Mcia 02 características de operación

2. Características de operación de los MCIA
Objetivo:
Conocer los parámetros que caracterizan el funcionamiento de los motores de
combustión interna alternativos.

Contenido:
2.1 Parámetros geométricos.
2.2 Par y potencia al freno.
2.3 Trabajo.
2.4 Presión media y potencia.
2.5 Rendimientos y consumo específico.
2.6 Relación combustible-aire (dosado).
2.7 Rendimiento volumétrico.
2.8 Peso y volumen específicos.
2.9 Emisiones específicas e índice de emisiones.
2.10 Relaciones entre parámetros de funcionamiento.
2.11 Datos de diseño y funcionamiento.
j.m. riesco a. IMT09.06 Motores de Combustión Interna Pág. 1/35

2.1 Parámetros geométricos

Diámetro del pistón : D
PMS
D
Carrera del pistón : S = 2a

π
Cilindrada unitaria : Vd = D2S
4
PMI

Cilindrada total : Vt = z ⋅ Vd
l
donde, z = Número de cilindros

Volumen de la cámara de combustión : Vc

π
a
Volumen del cilindro en función de θ : V = Vc + D 2 (l + a − s )
4
donde, (
s = a cos θ + l 2 − a 2sen 2θ )
1
2


2. Características de operación / 2.1 Parámetros…
Vd + Vc
Relación de compresión : r=
Vc
En MEP de 8 a 11 y en MEC de 12 a 24.

Relación carrera/di ámetro : RSD = S
D
En motores pequeños y medianos de 0,6 - 1,2.
En MEC de baja velocidad de 1,2 - 3,0.

Relación longitud de biela/radio de la manivela : R= l
a
En motores pequeños y medianos de 3 - 4.
En MEC de baja velocidad de 5 - 10.

Velocidad media del pistón : Cm = 2Sn
donde, n = Régimen de giro del cigüeñal


Generalmente, Cm suele ser un parámetro más adecuado que el régimen de giro del cigüeñal
para caracterizar el comportamiento del motor. Por ejemplo, Cm está relacionada con:
• La pérdida fluidodinámica que se produce en los procesos de llenado y vaciado del cilindro.
• La inercia de las piezas en movimiento.
• La transferencia de calor hacia el sistema de refrigeración.

El valor máximo de Cm está limitado por la resistencia del flujo de gas a la entrada y a la salida
del cilindro, y por los esfuerzos debidos a la inercia de las partes en movimiento. Su valor suele
estar comprendido entre 5-20 m/s, acercándose al límite superior en automóviles y al inferior en
grandes MEC. En autos deportivos (MEP), este valor puede elevarse hasta 35 m/s, con un
régimen de giro de hasta 14 000 rpm.

Este rango aceptable de valores para Cm, también define el rango aceptable del régimen de giro
del cigüeñal, dependiendo del tamaño del motor. Hay una fuerte correlación inversa entre el
tamaño del motor y el régimen de giro. Motores muy grandes con diámetro de pistón del orden
de 0,5 m, típicamente operan en el rango de 200-400 rpm, mientras que los motores muy
pequeños (aeromodelismo), con diámetro de pistón del orden de 1,0 cm, operan a 12 000 rpm
o más.


Velocidad instantánea del pistón :
C p = ds
dt

Cp π  cos θ 
= sen θ 1 + 1 
Cm 2 
 (
R 2 − sen2θ )2

Cp/Cm

donde :
(
s = a cos θ + l 2 − a 2sen 2θ )
1
2

R= l
a

Relación entre la velocidad instantánea y la velocidad media del
pistón en función del ángulo de giro del cigüeñal, para
diferentes valores de R.



R=3 R=4

R=

8
Posición

Velocidad

Aceleración

Posición, velocidad y aceleración del pistón para diferentes valores de R.


