altura mínima a la que se puede u]lizar totalmente el compresor (sin el limitador de presión)

•  La pendiente puede variar dependiendo si el compresor está arrastrado por:

-‐ Cigüeñal

-‐ Turbocompresor

•  Si la temperatura no corresponde a la atmosférica, se u]liza la siguiente corrección:

Ne,t=Ne,ts ((273+ ts)/(273+t))

•  Como alterna]va:

-‐ Disminuir un 0,2% la potencia, por cada ºC en exceso.

Curvas características 8. Caso prác4co

-‐ Carácterísa]cas del motor de serie

Tabla de características principales del motor de serie Tipo de motor NFX

Código de motor TU5J4 Cilindrada (cm3) 1587

DiámetroxCarrera (mm) 78,5x82 Relación de compresión 10,8:1

Potencia máxima a r.p.m (Cv) 120 a 6600 Par máximo a r.p.m (m·kg) 15 a 5200

Gestión electrónica IAWP41

-‐ Modificaciones realizadas al motor

·∙ Instalación de árboles de levas de la marca CAT-‐CAMS. ·∙ Modificación de la mariposa de admisión aumentando su diámetro de 50 a 55 mm mediante un torneado. ·∙ Modificación de la culata, rebaje, planificado y mejora de los conductos de admisión y escape. ·∙ Modificación de volante motor. ·∙ Modificación del sistema de escape. ·∙ Lapeado del bloque de cilindros. ·∙ Modificación de la electrónica.

Curvas características -‐ Montaje de las tres lanzadas

Curvas características -‐ Tabla compara]va

TABLA COMPARATIVA MOTOR SERIE MOTOR MODIFICADO

Rel. Compresión 10,8.1 12,0:1 Rel. Compresión Potencia máxima a

r.p.m (Cv) 120 a 6600 137,063 a 6936 Potencia máxima a r.p.m (Cv)

Par máximo a r.p.m (m·kg) 15 a 5200 15,27 a 5058 Par máximo a r.p.m

(m·kg)


7. Bibliogra[a

•  Payri, F.; Desantes, J.M.: “Motores de CombusGón Interna AlternaGvos”. Ed.

Reverté, 2011.

•  Rodríguez Antón, L.M.: “Apuntes de Sistemas Auxiliares de Motores y Máquinas”.

Servicio de Publicaciones EUITI-‐Madrid, 2004/2005.

•  SportDyno34, programa del banco de potencia.

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