UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

EXPERIENCIA 3: ESTUDIO DE LAS PERDIDAS MECANICAS EN LOS

MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

EXPERIMENTO DIRIGIDO POR: DR. LUIS LASTRA ESPINOZA

MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA – MN 136 E

UNIDAD EJECUTORA: GRUPO 1

ALATA TRIVEÑO, Erick Moisés

ARROYO CONDOR, Jean Marco

CASTRO ESCOBAR, José Enrique

CHANCATUMA HUAMAN, Jesús Eusebio

FLORES NARVAEZ, Jorge

LIJARZA TORRES, Mackinder

SOCA QUISPE, Jonathan

20101077C

20102678K

20062557C

20127027C

20101114F

20100184K

20100142F

FECHA DE REALIZACIÓN: 02 DE ABRIL DEL 2014.

FECHA DE ENTREGA: 09 DE ABRIL DEL 2014.

1

RESUMEN TECNICO

Las actividades del presente informe se realizaron el día 02 de Abril en el Laboratorio

del Instituto de Motores de Combustión Interna (IMCI) de la Universidad Nacional de

Ingeniería en horas de la tarde: 1pm – 4 pm.

El grupo comenzó con una demostración de la utilización del banco de pruebas del

Motor Daihatsu CB-20 (motor encendido por chispa), realizada por el Dr. Luis Lastra

Espinoza. Se comprobó el estado del banco de ensayos y del motor (sin arrancarlo),

inmediatamente después se arrancó el motor.

La primera instrucción fue regular la válvula mariposa a un 𝜑 = 40°, una vez fijada la

mariposa, regulamos en el tablero de control una velocidad de 1400 rpm y comenzamos

con la desconexión de cada cilindro del motor (bujía). Luego se procedió a medir la

fuerza registrada en el dinamómetro, para así calcular los momentos y potencias

efectivos correspondientes.

La segunda instrucción fue variar la velocidad del tablero de control a 1600, 1800, 2200

y 2400 rpm, luego se procedió a desconectar los cilindros (circuito de la bujía) del motor.

Luego se registraron las fuerzas indicadas en el dinamómetro.

Realizando los cálculos respectivos obtuvimos las perdidas mecánicas y la eficiencia

mecánica. Interpretándolas a través de la construcción de las curvas de Ne, Ni, Nm, 𝜂𝑚

vs RPM.

Se obtuvo en promedio para los diferentes regímenes de velocidad una eficiencia

mecánica de 35.5 %.

2

INTRODUCCION

Por perdidas mecánicas se entiende las pérdidas originadas por la fricción de las piezas,

el intercambio de gases, el accionamiento de mecanismos auxiliares (bombas de agua,

de aceite, de combustible, ventilador, generador) y el accionamiento del compresor

(soplador).

Por analogía a la presión media indicada, cuando se estudia las perdidas mecánicas,

convencionalmente se introduce el concepto de presión media de perdidas mecánicas,

la cual numéricamente igual al trabajo específico de pérdidas mecánicas en un ciclo.

Las mayores pérdidas mecánicas se deben a perdidas por fricción, que constituyen

hasta un 80% del total. La mayor parte de las perdidas por fricción corresponde a las

piezas del grupo cilindro – embolo y anillos (del 45 al 55% en total de las perdidas

internas).

Las pérdidas por fricción en los cojinetes constituyen aproximadamente el 20% del total

de las perdidas mecánicas.

3

OBJETIVOS

1) Impartir conocimientos sobre las metodologías de determinación de las perdidas

mecánicas en los motores de combustión interna.

2) Estudia la influencia sobre la magnitud de las perdidas mecánicas según el

régimen de velocidad del motor (velocidad de rotación del cigüeñal).

4

FUNDAMENTO TEÓRICO

1. Pérdidas mecánicas

Para iguales condiciones de funcionamiento del motor a diferentes cargas y regímenes

de velocidad, en caso de reducir las pérdidas mecánicas, decrece la cantidad de calor

transmitida al medio refrigerante y disminuye la intensidad de las piezas friccionantes

del motor. Siendo menores las pérdidas por fricción disminuyen las pérdidas de potencia

consumida para accionar la bomba de aceite y el ventilador, así como menguan las

dimensiones máximas y las masas del ventilador y las masas del radiador. Cuanto

menores sean las pérdidas por fricción tanto menor será el desgaste de las principales

piezas friccionantes, será mayor la vida útil y menor el número de fallas del motor

durante su servicio.