2.2 Par y potencia al freno

Par ejercido por el motor :
M = F ⋅L

Potencia desarrollada por el motor y
absorbida por el freno :
N = 2π n M

N(kW ) = 2 π n(rev s ) ⋅ M(N ⋅ m)×10−3
Principio de funcionamiento de un
dinamómetro
n(rev min) ⋅ M(lbf ⋅ pie)
N(hp ) =
5252
El par motor se mide normalmente con un
dinamómetro. El motor se coloca en una bancada y el
eje se conecta al rotor del dinamómetro. El rotor se
acopla electromagnéticamente, hidráulicamente o por
fricción al estator. El estator se balancea con el rotor
estacionariamente. El par ejercido sobre el estator
cuando el motor gira, se mide equilibrando el estator 1 hp = 0,7457 kW = 2545 BTU h = 550 pie ⋅ lbf s
con pesos, muelles u otros medios. 1 kW = 1,341 hp


2.3 Trabajo
El trabajo indicado por ciclo (y por cilindro) Wi, se puede obtener por integración
y corresponde al área representada en el diagrama indicado:

Wi = ∫ P ⋅ dV

● El trabajo indicado (compresión, combustión y expansión) corresponde a las
áreas A y C en la figura.

● El trabajo indicado de la renovación de la carga (admisión y escape),
denominado trabajo de bombeo (Wb), corresponde a las áreas B y C.

El trabajo de bombeo normalmente no se considera como trabajo indicado y se
incluye, como se verá más adelante, dentro de las pérdidas mecánicas.

Para motores de aspiración natural, el trabajo de bombeo será negativo, por lo
que el trabajo efectivo será:

We = Wi – Wb

En motores sobrealimentados, la presión de admisión puede ser mucho mayor
que la de escape, dando un trabajo de bombeo positivo, por lo que

We = Wi + Wb


2. Características de operación / 2.3 Trabajo…

Diagrama indicado de un MEP sobrealimentado.

2.4 Presión media y potencia
p b La potencia indicada Ni (o potencia interna) de un motor
(trabajo indicado por unidad de tiempo) será:

N i = pmi ⋅ z ⋅ Vd ⋅ n ⋅ i = pmi ⋅ Vt ⋅ n ⋅ i
= + pmi

= 1/2 (4 tiempos)
+ Vd
i = número de ciclos por vuelta
= 1 (2 tiempos)
c
d S
- a

V
Vd La potencia efectiva Ne en el cigüeñal será menor que la
potencia indicada debido a la potencia absorbida por
La presión media indicada se define como la presión pérdidas mecánicas (Npm):
constante que durante una carrera produce un trabajo igual
al indicado del ciclo:
N e = N i − N pm
Wi
pmi =
Vd La potencia absorbida por las pérdidas mecánicas incluye las
pérdidas por fricción mecánica (pistones, segmentos,
Si el motor es de 2T no existe lazo de renovación de la carga cojinetes), las pérdidas de bombeo y la potencia necesaria
y el área del diagrama indicado corresponde al trabajo para el accionamiento de los elementos auxiliares.
indicado.


2. Características de operación / 2.4 Presión media…

El par motor es un parámetro que indica la capacidad para realizar
trabajo que tiene un motor particular, por lo que depende del
tamaño del mismo. Un parámetro más adecuado para reflejar el
comportamiento de un motor es la presión media efectiva, la cual
se define análogamente a la presión media indicada:

pme = We
Vd
La potencia efectiva se puede expresar también en la forma: Valores típicos de pme (bar)

N e = pme ⋅ Vt ⋅ n ⋅ i MEP turismos: 8,0 – 14
Y la potencia absorbida por pérdidas mecánicas como: MEP deportivos: 8,5 – 25

N pm = N i − N e = ( pmi − pme ) ⋅ Vt ⋅ n ⋅ i MEC automoción: 6,0 – 16
MEC 4T industriales: 5,5 – 23
Definiendo la presión media de pérdidas mecánicas como:
MEC 2T lentos: 10,0 – 15
pmpm = pmi − pme
La potencia absorbida por pérdidas mecánicas será:
N pm = pmpm ⋅ Vt ⋅ n ⋅ i


2.5 Rendimientos y consumo específico
Rendimiento térmico (η): Es la relación entre la potencia Rendimiento mecánico (ηm):
desarrollada por el motor y la potencia térmica consumida.
N e pme η e
N ηm = = =
η= • Ni pmi ηi
donde:
m f Hc
El valor de ηm suele ser del orden de 0,8 a plena carga.
Hc = Poder calorífico inferior del combustible.
mf = Flujo másico de combustible.

