UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
ANÁLISIS TEÓRICO Y PRÁCTICO DE LA MODIFICACIÓN DEL
PISTÓN, EN UN BANCO DE PRUEBAS PARA LA
REPOTENCIACIÓN DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN
INTERNA A GASOLINA.
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
MARIO ANDRÉS ZAMBRANO SANDOVAL
DIRECTOR DE TESIS: ING JUAN CARLOS LUCERO
AGRADECIMIENTO
Agradezco a mis padres por haberme apoyado en mis estudios y por haberme dado el ejemplo de constancia y dedicación.
A mi familia por haberme acompañado en cada momento de mi vida. A mis profesores por haberme enseñado lo que yo soy.
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL BIBLIOTECA UNIVERSITARIA
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1722530845
APELLIDO Y NOMBRES: ZAMBRANO SANDOVAL MARIO ANDRES
DIRECCIÓN: CDLA. NUEVA AURORA CALLE FENICIO
ANGULO S8-48 Y CARLOS ESPIN
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 022975413
TELÉFONO MOVIL: 0995342543
DATOS DE LA OBRA TITULO:
ANÁLISIS TEÓRICO Y PRÁCTICO DE LA MODIFICACIÓN DEL PISTÓN, EN UN
BANCO DE PRUEBAS PARA LA REPOTENCIACIÓN DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA A GASOLINA.
AUTOR O AUTORES:
MARIO ANDRES ZAMBRANO SANDOVAL FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN: 26/05/2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN: ING. JUAN CARLOS LUCERO
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO TITULO POR EL QUE OPTA: INGENIERO AUTOMOTRIZ
RESUMEN: Mínimo 250 palabras El presente proyecto se ha desarrollado para demostrar las mejoras que un pistón puede llegar a tener a través de un estudio teórico y práctico para la repotenciación de un motor de combustión interna a gasolina. Por una parte, se determinó que el presente trabajo fue necesario debido a que involucra temas profundos de ingeniería los cuales son el diseño, estudio y la ejecución de distintos proyectos. Por otro lado, se realizó un
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estudio profundo del pistón, de cómo se construye y como se mejoran sus prestaciones, adicional a esto se analizó las fuerzas involucradas en el accionamiento del mecanismo biela-manivela. Una vez recopilada dicha información se utilizó una motocicleta para un estudio detallado, con el fin de convertirlo en un banco de pruebas el que sirvió para poder realizar distintos ensayos. La principal característica del banco de pruebas es que posee un motor de configuración mono cilíndrica que facilitó su manipulación para los distintos ensayos. Los ensayos fueron evaluados y comparados con los cálculos efectuados, para la determinación de los datos resultantes se utilizó un banco dinamométrico de fabricación artesanal, con este dispositivo se obtuvo datos cercanos a los reales, los cuales fueron obtenidos con voltajes y amperajes posteriormente convertidos a potencia y revoluciones. Esta investigación reveló que la mejor opción de modificación fue el pistón de alta compresión alivianado, así como también se analizó el procedimiento de modificación de los pistones estándar, obteniendo los resultados en la variación de potencia del motor del banco de pruebas. Con todos los resultados obtenidos se analizó y comparó los datos obtenidos en el dinamómetro, esto determinó los fundamentos finales del trabajo, dicha búsqueda ayudó a completar los objetivos planteados originalmente para el presente documento.
PALABRAS CLAVES:
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL BIBLIOTECA UNIVERSITARIA
práctico, banco de pruebas, dinamómetro, cálculos, potencia, torque,
alivianado, alta compresión.
ABSTRACT:
i
INDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ... x
ABSTRACT ... xi
1. INTRODUCCIÓN ... 1
1.1 OBJETIVO GENERAL ... 1
1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS ... 2
2. MARCO TEÓRICO ... 3
2.1 MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ... 3
2.1.1 PARTES DEL MOTOR ... 4
2.2 ANTECEDENTES DE REPOTENCIACIÓN... 5
2.3 REPOTENCIACIÓN DEL MOTOR ... 6
2.3.1 ELEMENTOS PERMISIBLES DE REPOTENCIACIÓN ... 7
2.4 PISTÓN ... 8
2.4.1 FUNCIÓN DEL PISTÓN ... 9
ii
2.4.2.1 Presente y futuro ... 11
2.4.3 CARACTERÍSTICAS DEL PISTÓN ... 11
2.4.4 PARTES DEL PISTÓN ... 12
2.4.5 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN ... 14
2.4.5.1 Pistones de hierro colado ... 15
2.4.5.2 Pistones de aluminio ... 15
2.4.5.3 Pistones de acero de baja aleación ... 15
2.4.6 REQUERIMIENTOS DE PISTONES ... 16
2.5 MODIFICACIONES DEL PISTÓN ... 18
2.5.1 PISTONES MEJORADOS ESTANDAR ... 18
2.5.1.1 Modificaciones de reducción del peso de los pistones ... 18
2.5.1.2 Recortes en la falda de los pistones ... 19
2.5.1.3 Recortes internos de la cabeza ... 20
2.5.2 RELACIÓN DE COMPRESIÓN EN DEPENDENCIA DE PISTONES ... 21
2.5.3 LUBRICACIÓN DE LOS PISTONES ... 23
2.6 ESTUDIO MATEMÁTICO DEL MOTOR ... 24
2.6.1 RELACIÓN DE COMPRESIÓN (RC) ... 25
2.6.2 RELACIÓN CARRERA DEL PISTÓN VS DIÁMETRO DEL PISTÓN ... 27
2.6.3 PAR MOTOR O TORQUE ... 28
2.6.4 POTENCIA DEL MOTOR ... 29
2.6.5 MEDICIÓN PAR/MOTOR Y POTENCIA ... 30
2.6.6 CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTIBLE ... 31
2.6.7 DETERMINACIÓN POTENCIA EN BASE A EFICIENCIA ... 32
iii
3. METODOLOGÍA ... 35
3.1 MÉTODOS ... 35