A pesar del considerable proceso alcanzado en la fabricación de motores, los valores

de Nm (potencia mecánica) son relativamente pequeños en el régimen nominal

generalmente no superiores de 0,75-0,80 Nmax. Al disminuir la carga el valor de Nm.

decrece.

La magnitud de las pérdidas por fricción puede ser obtenida por la suma de las perdidas

mecánicas como en el desplazamiento relativo de los pistones y anillos en los cilindros,

de los bulones en los casquillos, de los cigüeñales y el árbol de levas en los cojinetes,

del taqué y las válvulas en las guías, también en las bombas de aceite, la bomba del

líquido refrigerante, cadena de distribución etc.

1.2 Importancia

Para aumentar el rendimiento efectivo se trabaja bien mejorando los procesos

termodinámicos del ciclo de trabajo y con ello incrementar el trabajo indicado, o

incrementando el rendimiento mecánico, es decir, reduciendo las pérdidas entre el

trabajo que transfieren los gases al pistón y el trabajo mecánico disponible en el eje de

salida.

5

1.3 La potencia efectiva (Ne)

La potencia efectiva es generada por un par (aplicada a la biela y transmitida al cigüeñal)

y se conoce también como potencia al freno ya que se mide empleando un dispositivo

frenante, que aplicado al eje del motor, se opone al par motor permitiendo leer su valor.

1.4 La potencia de perdidas mecánicas

Resulta difícil de medir dada la diversidad de las causas de las pérdidas por rozamiento

y las alteraciones de su valor al variar las condiciones de funcionamiento. Puede

obtenerse su valor total midiendo la potencia efectiva y restando de la indicada. Como

en este procedimiento resulta complejo la determinación de la potencia absorbida suele

acercarse obligando a girar al motor sin que este funcione. Midiendo al propio tiempo la

potencia que es necesario emplear.

NeNiNm

Por perdidas mecánicas se entiende las pérdidas originadas por la fricción entre las

piezas del motor, el intercambio de gases, el accionamiento de mecanismos auxiliares

(bombas de agua, de aceite, de combustible, ventilador, generador) y el accionamiento

del compresor (soplador). En los motores Diesel con cámaras de combustión separadas,

las perdidas mecánicas se deben también a las perdidas gasodinámicas ocurridas al

pasar la mezcla a través del canal que comunica la cámara auxiliar con la cámara

principal del motor.

Por analogía a la presión media indicada, cuando se estudia las pérdidas mecánicas,

convencionalmente, se introduce el concepto de presión media de pérdidas mecánicas,

la cual numéricamente es igual al trabajo específico de pérdidas en un ciclo.

Matemáticamente la presión media de perdidas mecánicas se representa mediante la

siguiente expresión:

Pm = Pfr + Pi.g + Paux + Pvent + Pcomp

Donde:

9550

nMeNe

6

Pfr : Presión media de perdidas mecánicas por fricción.

Pi.g : Presión media de perdidas mecánicas por intercambio de gases.

Paux : Presión media de perdidas mecánicas por accionamiento de mecanismos

auxiliares.

Pvent : Presión media de perdidas mecánicas por ventilación.

Pcomp : Presión media de perdidas mecánicas por accionamiento del compresor para

el caso de motores con sobrealimentación mecánica.

Las mayores pérdidas mecánicas se deben a las pérdidas por fricción Pfr, que

constituyen hasta un 80% del total. La mayor parte de las perdidas por fricción

corresponde a las piezas del grupo cilindro - embolo y anillos (del 45% al 55% en total

de las perdidas internas). Las pérdidas por fricción en los cojinetes constituyen

aproximadamente el 20% del total de las perdidas mecánicas.

1.5 Métodos para hallar las pérdidas mecánicas

La determinación de las pérdidas mecánicas se puede efectuar por los siguientes

métodos:

1) Método de desaceleración libre

2) Método lineal de William

3) Método Morse o Método de desconexión de cilindros

4) Método por diagrama Indicado.

5) Método por arrastre

En el desarrollo de la experiencia, utilizamos el método de desconexión de cilindros.

1.6 Método por desconexión de cilindros

Este método consiste en la desactivación sucesiva de cada cilindro. Cuando se

desactiva cada cilindro se va a producir modificaciones de las presiones y temperaturas.

Por ejemplo si tuviéramos un motor de 4 cilindros, para hallar las pérdidas mecánicas

tendríamos la siguiente relación:

7

Donde:

∑𝑁𝑒′: es la suma de potencias del motor al eliminar la combustión sucesivamente en

los diferentes cilindros.

𝑁𝑒: es la potencia efectiva con todos los cilindros activos.