Rendimiento indicado (ηi): Ni
ηi = •

m f Hc

Rendimiento efectivo (ηe):
Ne
ηe = •

m f Hc

MEP: 0,25 – 0,30
Valores máximos de ηe
MEC: 0,30 – 0,50


2. Características de operación / 2.5 Rendimiento…

Consumo específico (gf): Es el consumo de Curvas de plena carga
combustible por unidad de potencia desarrollada por
el motor. •

mf
gf =
N
En términos del rendimiento:
•

mf 1
gf = =
•

η m f Hc η Hc

Consumo específico indicado (gif): gif = 1 Curvas de carga parcial
ηi H c

gef = 1
Consumo específico efectivo (gef):
ηe H c

MEP: 320 – 280 g/kWh
Valores típicos de gef
MEC: 280 – 180 g/kWh


2.6 Relación combustible-aire (dosado)

 Dosado absoluto: Valores típicos de dosado
•
MEP 1/18 – 1/12
mf F
F= •
MEC 1/71 – 1/18
ma Gas natural 1/17

 Dosado estequiométrico: Fe Gasolina 1/14,6
Gasoil (diesel) 1/14,5
 •  Fueloil 1/13,8
Fe =  •
mf  MEP ≈1

 ma 
 Fr
 e MEC < 0,7 [global]

 Dosado relativo: Fr < 1: Mezcla pobre.

F Fr = 1: Mezcla estequiométrica.
Fr =
Fe
Fr > 1: Mezcla rica.


2.7 Rendimiento volumétrico
La densidad en las condiciones de entrada se puede referir a
 Rendimiento volumétrico: la densidad del aire atmosférico, con lo que se mide el
•
comportamiento de todo el sistema de admisión, o se puede
ma 2 ma referir también a la densidad del aire en el colector de
ηv = =
ρ a ,r Vd ρ a ,r Vd n admisión, con lo que se mide únicamente el
comportamiento de la pipa de admisión y la válvula.
donde:

ma = masa de aire admitida al cilindro por ciclo.  El rendimiento volumétrico máximo típico en motores
atmosféricos está en el rango de 75% a 90%.
ma = flujo másico de aire que entra al cilindro.
ρa,r= densidad del aire a la entrada del motor.  En motores diesel este rendimiento es algo mayor.

Vd = cilindrada unitaria.
Condiciones estándares del aire atmosférico
n = régimen de giro del cigüeñal.
Po = 101 kPa = 14,7 psia
El rendimiento volumétrico mide la efectividad del proceso To = 298 K = 25°C = 537°R = 77°F
de admisión de un motor. Este rendimiento relaciona la
masa de aire que entra al cilindro en un ciclo con la masa ρ a = Po R T
que llenaría al cilindro en unas condiciones de referencia. o

Este rendimiento sólo se utiliza en motores de 4T, pues R = Constante del aire
tienen un proceso de admisión bien definido.
= 287 J/kg.K = 53,33 pie − lbf/lbm − °R
ρ a = 1,181 kg/m 3 = 0,0739 lbm/pie3 .


2.8 Peso y volumen específicos
Para una potencia dada, el peso y el volumen del motor son importantes en muchas
aplicaciones. Dos parámetros que se usan habitualmente para comparar estos atributos entre
motores son:

peso del motor
Peso específico =
potencia

cilindrada del motor
Volumen específico =
potencia

Para que estos parámetros sean útiles en la comparación de motores, debe definirse qué
auxiliares se incluyen dentro del término “motor”. Estos parámetros indican la efectividad con la
que el diseñador del motor ha seleccionado los materiales y ensamblado los componentes.


2.9 Emisiones específicas e índice de emisiones
Las cuatro principales emisiones de escape que se deben controlar en los MCIA, son los óxidos de nitrógeno (óxido nítrico,
NO, y dióxido de carbono, NO2, agrupados generalmente como NOx), el monóxido de carbono (CO), los hidrocarburos sin
quemar (HC) y las partículas (PM).
La concentración de emisiones en el escape de un motor, se mide generalmente en partes por millón (ppm) o en porcentaje
en volumen (los cuales corresponden a la fracción molar multiplicada por 106 o por 102, respectivamente). Sin embargo, es
más adecuado utilizar indicadores normalizados de los niveles de emisión, por lo que habitualmente se emplea los
conceptos de emisiones específicas y el índice de emisiones.