3.1.1 MÉTODO ANALÍTICO ... 35
3.1.2 MÉTODO EXPERIMENTAL ... 36
3.2 PROCEDIMIENTO A REALIZAR ... 36
3.2.1 ESTUDIO ... 36
3.2.2 DISEÑO ... 37
3.2.3 EJECUCIÓN ... 37
3.2.4 ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 37
3.3 MAQUINAS Y EQUIPOS ... 38
3.4 HERRAMIENTAS ... 38
3.5 MATERIALES ... 38
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 40
4.1 SELECCIÓN DEL MOTOR ... 41
4.1.1 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL MOTOR ... 42
4.1.2 DATOS INICIALES DEL MOTOR ... 43
4.1.2.1 Peso del pistón ... 43
4.1.2.2 Compresión en el cilindro ... 44
4.1.3 EVALUACIÓN DEL PISTÓN ... 45
4.2 CÁLCULO PREVIO A LA MODIFICACIÓN ... 45
iv
4.3 TRABAJO PRÁCTICO ... 48
4.3.1 CONSTRUCCIÓN DE BANCO DE PRUEBAS ... 48
4.3.2 PRUEBA DE DINAMÓMETRO 1 ... 51
4.3.3 DESMONTAJE ... 53
4.3.4 REGLAJE DEL MOTOR ... 54
4.3.4.1 Medición de cabezote y limpieza ... 55
4.3.5 TRABAJOS REALIZADOS ... 57
4.3.5.1 Pistón original aligerado ... 57
4.3.5.2 Pistón de alta compresión ... 61
4.3.5.3 Pistón de alta compresión aligerado y súper lubricado ... 62
4.3.6 MONTAJE ... 64
4.3.7 PRUEBAS DE DINAMÓMETRO ... 64
4.3.7.1 Pistón original aligerado y lubricado. ... 65
4.3.7.2 Pistón de alta compresión ... 68
4.3.7.3 Pistón de alta compresión aligerado y súper lubricado ... 71
4.3.7.4 Comparación final de todas las curvas ... 75
4.4 CÁLCULOS DESPUÉS DEL TRABAJO REALIZADO ... 77
4.4.1 RENDIMIENTO TÉRMICO ... 78
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 81
5.1 CONCLUSIONES ... 81
5.2 RECOMENDACIONES ... 83
v BIBLIOGRAFÍA ... 86
vi
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Valoración de motores...41
Tabla 2. Motor Shineray xy Indianápolis...42
Tabla 3. Prueba dinamométrica...50
Tabla 4. Datos de la primera prueba de dinamómetro...52
Tabla 5. Prueba pistón original aligerado 1………... 65
Tabla 6. Prueba original pistón aligerado 2...65
Tabla 7. Prueba original pistón aligerado 3...66
Tabla 8. Prueba original pistón aligerado promedio...66
Tabla 9. Resultados con pistón de alta compresión 1...68
Tabla 10. Resultados con pistón de alta compresión 2...69
Tabla 11. Resultados con pistón de alta compresión 3...69
Tabla 12. Resultados con pistón de alta compresión promedio...70
Tabla 13. Prueba de pistón de alta compresión aligerado 1... 72
Tabla 14. Prueba de pistón de alta compresión aligerado 2... 72
Tabla 15. Prueba de pistón de alta compresión aligerado 3...73
Tabla 16. Prueba de pistón de alta compresión aligerado promedio...73
vii
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Motor a combustión interna... 4
Figura 2. Partes de un motor de motocicleta... 5
Figura 3. Diferentes tipos de pistones... 8
Figura 4. Pistón de aluminio... 10
Figura 5. Pistón de cerámica...11
Figura 6. Partes del pistón...13
Figura 7. Pistón de hierro colado... 15
Figura 8. Pistón de acero de baja aleación ... 16
Figura 9. Pistón fundido... 17
Figura 10. Pistón Wiseco... 17
Figura 11. Dos pistones, antes y después... 19
Figura 12. Pistón recortado en la falda... 20
Figura 13. Aligeramiento del pistón... 21
Figura 14. Pistón en la sección del eje del bulón... 21
Figura 15. Pistón forjado... 22
Figura 16. Pistones de baja, media y alta compresión... 22
Figura 17. Relación de compresión modificando pistones ... 23
Figura 18. Lubricación de los pistones del motor... 24
Figura 19. Motor de combustión interna, vista de las partes... 25
Figura 20. Relación de compresión... 26
Figura 21. Tipos de motores... 27
Figura 22. Representación del par motor... 29
Figura 23. Características de curvas del motor...30
Figura 24. Curvas características del motor ... 32
Figura 25. Motor seleccionado...43
Figura 26. Pesado de pistón original ...44
viii
Figura 28. Pistón original...45
Figura 29. Banco de pruebas... 49
Figura 30. Banco de pruebas montado en dinamómetro... 50
Figura 31. Prueba de dinamómetro, previa a cualquier trabajo………... 52
Figura 32. Grafica de potencia del motor original...53
Figura 33. Desmontaje del motor... 54
Figura 34. Estado del pistón... 54
Figura 35. Medición de superficie plana...55
Figura 36. Llenado con jeringuilla la cámara de compresión…………... 56
Figura 37. Calculo de volumen inicial en cámara de combustión ... 56
Figura 38. Pistón limpio ...58
Figura 39. Peso original ...58
Figura 40. Recortado de la falda del pistón ...59
Figura 41. Diseño de perforaciones del pistón... 59
Figura 42. Falda del pistón señalada para ser perforada... 60
Figura 43. perforaciones en la falda (mecanizado)... 60
Figura 44. Pesado de pistón original al máximo en peso y lubricación… 61 Figura 45. Pistón de alta compresión ... 61
Figura 46. Diseño de pistón aligerado/súper lubricado... 62
Figura 47. Diseño de pistón aligerado/súper lubricado... 63
Figura 48. Pistón alivianado... 63
Figura 49. Montaje de motor... 64
Figura 50. Prueba de pistón súper lubricado y aligerado...67
Figura 51. Comparación pistón súper lubricado vs original... 68
Figura 52. Promedio de pruebas con pistón de alta compresión…….... 70
Figura 53. Pistón de alta compresión vs original...71
Figura 54. Promedio aligerado alta compresión... 74
Figura 55. Pistón de alta compresión vs Original... 74
ix
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA Anexo 1.