𝑁𝑝𝑚: es la pérdida mecánica total del motor.

En el cálculo se está incluyendo la pérdida por bombeo.

Sin combustión en el cilindro 1 𝑁𝑒𝐼 = 𝑁𝑒2 +𝑁𝑒3 + 𝑁𝑒4 − 𝑁𝑝𝑚1

Sin combustión en el cilindro 2 𝑁𝑒𝐼𝐼 = 𝑁𝑒1 + 𝑁𝑒3 +𝑁𝑒4 −𝑁𝑝𝑚2

Sin combustión en el cilindro 3 𝑁𝑒𝐼𝐼𝐼 = 𝑁𝑒1 +𝑁𝑒2 + 𝑁𝑒4 − 𝑁𝑝𝑚3

Sin combustión en el cilindro 4 𝑁𝑒𝐼𝑉 = 𝑁𝑒1 +𝑁𝑒2 + 𝑁𝑒3 −𝑁𝑝𝑚4

Sumando ∑𝑁

𝑒

′

= 3(𝑁𝑒1 +𝑁𝑒2 + 𝑁𝑒3 +𝑁𝑒4)

−∑𝑁𝑝𝑚

Finalmente tenemos: ∑𝑁

𝑒

′

= 3 ∗ 𝑁𝑒 − 𝑁𝑝𝑚

8

INSTRUMENTOS Y EQUIPOS UTILIZADOS

01 Banco de pruebas DAIHATSU

01 Dinamómetro

9

Posicionador de la válvula mariposa

Desconector del circuito de cada cilindro

10

Tablero de control eléctrico

Implementos de seguridad.

11

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Mediciones a realizar:

1) Número de revoluciones por minuto del cigüeñal.

2) Fuerza en el dinamómetro; para n cilindros funcionando, para n-1 cilindros n-2

cilindros, n-3 cilindros, etc. Tantos como cilindros tenga el motor.

Secuencia:

1) Arrancar el motor y esperar que la temperatura de la salida del agua sea 70°C.

2) Llevar las revoluciones a 1400 rpm y medir la fuerza en el dinamómetro.

3) Desconectar el cilindro n°1 (bujía) y medir la fuerza en el dinamómetro.

4) Volver a repetir el paso 3, desconectando los cilindros n°2 y n°3 respectivamente.

5) Repetir los pasos 1, 2, 3 para velocidades de 1600, 1800, 2200 y 2400 rpm.

12

Una vez realizados los pasos antes mencionados, se obtuvieron los siguientes

resultados:

n

(RPM)

FD

(kgf)

FD-1

(kgf)

FD-2

(kgf)

FD-3

(kgf)

1400 20.6 12.8 13 13

1600 20.4 12.8 12.6 12

1800 19.7 12.2 12.6 12

2200 19 11.3 11.5 11.4

2400 18.5 10 10.3 10.2

13

FORMULAS UTILIZADAS

El método que se usara para evaluar las pérdidas mecánicas es el de desconexión de

cilindros.

𝑁𝑒 =𝑀𝑒𝑥𝑛

9550=𝐹𝑒. 𝐿. 𝑛

9550

Desconectamos el primer cilindro:

𝑁𝑒−1 =𝐹𝑒−1. 𝐿. 𝑛

9550

𝑁𝑖1 = 𝑁𝑒 −𝑁𝑒−1 =(𝐹𝑒 − 𝐹𝑒−1). 𝐿. 𝑛

9550

Desconectando el segundo y tercer cilindro obtenemos:

𝑁𝑖2 = 𝑁𝑒 −𝑁𝑒−2 =(𝐹𝑒 − 𝐹𝑒−2). 𝐿. 𝑛

9550

𝑁𝑖3 = 𝑁𝑒 −𝑁𝑒−3 =(𝐹𝑒 − 𝐹𝑒−3). 𝐿. 𝑛

9550

𝑁𝑖 = 𝑁𝑖1 +𝑁𝑖2 +𝑁𝑖3

Potencia de pérdidas mecánicas:

𝑁𝑚 = 𝑁𝑖 − 𝑁𝑒

Eficiencia mecánica:

𝑛𝑚 =𝑁𝑒

𝑁𝑖

RESULTADOS OBTENIDOS

Aplicando las formulas respectivas, para los datos obtenidos en el laboratorio:

n

(RPM)

FD

(kgf)

FD-1

(kgf)

FD-2

(kgf)

FD-3

(kgf)

1400 20.6 12.8 13 13

1600 20.4 12.8 12.6 12

1800 19.7 12.2 12.6 12

2200 19 11.3 11.5 11.4

2400 18.5 10 10.3 10.2

Calculamos el momento efectivo y las potencias efectivas:

Me

(N.m)

Ne

(KW)

Ne-1

(KW)

Ne-2

(KW)

Ne-3

(KW)

65.274 9.569 0.60609 0.61556 0.61556

64.640 10.830 0.69267 0.68185 0.64938

62.422 11.765 0.74273 0.76708 0.73055

60.204 13.869 0.84081 0.85570 0.84826

58.620 14.732 0.81173 0.83608 0.82796

Calculamos las potencias indicadas, perdidas mecánicas y la eficiencia mecánica:

Ni1

(KW)

Ni2

(KW)

Ni3

(KW)

Ni

(KW)

Nm

(KW)

ef mec

(%)

8.96284 8.95337 8.95337 26.86958 17.30065 35.613

10.13707 10.14790 10.18036 30.46533 19.63559 35.548

11.02267 10.99832 11.03485 33.05585 21.29044 35.593

13.02816 13.01328 13.02072 39.06217 25.19319 35.505

13.91991 13.89556 13.90368 41.71915 26.98751 35.311

15

Se construyeron las siguientes curvas:

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

40.00

45.00

1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600

Ni,

Ne,

Nm

RPM

Ni, Ne, Nm vs RPM

Ni vs RPM

Ne vs RPM

Nm vs RPM

Polinómica (Ni vs RPM)

Polinómica (Ne vs RPM)

Polinómica (Nm vs RPM)

y = -4E-07x2 + 0.0014x + 34.475

33.000

33.500

34.000

34.500

35.000

35.500

36.000

1000 1500 2000 2500 3000

Efic

ien

cia

mec

anic

a

RPM

Eficiencia mecanica vs RPM

Eficiencia mecanica vs RPM

Polinómica (Eficienciamecanica vs RPM)

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CONCLUSIONES Y COMENTARIOS

1. La potencia por pérdidas mecánicas va en aumento con la velocidad, debido al

incremento de la fricción, a la disminución de la viscosidad del aceite lubricante

y al aumento de las pérdidas por intercambio de gases (las cuales también

aumentan con las RPM del motor debido a que la presión al final de la admisión

es cada vez menor).

2. Si se reducen las pérdidas mecánicas se aprovechará mejor la potencia del

motor y en particular reducir las pérdidas por fricción reduce el desgaste de las

principales piezas frotantes y por ello se incrementa la vida útil del motor.

3. Se observa que la fuerza en el dinamómetro disminuye conforme aumentamos

las RPM del cigüeñal; esto se debe a que conforme las RPM son elevadas es

menor el impacto de la inercia.

4. Para disminuir las perdidas mecánicas por rozamiento se deben utilizar aceites

lubricantes multigrados; los cuales son recomendables para cualquier

temperatura, ya que su viscosidad no cambia con el aumento o disminución de

ésta, también mejorando el accionamiento de los elementos auxiliares como

accionar el ventilador solo cuando se necesite enfriar el motor.

5. La eficiencia mecánica disminuye conforme aumentamos las RPM, formando

una curva cóncava hacia debajo de acuerdo a la tendencia teórica, la mayor

eficiencia mecánica obtenida en nuestro ensayo fue de 35.6%.

6. Debido al tiempo de uso y los desgastes internos, las potencias efectivas e

indicadas al desconectar los cilindros varían ligeramente, ya que si el motor

estuviera nuevo estos valores serian iguales.

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OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES

1. Mientras íbamos incrementando las RPM del motor, empezó a sobrecalentarse

más de lo debido, y esto empezó a generar errores en las lecturas del tablero

eléctrico, motivo por el cual los datos para 2400 RPM, fueron tabulados por el

Dr. Luis Lastra Espinoza.

2. El motor DAIHATSU debe llevarse a mantenimiento inmediato.

3. Se recomienda verificar siempre el valor de temperatura del refrigerante.

4. Se recomienda que la variación de los parámetros de control sea gradual, a fin

de que las otras variables tengan un comportamiento similar y se pueda observar

mejor su desarrollo en la experiencia evitando los cambios bruscos.

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BIBLIOGRAFIA

1. Motores de automóvil – Jovaj M.S.

2. Motores de combustión interna – Obert E.F.

3. Motores de combustión interna – Lukanin V. N.

4. Experimentación y cálculo de motores de combustión interna – Luis Lastra,

Guillermo Lira, Andres Valderrama, Elizabet Vera, Fidel Amesquita.

5. Motores Diesel – Boulanger P.

6. Manual del automóvil – Arias Paz.