ENSAYO DE M.C.I. ALTERNATIVOS.
CURVAS CARACTERÍSTICAS
INTRODUCCIÓN
Todos los motores de nueva construcción son sometidos
a una larga serie de mediciones alternadas con severas pruebas de
durabilidad y de carga, que se repiten hasta que tras una precisa puesta a
punto, se alcanzan los resultados previstos en el proyecto.
Las pruebas principales son las que sirven para obtener
los valores relativos al par motor, la presión media efectiva, la
potencia desarrollada, el consumo específico de combustible, los
diferentes rendimientos así como la composición de los gases de escape.
Objeto:
Conocer las técnicas de ensayo de los m otores
alternativos. Determinar la variación de distintos parámetros de
funcionamiento del motor al variar sus condiciones operativas.
Material:
- Motor térmico alternativo
- Banco de pruebas con la instrumentación
correspondiente. Sistema de refrigeración y ventilación.
Fundamento teórico:
Los frenos dinamométricos son los encargados de crear
un par resistente que es el que proporciona la "carga" al motor.
Esta carga ha de ser variable para ensayar distintas condiciones
operativas del motor.
Se han desarrollado varios tipos de frenos basados en
distintos principios. Los más difundidos son:
- Frenos de fricción
- Frenos hidráulicos
- Frenos eléctricos
- de corriente continua
- de corriente alterna
- de corrientes de Foucault.
El banco de ensayo dispone de un freno hidráulico de
tipo Froude. Los frenos hidráulicos son adecuados para mediciones de
potencia de la mayor parte de los M.C.I. Se componen de un rotor que gira
accionado por el eje del motor y un estator o carcasa fija al sistema de
medida de fuerza. Entre el rotor y el estator hay una cantidad variable de
agua.
En el freno Froude que es el más comúnmente usado,
carcasa y rotor están provistos de cavidades y álabes oportunamente
conformados, que imparten al agua un movimiento turbulento, que transforma
en calor el trabajo mecánico desarrollado por el motor. Las variaciones
de carga se consiguen variando la cantidad de agua en el interior del
freno.
La resistencia que el agua opone a la rotación del
rotor reacciona sobre el estator produciendo un par resistente igual al
par motor.
FASES DE DESARROLLO DE LA PRACTICA.
- Explicación de los distintos tipos de frenos
dinamométricos y de las curvas características de los motores térmicos
alternativos.
- Utilización y manejo de los instrumentos de medida.
- Toma de datos en un banco de ensayo para distintos
regímenes de giro del motor.
- Cálculo de los distintos parámetros.
- Representación gráfica de los resultados obtenidos.
TIPOS DE ENSAYOS.
Existen dos tipos de ensayos de los motores de
combustión interna: ensayos de investigación y desarrollo y ensayos de
producción.
Los primeros se efectúan en naves especialmente equipadas
(celdas de ensayos), siendo su objetivo el desarrollo de un motor o de
alguno de sus componentes, o bien el análisis de alguno de los procesos
que tienen lugar en el mismo, por lo que en general se precisa una
instrumentación sofisticada.
Las principales pruebas experimentales son aquellas que
sirven para determinar los valores de:
- par motor.
- potencia.
- presión media efectiva.
- potencia absorbida por rozamiento.
- consumo de combustible.
- rendimientos.
- etc.
También se efectúan otras pruebas con el objeto de
investigar el desarrollo de los fenómenos físicos y químicos, determinando
por ejemplo:
- evolución de las presiones en el cilindro.
- composición de los gases de escape.
- pérdidas de calor.
- etc.
Todos los motores de nuevo proyecto (prototipos) son
sometidos a una larga serie de pruebas experimentales, hasta alcanzar las
presiones previstas.
Los ensayos de producción son aquellos que se realizan a
los motores ya fabricados en serie, y que sirven para controlar que sus
características corresponden a las de los prototipos y al mismo tiempo
efectuar un periodo de rodaje o asentamiento del motor. Por tanto la
instrumentación necesaria es relativamente simple.
BANCO DE PRUEBAS.
Para ensayar un motor es necesario instalarlo en un banco
de pruebas o de ensayos. Este consta básicamente de los siguientes elementos:
1º ) Una cimentación que absorba las vibraciones que
se producen debido a la existencia en el motor de fuerzas de inercia no
equilibradas y de los correspondientes momentos resultantes.
2º ) Bancada, cuya misión es soportar el motor.
3º ) Soportes para montar y fijar el motor en la
bancada, así como regular la altura y alinear el motor con el freno.