Plano base de Motocicleta... 89 Anexo 2.
Plano base de Motocicleta... 90 Anexo 3.
Guía de despiece motor del banco de pruebas... 91 Anexo 4.
Guía de funcionamiento dinamometo... 92 Anexo 5.
x
RESUMEN
xi
ABSTRACT
1
1. INTRODUCCIÓN
Muchos de los técnicos automotrices se han especializado de manera empírica en la repotenciación de motores y con el paso del tiempo, esta especialización se ha convertido una rama importante del estudio y aplicación de la ingeniería de motores de combustión interna. Por lo tanto, por medio de cálculos se han logrado mejores resultados de potencia y torque. Este tipo de procedimiento se lo conoce como trucaje de motores, en la cual se involucra una parte teórica y una parte práctica.
Es evidente que para realizar un análisis es necesario tener conocimiento tanto teórico como práctico para verificar el funcionamiento adecuado del sistema biela manivela del motor y de las partes que se van a manipular dentro de este procedimiento. La eficiencia de este análisis teórico se lo comprobará en la práctica realizando ensayos en un banco de pruebas.
Por otro lado, se realizarán cálculos y análisis de operación de los sistemas del motor, este banco podrá ser colocado en el dinamómetro de la Universidad Tecnológica Equinoccial y así verificar si se cumplió el objetivo.
El presente trabajo aportará un análisis teórico y práctico sobre la repotenciación de un motor de combustión interna, modificando únicamente el pistón, además, esto será necesario ya que permitirá tener un mejor desempeño del motor, y que sea de utilidad para prácticas y estudios pre- profesionales.
1.1 OBJETIVO GENERAL
2
1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Analizar teóricamente las modificaciones más viables en el pistón para la repotenciación de un motor de combustión interna a gasolina.
Realizar las modificaciones del pistón obtenidas en el análisis teórico para la repotenciación de un motor de combustión interna a gasolina.
3
2. MARCO TEÓRICO
La repotenciación de motores ha sido por mucho tiempo una tendencia de muchos ingenieros y fabricantes, debido a que pretende mejorar el desempeño de una máquina, de motor o de un vehículo para conseguir mayores prestaciones de torque, velocidad, entre otras.
En el presente capítulo se recopila información teórica de motores, partes, y funciones y como se puede mejorar un pistón.
2.1 MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
Se denomina así al motor que transforma energía térmica en energía mecánica mediante la combustión entre la mezcla de aire y carburante la cual se quema en el interior generando así un trabajo mecánico (Sanz, 2011). El ciclo de funcionamiento se aprecia en la figura 1, en la misma que se puede determinar de igual manera las partes que constituyen el motor, este ciclo fue desarrollado por el alemán Nicolaus Otto.syj
4 Figura 1. Motor a combustión interna
(Holdem, 2015)
Gracias a las mejoras en la tecnología, estos motores hoy en día cuentan con modernos y complejos sistemas de inyección electrónica, los mismos que permiten economizar notablemente el consumo de combustible y brindad de igual manera un manejo de gases contaminantes lo más ecológico posible. (Álvarez, 2010)
2.1.1 PARTES DEL MOTOR
Las partes de un motor moderno a combustión interna son las siguientes, figura 2:
• Balancín de válvula o propulsores
• Tapa de válvulas.
• Pasaje de admisión o ducto de admisión
• Culata de cilindros o cabezote.
• Bloque de motor.
• Carter de motor.
5
• Bujía de encendido.
• Pasaje de escape o ducto de escape.
• Pistón.
• Biela.
• Cigüeñal (Álvarez, 2010).