 Emisiones específicas (g/kWh):  Índice de emisiones (g/kg_fuel):
m NOx ( g h )
•
m NOx (g s )
•

eNOx = iNOx =
N e (kW ) m f (kg s )
•

m CO ( g h ) m CO (g s )
• •

eCO = iCO =
•

m HC (g s )
•

m HC ( g h )
•

eHC = iHC =
•

m PM (g s )
•

m PM ( g h )
•

ePM = iPM =
•


2.10 Relaciones entre parámetros de funcionamiento

 Par:  Potencia específica:
η e η v F ρ a ,r Vd H c i N e η eη v F ρ a ,r H c n S
Me = =
2π Ap 2

 Potencia:
•

N e = η e F ma H c n i = η e F m a H c N e η eη v F ρ a ,r H c Cm pme ⋅ Cm
= =
Ap 4 4
En función del rendimiento volumétrico:
donde Ap es el área del pistón (o área de la sección
transversal del cilindro).
η e η v F ρ a ,r Vd H c n
Ne =
2

 Presión media efectiva:
La potencia específica es una medida del éxito del diseñador
para utilizar el área disponible del pistón
pme = η e η v F ρ a ,r H c independientemente del tamaño del cilindro.


2.11 Datos de diseño y funcionamiento

Valores máximos

Ciclo r D S/D n pme Ne/Vt Peso/Ne Mejor gef
(m) (rpm) (atm) (kW/dm3) (kg/kW) (g/kWh)

MEP

Pequeños (motocicletas) 2T, 4T 6 – 11 0,05 – 0,085 1,2 – 0,9 4500 – 7500 4 – 10 20 – 60 5,5 – 2,5 350

Coches de pasajeros 4T 8 – 10 0,07 – 0,1 1,1 – 0,9 4500 – 6500 7 – 10 20 – 50 4–2 270

Camiones 4T 7–9 0,09 – 0,13 1,2 – 0,7 3600 – 5000 6,5 – 7 25 – 30 6,5 – 2,5 300

Grandes motores de gas 2T, 4T 8 – 12 0,22 – 0,45 1,1 – 1,4 300 – 900 6,8 – 12 3–7 23 – 35 200

Motor Wankel 4T 9 0,57 dm3 por cámara 6000 – 8000 9,5 – 10,5 35 – 45 1,6 – 0,9 300

MEC

Coches de pasajeros 4T 17 – 23 0,075 – 0,1 1,2 – 0,9 4000 – 5000 5 – 7,5 18 – 22 5 – 2,5 250

Camiones 4T 14 – 22 0,1 – 0,15 1,3 – 0,8 2100 – 4000 6 – 18 15 – 26 7 – 3,5 210

Locomotoras, industriales, 2T, 4T 12 – 18 0,15 – 0,4 1,1 – 1,3 425 – 1800 7 – 23 5 – 20 6 – 18 190
marinos
Grandes motores marinos y 2T 10 – 12 0,4 – 1 1,2 – 3 100 – 400 9 – 17 2–8 12 – 50 180
estacionarios


Ejemplo 2.1 Concepto de parámetro normalizado
Los siguientes parámetros: potencia efectiva, par motor y régimen de giro, ¿son directamente
comparables entre motores de tamaño diferente? En caso negativo, ¿cuáles son los parámetros
correspondientes que sí son comparables? Coméntese la respuesta.

Respuesta:
Los tres parámetros especificados dependen en gran medida del tamaño del motor, por lo que
no son comparables entre motores de tamaño diferente.