4º ) Freno dinamométrico que absorba la potencia
desarrollada por el motor, ofreciendo una resistencia al giro de éste, y que
esté provisto de un dispositivo para medir el par motor.
5º ) Transmisión que permita la conexión freno-motor
con una cierta elasticidad y capacidad de absorber desalineaciones.
6º ) Sistema de alimentación de combustible al motor
con instrumentos de medición de consumo.
7º ) Sistema de refrigeración del motor:
- Si los motores son refrigerados por agua, normalmente
se mantiene la bomba de agua del propio motor. Esta impulsa el agua a
través del motor hacia un cambiador de calor (agua/agua o aire/aire), en
general con regulación termostática por medio de válvulas motorizadas.
En instalaciones más económicas se suele recurrir a un depósito de
mezcla en donde se añade una pequeña cantidad de agua fría a la
caliente, que proviene del motor.
- Si los motores son refrigerados por aire se suele
utilizar una soplante dirigida hacia las aletas del motor.
8º ) Sistema de refrigeración de aceite.
En ocasiones también se refrigera el aceite del motor, ya
que al no existir una corriente de aire al cárter, éste tiende a
sobrecalentarse. El sistema consta de un intercambiador aceite/agua y en
ocasiones una bomba auxiliar.
9º ) Red de agua.
Los frenos dinamométricos transforman toda la energía
mecánica que reciben del motor en calor. Este calor es eliminado por el
sistema de refrigeración del freno que suele ser mediante un abastecimiento
continuo de agua.
En los frenos hidráulicos se ha de mantener la presión
del agua dentro de unos límites, ya que por ser el agua el elemento frenante,
cualquier variación de presión provocaría una variación en el par
resistente y por tanto una variación en la medida
El agua se calienta a su paso por el freno y en algunos
casos se suele emplear un circuito cerrado, enfriándose el agua en una torre
de refrigeración.
10º ) Sistema de evacuación de los gases de escape.
Los gases de escape son enviados tras pasar por un
silenciador a la atmósfera.
11º ) Sistema de ventilación de la sala. Debe evitar
el sobrecalentamiento del local por la radiación de calor del motor. Se
efectúa mediante ventiladores axiales o centrífugos de impulsión y
extracción.
Cuando el banco se instala en una habitación o cámara
cerrada y aislada se habla de una celda o cabina de ensayo de motores. En este
caso existe un pupitre de instrumentos en el exterior de la celda con los
órganos de puesta en marcha y de gobierno del motor y freno, así como los
instrumentos de control y registro.
MEDICIÓN DE LA POTENCIA EFECTIVA DEL MOTOR.
Cuando un motor en funcionamiento mueve algún conjunto de
elementos mecánicos que ofrecen una resistencia a su propio movimiento, el
trabajo lo realiza contra dicha resistencia (carga resistente) que, por tanto,
hace el efecto de freno del motor.
La potencia efectiva de un motor es:
Me : par motor (par disponible en el eje motor)
x velocidad angular
Siendo el par motor proporcional a la magnitud de la carga
resistente aplicada al motor (generador eléctrico, unidad propulsora de
un buque, etc.). La naturaleza física de la carga no tiene influencia
sobre la producción de potencia siendo
esta la misma si el par resistente es el mismo para la misma velocidad de
giro del motor.
El par motor se mide acoplando al motor un dispositivo
frenante cuya característica resistente se puede variar (variar la carga
resistente), pudiéndose obtener, si medimos el régimen de giro del motor, la
potencia correspondiente desarrollada por el mismo. Este dispositivo frenante
se denomina freno dinamométrico, y consta básicamente de una parte móvil
(rotor), una fija (estator) y un dispositivo de medida de fuerza. El rotor del
freno está acoplado al árbol de salida del motor. El par motor se transmite
desde el rotor al estator generalmente por medio de un fluido o de un campo
magnético. Al poseer el estator un montaje basculante, que permite que gire
sobre su propio eje, aquél intentaría girar en el mismo sentido que el
rotor. Un brazo unido al estator, que posee un punto de apoyo a una distancia
del eje de giro, impide este giro, dando lugar a la aparición de una fuerza F
en dicho punto. Este punto de apoyo actúa sobre el dispositivo de medida de
fuerza. Por lo tanto el par resistente que ofrece el freno dinamométrico
será:
TIPOS DE FRENOS DINAMOMÉTRICOS.
Frenos de fricción.
El freno de fricción mecánico por zapata y tambor fue el
primero utilizado, llamado "Freno de Prony", si bien debido a su
inestabilidad y dificultad de regulación y refrigeración, hoy es sólo
un antecedente histórico.