Figura 2. Partes de un motor de motocicleta (Carreras R, 1999)
2.2 ANTECEDENTES DE REPOTENCIACIÓN
La repotenciación de motores, es un procedimiento que involucra el mejoramiento de una infinidad de sistemas como: por ejemplo: aligerar materiales, busca mejoras en materiales y optimiza el desempeño de los componentes originales. (Crouse W. H., 1992)
6 principios del siglo XX, en Francia, Alemania e Inglaterra, entre otros (Álvarez, 2010)
Dicho lo anterior, el presente trabajo cuenta un extenso material de apoyo. En donde, se analizará y estudiará la potencia del motor y como las pequeñas modificaciones en el pistón pueden mejorar el desempeño de todo el motor.
2.3 REPOTENCIACIÓN DEL MOTOR
La repotenciación del motor tiene como finalidad lograr obtener una mayor potencia y torque del motor. No obstante, existen motores que permiten con cierta facilidad el aumento de las prestaciones de la máquina, ya sea cambiando algún elemento o sistema.
La repotenciación de motores consiste en re fabricar, mediante la utilización de cálculos específicos, y estudios profundos de los sistemas del motor con el fin de brindar un máximo rendimiento, en cuanto a torque y potencia. Tomando en cuenta, de no sobrepasar los límites de resistencia de materiales, con el propósito para evitar posibles desgastes y rupturas de las piezas modificada. (Sanz, 2011)
En la mayoría de las veces la repotenciación se realiza en motores cuya mecánica no es tan compleja. Existen varios métodos para lograr que los motores proporcionen mayores potencias, por ejemplo:
• Aumentar la relación de compresión.
• Aumentar la presión media efectiva.
• Aumentar la cilindrada.
• Aumentar el régimen de giro.
7 2.3.1 ELEMENTOS PERMISIBLES DE REPOTENCIACIÓN
Las partes permisibles de repotenciación son bastantes extensas, ya que estas son susceptibles al cambio y se hallan en el motor. No obstante, cuando la repotenciación se produce en su máxima expresión, el mínimo cambio de una parte podría afectar una gran parte de los sistemas restantes.
Por lo tanto, a continuación, se detalla cómo se puede mejorar cada elemento y con qué finalidad.
• Rectificado del volante y el cigüeñal, para reducir el peso de los elementos y mejorar considerablemente las revoluciones finales.
• Los filtros de aire, para poder mejorar la admisión de aire y hacer que la misma tenga menos restricción.
• La comprensión, para mejorar la combustión y mejorar el rendimiento térmico del mismo.
• Tubos de escape, para aumentar la velocidad de salida de los gases.
• Las válvulas y la distribución, aumentando el tiempo de admisión y con esto el llenado de los gases.
• La Inyección o carburación, brindando mayor cantidad de combustible y con esto mejorando el ciclo de combustión.
• Múltiples de admisión, para aumentar la eficiencia flujometrica del motor.
• Cilindros aumentados, para incrementar la potencia total del motor en conjunto con pistones de mayor dimensión.
• Modificaciones en el encendido, para generar múltiple descarga el momento del encendido, con esto se logra una mejor combustión.
• Sobrealimentación de motores, dando potencia adicional al motor, gracias al llenado en la cámara de combustión de una manera forzada. (Crouse W. , 1993)
8 asegurar el estado y permitirá que el vehículo aproveche las mejoras del motor (Gillieri, 2008).
2.4 PISTÓN
El pistón es uno de los elementos más importante del motor de combustión interna, se encarga de recibir la combustión por medio de la mezcla de aire y gasolina y esta mezcla al combustionarse realiza el movimiento del pistón y mediante la biela se transmite el trabajo al cigüeñal y de esta manera a todas las partes móviles. (Hermógenes, 2006)
En la figura 3, se aprecian los distintos tipos de pistones, mismos que son utilizados en distintos motores.
Figura 3. Pistón (Motorgiga, 2011).
9 2.4.1 FUNCIÓN DEL PISTÓN
El pistón recibe de manera directa la presión producida por la combustión de los gases y además transmite la fuerza a la biela a través del bulón. Por otra parte, el pistón debe cumplir otras funciones:
• Mantiene estanqueidad de los gases impidiendo que pasen al cárter mientras se desplaza el pistón y evitar que el aceite pase a la cámara de combustión.
• Transmite el exceso de calor que recibe durante la combustión a las paredes del cilindro para finalmente ser evacuado al sistema de refrigeración (Sanz, 2011).
2.4.2 HISTORIA Y EVOLUCIÓN
La creación y evolución del pistón es de gran importancia para la historia del motor. En donde la mayor parte se basa en materiales y métodos utilizados para la producción y dimensión hoy en día han sido usados por alrededor de más de un siglo.
En la década de 1950, la mayoría de los motores utilizaba algún tipo de hierro fundido o pistón de acero. Estos motores antiguos contenían un material duradero de bajo costo, pero pesado.
10 No obstante, los motores antiguos solían usar espaciadas ranuras en los aros, debido a la presión de los cilindros inferiores, además, debido al tipo de material utilizado, e incluso por que el peso bajo del pistón no era tan importante en ese momento (Oppenheim, 2013).
Los pistones de aluminio aparecieron a inicios de la década de 1950. Existen ciertas razones en las cuales se determinó la gran importancia de la utilización del aluminio en el mercado automotriz, más conocido como la materia estratégica durante el periodo de la guerra de Estados Unidos. Esto provocó que ciertos motores de rendimiento superior en revoluciones tuvieron que ser conformados con pistones de hierro y acero.