Comentarios:
• La potencia crece, de manera natural, con el área total de los pistones. Por lo tanto, el
parámetro normalizado que permite comparar la potencia de motores de diferente tamaño es
la potencia específica (o potencia por unidad de área de pistones):

Ne
N e _ específica = [kW/m 2 ]
z ⋅ Ap


Ejemplo 2.1 Concepto de parámetro normalizado / Cont…
Comentarios:
• El par motor depende de la cilindrada del motor en cuestión; por lo tanto, para normalizar su
valor, se debe dividir por ésta, obteniéndose así la presión media efectiva:

Me Ne pme ⋅ Vt ⋅ n ⋅ i pme ⋅ i 2π ⋅ M e
= = = → pme = [Pa ]
Vt 2π ⋅ n ⋅ Vt 2π ⋅ n ⋅ Vt 2π Vt ⋅ i

• El régimen de giro depende fuertemente del tamaño del motor: cuanto más grande es el
motor, menor es su régimen de giro. El parámetro normalizado de esta magnitud es la
velocidad media del pistón:
Cm = 2 ⋅ S ⋅ n [m/s]

Las magnitudes normalizadas anteriores se relacionan entre sí mediante la siguiente expresión:

2 Ne pme ⋅ Cm ⋅ i
N e = pme ⋅ Vt ⋅ n ⋅ i = pme ⋅ z ⋅ Ap ⋅ ⋅ S ⋅ n ⋅ i ⇒ =
2 z ⋅ Ap 2

Comentarios:
• En la Tabla 1 se muestran las características de dos motores diferentes.
Motor A Motor B
D [mm] 90,9 79,5
S [mm] 88,4 95,5
Z [-] 4 4
Ne máx. [kW] 106 81
n de Ne máx. [rpm] 5 400 4 000

Los parámetros normalizados para estos motores se muestran en la Tabla 2.

Motor A Motor B
Ne_específica [kW/m2] 4083,46 4079,44
Cm [m/s] 15,912 12,733
pme [bar] 10,27 12,82


Comentarios:
• Analizando el régimen de giro máximo y fijándose en la relación carrera diámetro, se puede
decir que el motor A es un MEP (régimen elevado y motor ligeramente supercuadrado),
mientras que el B es un MEC (régimen bajo y motor alargado).

Motor A Motor B
D [mm] 90,9 79,5
S [mm] 88,4 95,5
n de Ne máx. [rpm] 5 400 4 000

• Fijándose en los valores de pme, se concluye que el motor A es atmosférico y el B
sobrealimentado (en un MEC atmosférico los valores típicos de pme están por debajo de 10
bar).
Motor A Motor B
pme [bar] 10,27 12,82


Comentarios:
• Al observar los parámetros normalizados se constata que ambos motores tienen una potencia
específica equivalente. Pero la manera de conseguirla es muy distinta: el motor A (MEP) la
consigue gracias a una Cm más elevada, mientras que el motor B (MEC) la consigue con una
pme más grande (por ser sobrealimentado) y una Cm moderada. Esto es una peculiaridad
típica de cada uno de estos tipos de motores.

Ne pme ⋅ Cm ⋅ i
N e _ específica = =
z ⋅ Ap 2


Ejemplo 2.2 Comparación de motores muy dispares
En la tabla se presentan las características principales de 3 motores extremadamente distintos.
El primero de ellos corresponde a un motor de dos tiempos de ciclomotor, el segundo a un
motor de un vehículo de automoción de alta gama (4T) y el tercero a un enorme motor marino.

Motor 1 Motor 2 Motor 3
Tipo [-] 2T 4T 2T
z [-] 1 8 14
D [mm] 40 89 965
S [mm] 40 80 2 489
Vt [L] 0,05 3,98 25 486
Ne máx. [kW] 7,5 210 81 200
n de Ne máx. [rpm] 10 000 5 800 102
Ne /Vt [kW/L] 149,2 52,7 3,2

Se desea hacer una comparación adecuada de estos motores utilizando los principales
parámetros normalizados. Comente el resultado que se obtiene.


