Diseño de Un Motor a Gasolina-Vidal-Alcca Zambrano

INGENIERIA MECANICA-UNSAAC-MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

DISEÑO DE UN MOTOR GASOLINERO DE CONBUSTIÓN INTERNA

MOTOR GASOLINERO DE 4 TIEMPOS COMBUSTIBLE GASOLINA DE-95OCTANOS Potencia 170 HP Velocidad 3455 RPM

126.769 KW Ɛ = 11.75

COMPOSICION GRAVIMETRICA DEL COMBUSTIBLE ( GASOLINA SP 90) CARBONO: HIDROGENO: OXIGENO:

0.855 0.145 0

Hu=

α =

0.9

PODER CALORIFICO 44000 KJ/Kg 44 MJ/Kg COEFICIENTE DE EXESO DE AIRE (Asumido)

AIRE TEORICO NECESARIO

o 

1 8 ( C  8H  OC )  14.9565217391 0.23 3 (Kg aire/Kg comb)

L 

AIRE TEORICO NECESARIO

L   * L0 

0.461 (Kmol aire/Kmol comb)

1 C H OC (   ) 0.5119047619 0.21 12 4 32 (Kmol aire/Kmol comb)

l   *l0  

a



o Lo

13.46 (Kg aire/Kg comb)



COMBUSTION COMPLETA Y PRODUCTOS DE LA COMBUSTION CANTIDAD TOTAL DE MEZCLA FRESCA (M1):

μc=

115

MASA MOLECULAR DEL COMBUSTIBLE(110-120)

M 1   .Lo 

1

C

0.4694099379 (Kmol aire/Kmol comb)

PRODUCTOS DE LA COMBUSTION (G1):

G1  1   .o

14.46 (Kg aire/Kg comb) INTERPOLANDO

H/C 0.14 0.1695906433 0.19

K 0.45 K 0.5

K= 0.4795906433 K: Relación entre el número de moles del hidrógeno y del monóxido decarbono

29.22

INGENIERIA MECANICA-UNSAAC-MOTORES DE COMBUSTION INTERNA COMPONENTES DE LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN M2:

1 LO  1 K

0.0145310462 (Kmol/Kmol comb)

C  M CO  12


M H 2  K . M CO 


H  M H2  2


M N 2  0 . 79 . . L O 


M CO  0,42

M CO 2 

M H 2O 

CANTIDAD TOTAL DE LOS PRODUCTOS DE COMBUSTION

M 2  M CO  M CO 2  M H 2  M H 2 O  M N 2 


INSUFICIENCIA DE OXIGENO

M

2o



C H   0.79 L0  12 2

M 2  M 2 O  M 2 



FRACCION VOLUMETRICA

rO  r 

M 2O  M 2

1.0796520353

r O  r 

M 2  M 2

1

0.0796520353

PROCESO DE ADMISION PRESION EN EL CILINDRO EN EL PROCESO EN EL PROCESO DE ADMISION Po=

0.0685 Mpa

To=

288 ºk

Ra=

O 

PRESION ATMOSFÉRICA EN CUSCO TEMPERATURA ATMOSFÉRICA EN CUSCO

284.53

PO  R aTO

0.8359302085 Kg/m^3

PERDIDAS HIDRAULICAS EN EL MULTIPLE DE ADMISION:

Pa  ( 

2

  ad )

 ad 2 2

 O .10  6


Pa  PO  Pa

PRESION AL FINAL DE LA ADMISION

(  2   ad ) 

3

ωad=

100

DONDE:

Pk=Po

varia para los gasolineros ( 2.54………4) (m/s)

velocidad del aire en el multiple de admision (50 - 130) m/s

Δpa= 0.0125389531 Mpa Pa=

0.0559610469 Mpa

GASES RESIDUALES Y COEFICIENTES DE GASES RESIDUALES COEFICIENTE DE GASES RESIDUALES:

ΔT= 15

r 

TO  T Pr Tr  .Pa  Pr

ºk

Temperatura de calentamiento de la carga varia de 0 - 20 °K

Mpa

Presion de los gases residuales

Tr = 940

°K

Temperatura de los gases residuales, asumir entre 900 y 1000 °K

Ɛ=

RELACION DE COMPRESION

Pr  (1,1 ... 1 .25 ) PO  0.085625

r 

11.75

0.048259423 Coeficiente de gases residuales esta en el parametro ( 0.03 - 0.06)

r 

Mr M1

Mr 

0.0226534528

Kmol

TEMPERATURA AL FINAL DE LA ADMICION

Ta 

TO  T   r Tr 1  r Ta =

332.325996766 ºK

COEFICIENTE DE LLENADO O RENDIMIENTO VOLUMETRICO

 v  1

 (  1).(1   r )

ϕ1 = 0.8

v 

Coeficiente de llenado,(0.75…0.85)para motores rapidos

0.8341624081 Rendimiento volumetrico, (0.75…0.85) motores rapidos sin turbo

RESUMEN EN LA ADMISION Pa (Mpa) Ta (°K) ϒr ɳᵥ 0.0559610469 0.048259423 332.325996766 0.834162408


PROCESO DE COMPRESION ECUACION EN TERMINOS DE LA TEMPERATURA "

q1 (U C  U a )  q 2 (U C  U a" )  DONDE:

q1 

1 r .r  0.9502953342 1  r

Y

q2 

q1  q 2 

Ta= 59.3259967661 ºC DE LA TABLA 2

rO  r  1 r

0.0497046658

1

DE LA TABLA 4

ENERGIA INTERNA DE LOS GASES

ENERGIA INTERNA DE LOS PRODUCTOS DE COMBUSTION

Ta(ºC)

Ua (KJ/Kmol) 0 0 59.3259967661 Ua 100 2015 Ua=

R (TC  Ta )  O n1  1

Ta(ºC)

U"a (KJ/Kmol) 0 0 59.3259967661 U"a 100 2204.5

1195.41883484 (KJ/Kmol) U"a= 1307.8415987097 (KJ/Kmol) Interpolando se obtubieron los resultados

PARA : MOTORES A GASOLINA n1: 1.30 - 1.38 VALOR ASUMIDO

n1= 1.3

ENTONCES LA TEMPERATURA AL FINAL DE LA COMPRESIÓN ES:

INTERPOLANDO DE LA TABLA 2


Tc(ºC) Uc (KJ/Kmol) 300 6364 422.9462130849 Uc 400 8591

Tc(ºC) Uc" (KJ/Kmol) 300 6916.5 422.946213085 U"c 400 9384.2

9102.0121654 (KJ/Kmol)

U"c=

9950.4437002964 (KJ/Kmol)

REEMPLAZANDO EN LA ECUACIÓN: "

q1 (U C  U a )  q 2 (U C  U a" )  n(1) R(KJ/Kmol*°C) Tc= Ta= B=

695.9462130849


ENERGIA INTERNA DE LOS GASES

Uc=

TC  Ta n1 1 

R (TC  Ta )  B n1  1

1.3 8.314 KJ/Kmol*ºC 422.946213085 °C 59.3259967661 °C -2133.9518611

°K

INGENIERIA MECANICA-UNSAAC-MOTORES DE COMBUSTION INTERNA PARA

n(1)= 1.38

TC  Ta n1 1 

ENTONCES LA TEMPERATURA AL FINAL DE LA COMPRESION ES:

847.5761066206

INTERPOLANDO LOS VALORES DE LA TABLA 4 OBTENEMOS:Uc,U''c (KJ/Kmol) ENERGIA INTERNA DE LOS GASES


Tc(ºC)

Uc (KJ/Kmol) 500 10890 574.5761066206 Uc 600 13255 Uc=

Tc(ºC)

Uc (KJ/Kmol) 500 11938.6 574.576106621 U"c 600 14575.9

12653.7249216 (KJ/Kmol)

U"c=

13905.395659905 (KJ/Kmol)

REEMPLAZANDO EN LA ECUACION

"

q1 (UC  Ua )  q2 (UC  Ua" )  PARA : n(1) R= Tc= Ta=

1.38 8.314 KJ/Kmol*ºC 574.576106621 °C 59.3259967661 °C

B=

241.80

R (TC  Ta )  B n1 1

HALLANDO EL VERDADERO VALOR DE n(1)