Los pistones de aleación de aluminio son más ligeros que los pistones fabricados por hierro y acero. Además, de que ofrecen una mejor disipación de calor con el fin de facilitar las relaciones de compresión más altas. En la figura 4 se observa un pistón de aluminio (Oppenheim, 2013).
Figura 4. Pistón de aluminio (APR Mahle, 2016).
11 2.4.2.1 Presente y futuro
Los materiales más utilizados son: el grafito, la cerámica y el carburo de silicio estos siguen siendo utilizados en la ingeniería moderna del pistón. En la figura 5 se diferencia un pistón de cerámica.
Figura 5. Pistón de cerámica (Truck trend, 2016).
Estos materiales están compuestos a base de algún tipo de carbono; casi parecido al de los diamantes. Esto ayudará asegurar que la energía del combustible moverá el automóvil más que el calentamiento de los pistones (Oppenheim, 2013).
2.4.3 CARACTERÍSTICAS DEL PISTÓN
El pistón es una pieza metálica de tronco cónico. Está compuesto por las siguientes partes: cabeza del pistón, zona de segmentos, alojamiento del bulón y falda.
12 Con lo anteriormente dicho, el pistón es un embolo que se ajusta en el interior de las paredes del cilindro con la ayuda de aros flexibles comúnmente llamados anillos o segmentos.
Este efectúa un movimiento alternativo, de esa manera obliga que el fluido ocupado en el cilindro modifique su volumen y presión. Transformando en movimiento el cambio de presión y volumen del fluido.
Las siguientes son las características que debe reunir:
• Capacidad de soportar distintas condiciones extremas las cuales se ven expuestos.
• Debe ser ligero para que no transmita excesivas inercias que llegaran a aumentar las vibraciones del motor.
• Capacidad de dotar de perfecta estanqueidad al cilindro con el fin de evitar una eventual fuga de gases.
Por otra parte, los pistones suelen soportar elevadas temperaturas y presiones, e incluso elevadas velocidades y aceleraciones. A consecuencia de esto se escogen aleaciones que posean un peso específico bajo de esa manera para disminuir la energía cinética que se genera en los desplazamientos. Además, de que soportan esfuerzos producidos por velocidades y dilataciones (GERSCHLER, 2008)
2.4.4 PARTES DEL PISTÓN
13 Figura 6. Partes del pistón.
(Crouse W. , 1993)
Cabeza del pistón (1): La cabeza es la parte superior del pistón. Este deberá poseer una alta resistencia mecánica y buena conductividad térmica. El espesor debe estar en función de la cantidad del calor que deberá evacuar y la presión máxima que debe soportar. La cabeza puede tomar distintas formas, ya sea plana o abombada hacia dentro o hacia afuera esto contribuye dar una forma adecuada a la cámara de combustión.
Zona de segmentos (2): La zona de segmentos contiene alojamientos en donde se sitúan los segmentos dos de comprensión y uno de rascador. En donde la caja del segmento rascador agrega unos orificios que comunican con el interior del pistón. Este tiene la finalidad de evacuar el aceite y engrasar el bulón. E incluso los alojamientos están en constancia sometidos al golpeteo por el movimiento alternativo del pistón produciendo desgastes (Sanz, 2011) Alojamiento del bulón (3): esta es la zona más reforzada del pistón. Ya que está encargada de transmitir el esfuerzo de la biela. La misma está formada por cubos en donde se aloja el bulón, reforzados por nervios que se apoyan contra la cabeza del pistón. Este está situado en la gravedad del pistón y a veces descentra su eje entre 0,5 y 2 mm (Sanz, 2011).
14 2.4.5 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
El pistón deberá estar diseñado de manera que permita una correcta propagación del calor, con el fin de evitar altas tensiones moleculares provocadas por altas temperaturas en las diferentes capas del material. Por el contrario, si llegara a tener una mala distribución del calor esto ocasionaría dilataciones desiguales en diferentes partes del pistón provocando roturas. Por lo tanto, es común la utilización de cabezas de acero fundido en motores de gran potencia de esa manera se mantiene el cuerpo cilíndrico de hierro fundido. (Santiago., 2011)
Para la construcción del pistón se empleará la fundición de grano fino, pero cuando es necesario fabricarlo en dos o más partes se usará el fondo de acero fundido con el fin de que resistan las tensiones producidas por el calor. Existe gran variedad de materiales para la construcción de pistones, como, por ejemplo:
• Aleación de acero y aleación de aluminio.
• Hierro fundido.
• Aleación de níquel y hierro fundido.
• Aleación de níquel y hierro fundido.
En donde, utilizan aleación de hierro en un 64%, níquel en 36%, con una cierta cantidad de carbono y cromo. El coeficiente de dilatación de esta combinación es prácticamente nulo.
15 2.4.5.1 Pistones de hierro colado
Los pistones de hierro colado logran desgastarse menos, pueden utilizarse con menos holgura debido a que se expanden menos que los de aluminio, un claro ejemplo en la figura 7.
Figura 7. Pistón de hierro colado (Paras, 2008)
2.4.5.2 Pistones de aluminio
Los pistones de aluminio son más ligeros, tienen un alto coeficiente de transmisión de temperatura. Por lo tanto, requieren menos agua de refrigeración que los émbolos de fundición.
2.4.5.3 Pistones de acero de baja aleación
16 Por lo tanto, es recomendable en aleaciones livianas porque permítela utilización de espacios desfavorables menor en los pistones. (GERSCHLER, 2008)
En la figura 8, a continuación, se aprecia una comparación entre los pistones de acero y de aluminio.