Ejemplo 2.2 Comparación de motores muy dispares / Cont…
Principales parámetros normalizados.

pme [bar] 8,95 10,91 18,74
Cm [m/s] 13,33 15,47 8,46
Ne_específica [kW/m2] 5 968,3 4 219,5 7 930,2
S /D [-] 1 0,90 2,58
Comentarios:
Presión media efectiva. Se observa un valor notablemente superior para el motor marino con
respecto a los demás casos. La razón principal es la fuerte sobrealimentación que se utiliza
habitualmente en este tipo de motores para sacarles provecho.
En el caso del motor de ciclomotor (2T) su pme está claramente por debajo del motor de 4T.
Esto, en el punto de potencia máxima, se debe a la imperfección del proceso de barrido, que
no es capaz de efectuar una adecuada renovación de la carga en el cilindro.



pme [bar] 8,95 10,91 18,74
Cm [m/s] 13,33 15,47 8,46
S /D [-] 1 0,90 2,58
Comentarios:
Velocidad media de pistón. El valor de este parámetro está estrechamente relacionado con la
durabilidad del motor. Esta es la razón principal que explica el valor tan conservador que se
observa en el motor marino. En efecto, la esperanza de vida de un motor marino es del orden
de 40 años, mientras que un motor de automoción se diseña para una duración mucho más
limitada. Según este razonamiento puede sorprender que el motor de ciclomotor tenga un
valor de Cm menor que el motor de automóvil, y ello se debe a que la velocidad de giro en los
motores de 2T atmosféricos está muy limitada por la dificultad que entraña la renovación de
la carga efectuada por medio del barrido.



pme [bar] 8,95 10,91 18,74
Cm [m/s] 13,33 15,47 8,46
S /D [-] 1 0,90 2,58
Comentarios:
Potencia específica. Al analizar este parámetro no se ha de olvidar que un motor de 2T tiene
(teóricamente) el doble de potencia que el equivalente de 4T, puesto que el de 2T en una
sola vuelta ya ha completado un ciclo, mientras que el de 4T necesita realizar 2 vueltas para
completarlo. Por esta razón el valor de la potencia específica del motor marino es
extraordinariamente grande y el ciclomotor, a pesar de tener un motor tan poco
“competitivo” (baja pme y Cm), supera en potencia específica al motor de automóvil.

Ne pme ⋅ Cm ⋅ i
N e _ específica = =
z ⋅ Ap 2



pme [bar] 8,95 10,91 18,74
Cm [m/s] 13,33 15,47 8,46
S /D [-] 1 0,90 2,58
Comentarios:
Relación carrera / diámetro. Este parámetro es indicativo del “estilo” de motor. Cuanto mayor
es este parámetro, más lento es el motor y mayor rendimiento tiene (porque la cámara de
combustión queda más compacta). Puede observarse que el motor marino tiene un valor de
S/D elevadísimo, lo que le permite alcanzar niveles de rendimiento muy elevados. Se trata de
un motor muy alargado. El motor de ciclomotor, en cambio, es un motor cuadrado (S/D = 1),
valor bastante típico en los MEP. Finalmente el motor de automóvil es supercuadrado (la
carrera es más pequeña que el diámetro), lo que es frecuente en motores de elevadas
presentaciones, puesto que de esta manera el motor dispone de más espacio para alojar las
válvulas de admisión y escape, mejorando así la renovación de la carga a elevado régimen de
giro.

Ejemplo 2.3 Comparación de dos combustibles distintos
Un motor de autobús urbano que habitualmente funcionaba con diesel se hace funcionar ahora
con biodiesel. La comparativa entre el funcionamiento del motor con uno y otro combustible en
un punto característico de operación, así como las principales propiedades de ambos
combustibles, se muestra en la siguiente tabla.

Diesel Biodiesel
Hc [kJ/kg] 43 000 36 800
Fe [-] 1/14,5 1/12,5
gef [g/kWh] 208 241

El dueño de la empresa está muy disgustado con el cambio, pues el vehículo consume ahora
más combustible. ¿Tiene razón el dueño, o le falta considerar algo en su razonamiento?
Si en el punto de operación para el que se ha mostrado el consumo específico se sabe que el
motor entrega 150 kW cuando opera con diesel, efectúese una estimación de cuánta potencia
entregará con biodiesel.