B -2133.95 0 241.80 n(1)=

n(1) 1.3 n1 1.38

1.3718577291 VALOR REAL

PRESION AL FINAL DE LA COMPRESION

PC  Pa 

n1



1.6437113276 Mpa

TEMPERATURA AL FINAL DE LA COMPRESION

T C  T a  n1 1 

830.7419989703 °K

PROCESO DE COMBUSTION ECUACION GENERAL DEL PROCESO DE COMBUSTION

°K


 Z ( H u  ( H ) quim ) U C   r U C"    r U Z"  A (1   r ) M 1 1  r

DONDE:

Z 

0.85

Coeficiente de aprovechamiento de calor para los gasolinero (0.8 - 0.9)

A

120000000

A=(110…120)*10^6

(  H u ) quim 

(Hu )quim  A(1)LO

6,142.857 Fraccion de calor que no se desprende (KJ/Kmol)

CALCULO DE LA ENERGIA INTERNA DE UN MOL DE MEZCLA FRESCA AL FINAL DE LA COMPRESION (Uc)

UC  (Cv)Tc

DONDE :


Tc(ºC) uCv(KJ/(Kmol.ºC) 500.00 21.78 557.74199897 uCv 600.00 22.09

Calor especifico molar de la mezcla fresca.

( Cv) 

21.9590001968 KJ/Kmol.ºC

ENTONCES:

Uc =

12247.456665157 KJ/Kmol

ENERGIA INTERNA DE UN MOL DE PRODUCTOS DE LA COMBUSTION AL FINAL DE LA COMPRESION (U''c)

"

U C  ( Cv) "C Tc Calor especifico molar de productos de la combustion al final de la compresion.

(Cv) "C  ( Cv) CO 2 .rCO 2  ( Cv) CO .rCO  (Cv) H 2O .rH 2O  ( Cv) O2 .rO2  (Cv) N 2 .rN 2 TABLA 1 Tc=500 ºC 36.258 21.784 27.315 20.934 21.449

CO2 CO H2O H2 N2

Tc=600 ºC 37.438 22.11 27.88 21.001 21.729

uCv=520.933 36.9393555878 21.9722389166 27.6412422942 20.9726871393 21.6106775971

HALLAMOS LAS RELACIONES VOLUMETRICAS:

rco 2 

rco 

M

CO

M

2



0.1117143153



0.0286205187

2

M CO M 2

rH 2  r CO

2

 r CO

 rH

rN 2 

2

O

 rO

2

rH 2 O 

M H2  M 2  rN

2



M N2  M2 M

H 2O

M



0.7168683174

0.1290707157

2

0.013726133

1

CALCULO DEL CALOR ESPECIFICO DE LOS PRODUCTOS DE COMBUSTION AL FINAL DE LACOMPRESION

LA SUMA TOTAL ES:


( Cv) "C  U C  ( Cv) "C Tc "

24.1030705952 KJ/Kmol*ºC

13443.294775076 KJ/Kmol

CALCULAMOS LA PRIMERA PARTE DE LA ECUACION

 Z ( H u  ( H ) quim ) U C   r U C"   A (1   r ) M 1 1  r

A =

PERO:

77697.6852836 KJ/Kmol

A   rU Z"

DONDE:

LUEGO:

0 

M M

2



1.0816010586

1

ENTONCES:

r 

O   r  1 r

1.0778443358

U Z" 

A B r

72086.1841560973 KJ/Kmol

INTERPOLANDO DE LA TABLA 4 PARA ENCONTRAR EL VERDADERO VALOR DE (Tz)

Uz"(MJ/Kmol) 70.54 72.0861841561 73.88

Tz(ºC) 2400 Tz 2500 VALOR REAL:

Tz(ºC) =

2446.29293881

ENTONCES:

Tz =

2719.2929388053 K

CÁLCULO DE LA PRESIÓN MÁXIMA AL FINAL DE LA COMBUSTIÓN

  r

Tz  Tc

P Z CALC   P C  PZ REAL   Z PZ CALC  ϕz :

3.5281404999 GRADO DE ELEVACIÓN DE PRESIONES

5.799244505 (Mpa), PRESION TEORICA AL FINAL DE LA COMBUSTION

4.9293578292 (Mpa), PRESION REAL AL FINAL DE LA COMBUSTION

COEFICIENTE IMPIRICO SE ASUME GENERALMENTE 0.85

PROCESO DE EXPANSIÓN BALANCE DE ENERGIA ENTRE Z-b :