Figura 8. Pistón de acero de baja aleación (Motorgiga, 2011)
2.4.6 REQUERIMIENTOS DE PISTONES
Para la fabricación de pistones estos deberán cumplir ciertos requisitos ya que los mismos trabajarán en duras condiciones.
• Ligereza.
• Constitución robusta.
• Buenas cualidades de deslizamiento.
• Bajo coeficiente de dilatación.
• Buena conductividad térmica. (Stefano Gillieri)
No obstante, en la fabricación se emplearán de manera generalizada aleaciones de aluminio y silicio. Para lo cual se le agregan pequeñas cantidades de cobre y níquel. Ya que estos materiales poseen buena
Acero de baja
17 conductividad térmica, es ligero y resistente. Por otro lado, para su construcción se emplean dos métodos que son: fundido o forjado.
Los pistones fundidos son mecanizados, sometidos a un tratamiento de templado con el fin de mejorar sus cualidades de dureza y resistencia al posible desgaste. En la figura 9 se aprecian pistones fundidos listos para ser maquinados.
Figura 9. Pistón fundido (Uchenna, 2016)
Por otra parte, los pistones forjados solo se utilizan en motores de alto rendimiento por sus cualidades de durabilidad y resistencia. Ya que el forjado moldea la forma del pistón sin la necesidad de que exista una rotura en la estructura, este procedimiento elimina la porosidad en el metal. Para lo cual estos pistones podrán soportan mayor esfuerzo que el pistón fundido ya que estos son más ligeros y resistentes a ralladuras (Sanz, 2011). En la figura 10 se puede determinar un pistón forjado.
18
2.5 MODIFICACIONES DEL PISTÓN
El pistón original cuenta con distintas ventajas y desventajas, las principales se pueden determinar como el peso del mismo y la baja relación de compresión, esto se debe a que principalmente los motores de fábrica cuentan con un diseño que permite que no consuman demasiado combustible y que sus mantenimientos sean económicos, es por esto que a continuación se analizan los distintos trabajos que se pueden realizar en un pistón. (Piovaroli, 2016)
2.5.1 PISTONES MEJORADOS ESTANDAR
Los pistones mejorados estándar de cada tipo de motor, permiten bajos ciertos parámetros mejorar sus condiciones y de esa forma lograr una mayor potencia del motor, con la ayuda de los siguientes procedimientos que se detallaran a continuación. (Fullmecanica, 2016)
2.5.1.1 Modificaciones de reducción del peso de los pistones
Suponiendo que es una misma cilindrada, para lograr aumentar la potencia será necesario aumentar el régimen de giro del motor. Por lo tanto, será necesario aligerar las masas que están en constante movimiento con el fin de cumplir las exigencias del ciclo y para eso una de las masas comprometidas a eso es el pistón.
19
• Recortes de la falda de los pistones.
• Recortes internos de la cabeza.
Estas variaciones podrían mejorar las características del funcionamiento del mismo.
2.5.1.2 Recortes en la falda de los pistones
Los recortes en la falda del pistón consisten en reducir el material de la zona de la falda, con el fin de reducir el peso y de esa manera disminuir la superficie de fricción con las paredes del cilindro. En la figura 11, se aprecia un pistón antes de ser reducida la falda del mismo y de igual manera después del trabajo.
Figura 11. Antes y después de haber trabajado en su falda para aligerarlo (Hermógenes, 2006).
20 Figura 12. Pistón recortado en la falda
(Hermógenes, 2006).
Las operaciones realizadas con este tipo de recortado serán ejecutadas por la previa confección en una plantilla, que se efectúa con cartulina, en donde, se dibuja la zona correspondiente, además, se agregan los orificios de engrase para que todos los pistones dispongan de estos taladros exactamente en el mismo lugar relativo de su superficie.
Durante el proceso de recorte de las faldas se controlará el peso del pistón resultante con frecuentes pesajes. Incuso, se usará una balanza de precisión, con el fin de detectar las mínimas diferencias de medio gramo. (Hermógenes, 2006).
2.5.1.3 Recortes internos de la cabeza
Existe otra posibilidad de aligeramiento la cual consiste en labrar el material excedente de fundición que está en el interior de la cabeza.
21 Figura 13. Aligeramiento del pistón
(Hermógenes, 2006).
En la figura 14 se aprecia un pistón recortado el exceso de peso en la parte interna del mismo.
Figura 14. Pistón en la sección del eje del bulón (Gillieri, 2007).
El trabajo será realizado con una fresa de mano, aplicado a una herramienta fija con el fin de tener una referencia exacta del avance, esto proporciona garantía de un mismo arranque de material para todos los pistones.
2.5.2 RELACIÓN DE COMPRESIÓN EN DEPENDENCIA DE PISTONES
22 relación de compresión y con esto una notable mejora en su potencia, en la figura 15 se aprecia un pistón original al lado de un pistón de alta compresión.
Figura 15. Pistón original vs alta compresión. (Fullmecanica, 2016)
En la figura 16 se aprecian los distintos perfiles que se pueden encontrar en un mismo pistón.
Figura 16. Pistones de baja, media y alta compresión (Evolucion A competicion, 2016)
23 Además, se deberá instalar pistones más bajos que los instalados originalmente, con una cabeza más baja o de forma cóncava, con el fin de agrandar la cámara total de combustión. En la figura 17 se puede determinar los distintos tipos de pistones que existen en el mercado para un mismo motor.