Frenos hidráulicos.
El freno hidráulico es similar a un convertidor
hidráulico de par, en el que se impidiese girar al eje de salida . Se
compone de un rotor y una carcasa o estator llena de agua que sirve tanto
de elemento frenante como refrigerante.
La potencia del motor absorbida por el freno se transforma
en calor, necesitándose una alimentación continua de agua fría. Para
una temperatura de entrada al freno de 200 C y una salida de 600 C se
necesita por kW frenado, un caudal de 20 dm3 /h aproximadamente. Para
evitar el deterioro del freno la temperatura del agua a la salida no debe
sobrepasar en general los 600 C.
De los diversos frenos dinamométricos hidráulicos que se
han desarrollado vamos a ver dos tipos constructivos:
- Rotor interior
- Rotor exterior
así como dos tipos de regulación:
- Por compuertas
- Por nivel de líquido
La figura 2 representa un freno hidráulico tipo Froude en
el que el rotor gira en el interior del estator, siendo este el caso más
frecuente.
Tanto el rotor como el estator están provistos de una
serie de alvéolos o cavidades, que tienen forma de elipsoide. Los del
estator están enfrentados a los del rotor.
Durante el funcionamiento, el agua de los alvéolos del
rotor es expulsada a gran velocidad por la acción de la fuerza
centrífuga introduciéndose en los alvéolos del estator por el perímetro
externo. Estos últimos poseen una forma tal que hace que el agua retorne
a los del rotor a menor velocidad por la parte más próxima al eje de
rotación.
De esta forma la trayectoria del agua es helicoidal,
produciendo el torbellino de este movimiento un efecto de frenado entre el
rotor y el estator, como consecuencia del rozamiento entre las superficies
del freno y el agua existente en su interior. La resistencia que el agua
opone al giro del rotor reacciona sobre el estator , produciendo un par
igual al par motor.
Determinados modelos de los frenos hidráulicos Schenck
tienen las partes móviles dispuestas exteriormente al estator, el cual
está montado en forma basculante y unido al sistema de medida de fuerza.
Esta disposición permite añadir un freno de fricción sobre la cara
exterior del rotor para aumentar el par de frenado a bajo régimen.
La regulación de la carga resistente se puede efectuar
interponiendo unas compuertas en el espacio entre los alvéolos del
estator y del rotor. Accionando un volante exterior al estator se
aproximan o alejan del eje de rotación las dos compuertas haciendo
inactivo a los efectos de frenado un número menor o mayor de cavidades.
En la regulación por nivel de líquido, al girar el rotor
el agua que hay dentro del freno sufre la acción de las fuerzas
centrífugas formando un anillo, cuyo espesor se puede regular
estrangulando la salida o la entrada de agua.
El par de frenado de los frenos dinamométricos
hidráulicos es aproximadamente proporcional al cuadrado del número de
revoluciones (curva característica de respuesta aproximadamente cuadrática), lo que
les hace muy estables,
Las ventajas de este tipo de freno son:
- Bajo costo para potencias absorbidas importantes.
- Gran duración.
- Reparación rápida y poco costosa.
Como inconvenientes podemos citar:
- Poca versatilidad de las curvas de par resistente.
- Par de frenado fuertemente dependiente de la presión de
la red hidráulica, lo que puede producir inestabilidad.
Estas consideraciones hacen que el freno hidráulico sea
el más utilizado en producción y en ensayos de resistencia.
Frenos eléctricos.
Para determinar la potencia efectiva se pueden utilizar
generadores de corriente eléctrica. Así por ejemplo si se acopla un
motor térmico a una dinamo conectada a una resistencia eléctrica, la
potencia del motor se utilizará en accionarla. Esta potencia se puede
determinar midiendo con un voltímetro y un amperímetro la potencia
eléctrica suministrada por la dinamo. En este método debe tenerse en
cuenta, que existirán perdidas por rozamiento, por efecto del aire y
pérdidas eléctricas dependientes de la carga en el generador por lo que
la medida no es muy precisa. Esto hace que sea mucho más común medir la
potencia del motor indirectamente a través del par motor.
Frenos de corriente continua.
Igual que en los frenos hidráulicos, el estator posee un
montaje basculante y está unido a un sistema de medida de fuerza. El par
motor se transmite del rotor (inducido) al estator (inductor en anillo)
por medio del campo magnético.