Ejemplo 2.3 Comparación de dos combustibles distintos / Cont…
Solución:
Como se están comparando dos combustibles esencialmente distintos (ya que tanto el poder calorífico como el dosado
estequiométrico son diferentes), la comparación se debe efectuar con cautela. No es justo comparar el consumo específico,
puesto que la energía liberada por unidad de masa de combustible es distinta. La comparación más justa es mirar el
rendimiento. Para ello se transforma el consumo específico en rendimiento térmico mediante la siguiente expresión:
Ne 1
ηe = •
=
m f ⋅ Hc g ef ⋅ H c
Con ello se obtiene un rendimiento del 40,3% para el diesel y del 40,6% para el biodiesel. Se observa que, aunque el
consumo de combustible sea mayor con biodiesel (lo cual es normal, puesto que se tiene menor cantidad de energía
liberada por unidad de masa), el rendimiento del motor es mayor, con lo que el motor está funcionando mejor.

Para estimar la potencia del motor al operar con biodiesel, se hace la hipótesis de que el dosado relativo de funcionamiento
es el mismo (de esta manera se está en condiciones comparables). El gasto másico de diesel consumido por el motor es:
•
• Q comb Ne
mf = = = 0,00867 [kg/s]
Hc ηe ⋅ H c
El gasto de aire, considerando un dosado relativo Fr, es:
•
•
mf 0,1257
ma = = [kg/s]
Fe ⋅ Fr Fr


Ejemplo 2.3 Comparación de dos combustibles distintos / Cont…
Solución:
Para el caso del biodiesel, se considera que la cantidad de aire es la misma que en el caso del diesel. La cantidad de
combustible que en este caso se consumirá es:
• •
m f = m a ⋅ Fe ⋅ Fr = 0,01 [kg/s]
que, obviamente, es mayor que en el caso del diesel. Finalmente, la potencia que se espera obtener en el motor será:

• •
N e = Q comb ⋅η e = m f ⋅ H c ⋅η e = 150,2 [kW]

es decir, un 0,12% mayor que cuando se utilizaba diesel. Se concluye que el motor tiene un mejor rendimiento al utilizar
biodisel (0,85% más), si bien el consumo de combustible es superior (un 16% más, debido a su más bajo poder calorífico).
Por otro lado, a igualdad de condiciones (mismo dosado relativo), el motor entrega un poco más potencia (0,12% más).


Ejemplo 2.4 Comparación de curvas características
En la figura se presentan las curvas de par y de potencia de 4 motores de vehículos comerciales
que se desean comparar: VW TDI 150 CV, Honda CBR 600 F, Opel Omega 2,5 TD y Audi A8 4,2 L.
Háganse las transformaciones necesarias para efectuar dicha comparación y coméntese el
resultado obtenido.


Ejemplo 2.4 Comparación de curvas características / Cont…
Curvas normalizadas. Comentarios:
• Los valores representados están mucho más acotados en
comparación con los parámetros originales.
• Se observa claramente que los motores Diesel tienen valores
máximos de Cm inferiores a los que se utilizan en los de
gasolina. Esto tiene doble explicación: en primer lugar es
porque los motores Diesel se diseñan para que duren más, y
en segundo lugar porque ambos motores Diesel son
sobrealimentados, y los motores sobrealimentados suelen
tener una velocidad media de pistón más reducida que los
atmosféricos, pues son capaces de mantener un nivel superior
de potencia efectiva gracias a una presión media efectiva más
elevada.
• Las curvas de par normalizado (presión media efectiva) están muy agrupadas, salvo en el caso del motor VW TDI de 150
CV. Esto es un indicador de que este motor posee un grado de sobrealimentación muy elevado. De igual manera se
advierte que el motor Opel 2.5 TD tiene una sobrealimentación muy moderada: su nivel de par normalizado se encuentra
en valores equivalentes a los motores de encendido provocado atmosféricos. No obstante, como suele ser típico en los
motores sobrealimentados, se advierte un valor de par normalizado más grande a regímenes bajos (velocidades media
de pistón bajas) con respecto a los motores atmosféricas.

• En las curvas de potencia normalizada (potencia específica) se observa algo similar que en la anterior: todos los casos
están bastante agrupados salvo el motor VW TDI de 150 CV. Este motor alcanza valores de potencia específica máxima
similares al del motor de la CBR 600 F pero con una velocidad media de pistón máxima bastante menor.


Mcia 02 características de operación

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