Figura 17. Relación de compresión modificando pistones. (Bradley, 2008)
2.5.3 LUBRICACIÓN DE LOS PISTONES
Al momento del diseño del motor, el fabricante ha tomado en cuenta muchos aspectos, para que todas sus partes estén prestando el mejor servicio y para eso se requiere de una gran lubricación.
24 Incluso, se puede perforar los alojamientos del bulón para que se lubriquen de forma correcta, así como se podrá observar en la figura 18.
Figura 18. Lubricación de los pistones del motor. (Ken Freund, 2008)
2.6 ESTUDIO MATEMÁTICO DEL MOTOR
Para poder iniciar con el estudio matemático del motor de combustión interna, es necesario conocer términos específicos, los mismos que se abordan a continuación.
Cada parte se describe a continuación.
• Punto muerto superior (PMS): es cuando el pistón en su movimiento alternativo alcanza el punto máximo de subida.
• Punto muerto inferior (PMI): es cuando el pistón en su movimiento alternativo alcanza el punto mínimo.
• Diámetro o calibre (D): Diámetro interior del cilindro (en mm).
• Carrera (C): Distancia entre el punto muerto superior y el punto muerto inferior.
25 Como se aprecia en la figura 19, se determinan las dimensiones primarias del conjunto pistón-cilindro.
Figura 19. Motor de combustión interna, vista de las partes (Meganeboy, 2015)
2.6.1 RELACIÓN DE COMPRESIÓN (RC)
La relación de compresión es un valor a dimensional, es una referencia la misma que existe entre la suma de volúmenes (V + v) y el volumen de la cámara de combustión. En la figura 20, se aprecia el parámetro necesario para medir la relación de compresión.
•
La Rc para motores Otto (gasolina) viene a ser del orden de 8 - 11/1. Para motores sobrealimentados la relación de compresión es menor.26 Figura 20. Relación de compresión
(Crouse W. H., 1992)
Es necesario por tanto calcular de tal manera el cilindraje del motor, para poder obtener la relación de compresión, por tanto, es necesario realizar una medición de las diferentes partes del motor.
Para eso es necesario aplicar las formulas a continuación.
= × [2.1]
Donde: D: Diámetro
Con la cilindrada, se puede calcular la relación de compresión en, pero es necesario para esto se requiere de igual manera y por medio de una bureta o de una jeringuilla, con esta información se puede determinar en la siguiente formula la relación de compresión, hay que resaltar que es necesario que los volúmenes sean calculados en centímetros cúbicos.
= [2.2]
Donde:
27 2.6.2 RELACIÓN CARRERA DEL PISTÓN VS DIÁMETRO DEL PISTÓN
Actualmente se tiende a la fabricación de motores con mayor diámetro que carrera, con objeto de que al disminuir la carrera se reduzca la velocidad lineal del pistón y con ello el desgaste de los cilindros.
En la figura 21, se puede apreciar la referencia de a continuación: D>C: Motor súper cuadrado.
D=C: Motor cuadrado. D<C: Motor alargado.
Figura 21. Tipos de motores (Meganeboy, 2015)
Cuanto mayor es el diámetro, mayores en tamaño pueden ser las válvulas en la culata, estas mejoran el llenado del cilindro de gas fresco y la evacuación de los gases quemados.
Las bielas pueden ser más cortas, con lo que aumenta su rigidez. Se disminuye el rozamiento entre pistón y cilindro por ser la carrera más corta, y, por tanto, las pérdidas de potencia debidas a este rozamiento. Cigüeñal con los codos menos salientes, o sea, más rígido y de menor peso.
28
•
Se provoca un menor grado de vació en el carburador, con lo que la mezcla se pulveriza peor, y, por tanto, se desarrolla menor potencia a bajo régimen.•
Los pistones han de ser mayores y por ello más pesados.•
Menor capacidad de aceleración y reprise.2.6.3 PAR MOTOR O TORQUE
El par es el producto de la fuerza aplicada sobre el pistón y de la longitud del codo del cigüeñal.
La fuerza que actúa sobre el pistón es proporcional a la presión media efectiva durante la carrera de explosión y expansión. (pme)
El valor de esta presión media depende del grado de llenado de los cilindros y de la eficacia con que se desarrolla la combustión.
El par motor, expresado en "m.kg" multiplicado por las revoluciones a las que gira el motor como se puede apreciar en la siguiente formula.
= . [2.3]
Donde: f: fuerza d: distancia
29 Figura 22. Representación del par motor.
(Meganeboy, 2015)
Hay que determinar las siguientes relaciones para poder establecer una forma correcta del par motor:
•
1 mkg = 9,8 Nm2.6.4 POTENCIA DEL MOTOR
La potencia es una medida que determina distintos aspectos, en mecánica la potencia del motor se determina por medio de la energía química del combustible misma que se transforma en energía mecánica al empujar los pistones dentro del motor.
Es en definición es la cantidad de trabajo que se necesita en una cantidad de tiempo finita, es por esto que para determinar la potencia es importante utilizar la siguiente formula.
=!"#$%&' ( [2.4]
30 Hay que determinar las siguientes equivalencias, mismas que son importantes al momento de determinar la potencia del motor, misma que puede ser equivalente.