La regulación de la carga, cuando las variaciones no son
demasiado grandes, puede ser hecha variando la excitación de la dinamo
con un reóstato. Haciendo crecer la reacción electromagnética entre el
rotor y el estator, efecto que trasmite el par del rotor al estator,
aumenta la carga resistente y viceversa. La corriente producida puede ser
disipada en forma de calor en unas resistencias eléctricas.
Ahora bien, una ventaja de este tipo de freno es que la
energía eléctrica generada durante el ensayo puede aprovecharse de
alguna forma útil ya que la potencia del motor no se pierde como energía
degrada en un sistema de refrigeración. Así podría llevarse a la red,
aunque esto solamente se hace cuando el tiempo de trabajo es lo
suficientemente grande como para amortizar los costes de acoplamiento.
En este último caso la dinamo-freno se conecta a un grupo
constituido por un motor de corriente continua unido a un alternador
asimismo trifásico acoplado a la red, y un motor de corriente alterna que
acciona las dinamos excitatrices que suministran la corriente de
extracción para el motor c.c. y la dinamo-freno.
La regulación de la excitación de las dos máquinas de
corriente continua puede efectuarse por medio de reóstatos: uno varía la
excitación del motor y ,por tanto la tensión de los extremos del
inducido de la dinamo-freno, el otro varía la excitación de la
dinamo-freno.
La energía eléctrica desarrollada por la dinamo-freno es
enviada al motor de c.c. del grupo, arrastrando al alternador asíncrono.
Se recupera, por tanto, bajo forma de energía eléctrica trifásica la
energía mecánica suministrada por el motor térmico.
Este tipo de dinamo-freno presenta la gran ventaja de
poder ser usado también como motor eléctrico y puede servir no sólo
como arrancador del motor, sino también como medio para arrastrarlo, una
vez suprimido el encendido y medir directamente la potencia necesaria para
vencer los rozamientos. En este caso el alternador actúa como asíncrono
accionando un generador de c.c. /anteriormente motor c.c.) que alimenta a
la dinamo-freno, que ahora actúa como motor .
Actualmente el grupo motor c.c.-alternador se sustituye por
sistemas electrónicos de potencia.
CURVAS CARACTERISTÍCAS DE UN MOTOR TÉRMICO ALTERNATIVO.
Curvas características de grado de carga constante.
Para la obtención en el banco de ensayos de las curvas
características de grado de carga constante, se fija el elemento regulador de
carga del motor (cremallera de los M E C y válvula de mariposa en los M E P)
en la posición que se desee ensayar, y actuando sobre la regulación de la
carga resistente del freno se barre escalonadamente todo el campo de
regímenes admisible.
Curvas de potencia y par.
Las curvas más características en el ensayo de un motor
son las de potencia y par a plena carga. Estas curvas se obtienen ensayando el
motor en las condiciones de máxima apertura del elemento regulador de carga
del motor.
Los regímenes de giro y los valores de los puntos A y B
dependen de infinidad de características y parámetros del motor y tienen
un campo de variación muy amplio para diferentes motores. En la mayoría
de los motores Diesel (excepto los extrarrápidos) el punto B no llega a
alcanzarse dentro del rango de regímenes de giro permisible, por actuar
antes el regulador de máxima de la bomba de inyección.
En ocasiones se completa el ensayo de un motor obteniendo
curvas de potencia y par a cargas parciales.
Potencia corregida.
El estado atmosférico de referencia para la
determinación de la potencia de un motor viene fijado por cada Norma.
En condiciones de prueba diferentes a las del estado de
referencia en motores de aspiración natural, debe multiplicarse la
potencia medida del motor por el factor de corrección k que indique la
Norma.
En España se utiliza la norma UNE 10-050 que se
corresponde con la Norma Internacional ISO 2534 (74) y DIN 70020.
Curva de presión media efectiva.
Obsérvese que la forma de estas curvas es igual a las de
par motor.
Curvas de consumo específico.
Estas curvas representan el consumo específico de
combustible () para un determinado grado de carga en función del régimen
de giro, y dan una idea del rendimiento del motor.
Práctica Virtual
Existe la posibilidad de trabajar sobre una simulación
informática del comportamiento de éste equipo, de forma que el alumno
pueda "jugar" con el equipo sin limitaciones, pudiendo modificar
parámetros que no se podrían variar sobre el equipo real de laboratorio.
No es necesario ceñirse a una sola unidad de prácticas. Enlace al Laboratorio
Virtual.
Este software está diseñado para obtener el máximo
provecho al trabajo práctico en los estudios técnicos, y proporciona tanto
ayuda en línea como información adicional para que el alumno pueda
relacionar más estrechamente la teoría y la práctica. |