Qzb  U b  U z  Lzb DONDE :

Q z-b : Calor que desprende el combustible durante la expansión Ub y Uz : Energias internas en "b" y "z" Lzb : Trabajo de expansión

ECUACION GENERAL DE ENERGIA :

(b z )Hu R  (Tz Tb ) r (Uz Ub ) r0 (U"z U"b ) M1(0  r ) n2 1 Separando en dos partes la ecuación anterior :

( b   z ) H u  A M 1 (0   r )

Y

B

R (Tz  Tb )  r (U z  U b )  r0 (U " z U "b ) n2  1

EXPONENTE POLITROPICO DE EXPANSIÓN PARA MOTORES A GASOLINA:

n2 (1.23  1.30) COEFICIENTE DE APROVECHAMIENTO DE CALOR:

b 

0.82

motores a gasolina esta en el rango de (0.82 - 0.87)

CALCULANDO A: A=

-2721.3081541 KJ/Kmol

CON EL VALOR VERDADERO DE "Tz" ENCONCONTRAMOS Uz y U"z POR INTERPOLACIÓN HALLANDO Uz HALLANDO U''z Tz (°C) Uz (KJ/Kmol) Tz (°C) Uz'' (KJ/Kmol) 2400 62090 2400 70543.2 2446.292938805 Uz 2446.29293881 U"z 2500 64979 2500 73882 Uz=

63427.4030021 KJ/Kmol

CON "Tz" ENCONTRAMOS "Tb"

Tb  T z

1



n 2 1



PARA (n2) =

U"z=

72088.828640832 KJ/Kmol

1.23

1542.9337740558 K

1269.9337740558 °C

UTILIZAMOS "Tb" PARA INTERPOLAR LOS VALORES DE Ub y U"b EN LAS TABLAS 2 Y 4 HALLANDO Ub HALLANDO U''b Tb (° C ) Ub(KJ/Kmol) Tb( °C ) U"b(KJ/Kmol) 1300 31238 1300 34956.5


1269.933774056 Ub 1400 33951 Ub=

1269.93377406 U"b 1400 38053.1

30422.3032901 KJ/Kmol

U''b=

34025.469247413 KJ/Kmol

CALCULAMOS EL NUEVO VALOR DE B: B=

-1201.2803011779

ASUMIMOS UN NUEVO "n2" PARA INTERPOLAR VALORES QUE BALANCEEN LA ECUACIÓN : CON "Tz" ENCONTRAMOS "Tb"

Tb  T z

1



PARA (n2) =

1.3



n 2 1

1298.5080159885 °K

=

1025.5080159885 °C

UTILIZAMOS "Tb" PARA INTERPOLAR LOS VALORES DE Ub y U"b HALLANDO Ub Tb( °C ) Ub(KJ/Kmol) 1000 23983 1025.508015989 Ub 1100 25899 Uz=

HALLANDO U''b Tb( °C ) U"b(KJ/Kmol) 1000 25880.6 1025.50801599 U"b 1100 28856.9

24471.7335863 KJ/Kmol

U"z=

26639.795079866 KJ/Kmol

CALCULAMOS EL NUEVO VALOR DE B: B=

-12797.353778039

INTERPOLANDO VALORES PARA HALLAR EL VERDADERO VALOR DE n2: B n(2) -1201.28030118 1.23 -2721.30815415 n2 -12797.353778 1.3

n(2) =

1.2391756878 VALOR REAL

TEMPERATURA FINAL EN EL PROCESO DE EXPANSIÓN (Tb)

Tb  T z

1



n 2 1



1508.44316761 °K

PRESION FINAL EN EL PROCESO DE EXPANSION (Pb)

Pb  Pz

1



n2



0.2327155673 MPa

PARAMETROS INDICADOS Y PARAMETROS EFECTIVOS PARAMETROS INDICADOS


PRESION MEDIA INDICADA (Pi)cal :

( Pi ) cal  Pa

n   1  1 1    1   1  n 1  n 1    1  n2  1  n1  1     1

2

1

  

GRADO DE EXPANSION POSTERIOR:



 

PARA MOTORES A GASOLINA EL COEFICIENTE DE PRE-EXPANSION ES : ρ = 1 ENTONCES:

 

ENTONCES:

( Pi ) cal 

0.757640 Mpa

PRESION MEDIA INDICADA REAL (Pi) :

P i   i ( P i ) cal Coeficiente de Redondeo o Plenitud del Diagrama Indicado:  ( 0 . 95  0 . 97 ) Asumimos

Pi 

ENTONCES:

0.719758 Mpa

POTENCIA INDICADA (Ni) :

 i:

Ni 

Pi  i  Vh  n 30  

6 para motores de 4 tiempos N° de cildros

N

i

0.95



4

127.0825514124 Kw

CONSUMO ESPECIFICO INDICADO DE COMBUSTIBLE (gi) :

g i  3600 ENTONCES:

g

i



RENDIMIENTO INDICADO (ni) :

ENTONCES:



i



 O v ( g / Kw.h )  l 0 Pi

259.10 g/KW.h

3.6(10 3 ) i  H u gi

0.32

PARAMETROS EFECTIVOS HALLANDO LA PRESION MEDIA DE PERDIDAS MECANICAS (Pm) :

VALORES DE LOS COEFICIENTE A Y B PARA MOTORES GASOLINEROS

Pm  0 .1( A  BVp ) P0  Mpa 

INGENIERIA MECANICA-UNSAAC-MOTORES DE COMBUSTION INTERNA A 0.05

ENTONCES:

VELOCIDAD DEL PISTON (10-16)m/seg ASUMIMOS: 13.5 m/seg

B 0.0155

Pm 

0.0017758625 Mpa

PRESION MEDIA EFECTIVA DEL CICLO (Pe) :

Pe 

DONDE:

POTENCIA EFECTIVA (Kw) :

ENTONCES:

Pe  Pi  Pm

0.7179821375 Mpa N

e

 N

i

Ne 

 Pe     Pi 

126.769 Kw

POTENCIA DE PERDIDAS MECANICAS (Nm):

N m  N i  N e (Kw ) ENTONCES:

N



m

0.3135514124 Kw

EFICIENCIA MECANICA :

m 

Ne Ni

m 

ENTONCES:

0.997532695

EFICIENCIA EFECTIVA (ne) :

 e  i   m

ENTONCES:





e

0.3192104624

CONSUMO ESPECIFICO EFECTIVO DE COMBUSTIBLE (g/Kw-h) :

ge 

gi

m

ge 

ENTONCES:

259.740859918 g/Kw-h

CONSUMO HORARIO DE COMBUSTIBLE (Kg/h) :

Gc  g e  N e

ENTONCES:

CONSUMO HORARIO DE AIRE (Kg/h) :

Ga  l0Gc ENTONCES:

G G



c



a

32.9270890709 Kg/h

443.2272511463 kg/h

PRINCIPALES DIMENSIONES DEL MOTOR CILINDRADA TOTAL DEL MOTOR ( iVh) :

iVh 

30 N e ltr Pe n

ENTONCES:

iV

h



9.1986454147 Ltrs


VOLUMEN DEL TRABAJO DE UN CILINDRO (Vh) :

Vh 

30 N e ltr Pe ni

ENTONCES:

V



h

2.2996613537 Ltrs 2299661.3536785 mm^3

RELACION S/D<1 PARA MOTORES RAPIDOS: 1.1

S/D  J  DIAMETRO DEL CILINDRO (D):

D3

4Vh ( mm) J

D

ENTONCES:

138.5884816992 mm

13.8588481699 cm

CARRERA DEL PISTON (S) :

S 

4V h ( mm ) D 2

ENTONCES:



S

152.4473298692 mm

15.2447329869 cm

EL NUEVO VALOR DE Vh ES:

Vh 

 2 D S (ltr ) 4

ENTONCES:

V

h



2299661.3536785 mm^3

2.2996613537 Ltrs LA VELOCIDAD MEDIA DEL PISTON RESULTARA (Vp):

Vp 

Sn m / seg 30

ENTONCES:

V

p



17.5568508233 m/s


0.96 0.97 0.876

Diseño de Un Motor a Gasolina-Vidal-Alcca Zambrano

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