•
1 CV = 0,736 kW•
1 kW = 1,36 CV2.6.5 MEDICIÓN PAR/MOTOR Y POTENCIA
El valor máximo de potencia no coincide con las mismas revoluciones que el par motor, ya que, si bien, este último va en aumento a medida que lo hace el número de revoluciones, llega un momento en que, al crecer la velocidad de rotación del motor, los cilindros se llenan de menor cantidad de mezcla, como consecuencia del menor tiempo que está abierta la válvula de admisión, y, por tanto, la explosión es menor y el par va disminuyendo a partir de un cierto régimen.
En la figura 23, se puede apreciar un ejemplo de las curvas características del motor.
31 Para obtener las respectivas curvas de par motor y potencia, es necesario utilizar un dinamómetro, que en definición ayuda a calcular de una manera mecánica, la potencia de un motor.
2.6.6 CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTIBLE
Se define como la relación que existe entre la masa de combustible consumida y potencia entregada. Este valor es importante para determinar el valor de consumo en relación a las revoluciones del motor, para esto es necesario determinar que el consumo de combustible es directamente proporcional a la cantidad de aire que ingresa al motor, por tanto, a continuación, se determina con la siguiente formula,
) * =+,- . /010234535 62 10"47'8 [2.5]
Una vez calculada la cantidad de aire, es necesario calcular el peso específico del aire, esto depende mucho del lugar en donde se ha realizado la prueba, debido a que existen variaciones por la presión atmosférica.
Un litro de aire al nivel de la ciudad de Quito, a 25 grados centígrados pesa 1.18 gramos.
) * ∗ = . [2.6]
Una vez obtenido los datos del peso en gramos del aire, es necesario determinar la constante lambda del motor, misma que determina si existe o no una mezcla rica o pobre de gasolina. Es necesario determinar que la relación de estequiometria de la mezcla aire-gasolina es de 14.7 A 1 y con esta información se calcula la cantidad de combustible necesario para el numero de revoluciones respectivo.
:6'7 361 5046 %
32 Por lo tanto este peso obtenido, es apreciable de conversión a litros, como se puede analizar a continuación.
) * = = :6'7 6':6>0?0>7 36 %5'71025 62 %45&7':6'7 36 ; 10"47 %5'71025 62 % = @ A [2.8]
En la figura 24, se aprecian los distintos tipos de curvas características del motor, mismas que son obtenidas con un dinamómetro, no es posible de una manera matemática, interpretar todos los datos obtenidos, puesto a que los valores no reflejan las fuerzas adicionales que se aplican en las piezas del motor.
Figura 24. Curvas características del motor (Carreras R, 1999)
2.6.7 DETERMINACIÓN POTENCIA EN BASE A EFICIENCIA
33 La caloría es una medida de energía que se define como la cantidad de energía calorífica necesaria para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de agua pura desde 14,5ºC a 15, 5º C a una presión normal de 1 atmósfera, una de sus equivalencias es, 1 caloría / segundo = 4,188 vatios
10500$>51E ∗ * F* A F = *A . [2.9]
Si se divide por 60 para pasarlo a segundos:
*A ∗ / 60 = ∗ * . [2.10]
I 1 * = 4,188 MN
Esa sería la potencia que debería dar toda esa gasolina, esta potencia suele ser superior a la potencia práctica, pero desgraciadamente los motores son poco eficientes y aprovechan una parte muy baja de esa potencia, es por esto que se aplica el rendimiento térmico para determinar la potencia del motor, mismo tema que se estudia a continuación.
2.6.8 RENDIMIENTO TÉRMICO
Un motor de pistones, alimentado con gasolina, no es capaz de alcanzar 100% de eficiencia térmica.
Alrededor de 30% de la energía calórica que disponen, la transforman en movimiento y la otra parte la disipan (pérdida), hacia la atmósfera.
Para esto se calcula que el rendimiento térmico es:
34
Donde:
: Constante de dilatación adiabática, la tabla de esta constante se aprecia
en el anexo 5.
35
3. METODOLOGÍA
En el presente capítulo se analizó la parte sistemática del trabajo de titulación, el cual permitió realizar un enfoque de los pasos a seguir en el trabajo, se encontró los distintos métodos, técnicas y herramientas de investigación. Las cuales permitieron obtener información oportuna con el fin de alcanzar los objetivos planteados al principio del trabajo.
Incluso en este capítulo se adjuntan todos los materiales necesarios, maquinas, herramientas manuales, y equipos, que fueron usados para la creación del banco de pruebas. Además, de los diseños utilizados para las mejoras del pistón.
3.1 MÉTODOS
A continuación, se analizaron los métodos utilizados en la resolución del caso, hay que resaltar que en todos los momentos del trabajo, se utilizaron estas herramientas como elementos de importancia.
3.1.1 MÉTODO ANALÍTICO
36 3.1.2 MÉTODO EXPERIMENTAL
El método experimental consistió en obtener datos por medio de ensayos, en el presente trabajo esta información fue obtenida en un banco de pruebas, el mismo que permitió con la ayuda de un dinamómetro de rodillos, analizar la información obtenida antes, durante y después de las pruebas de potencia.
3.2 PROCEDIMIENTO A REALIZAR
El procedimiento se divide en distintas fases, las mismas se detallan a continuación:
3.2.1 ESTUDIO
• Recopilación bibliográfica y redacción del marco teórico, la misma información que deberá ser reunida en el marco teórico (segundo capítulo), esta información sirve para complementar el entendimiento por una parte y por otra sirvió para despejar dudas fundamentales, en el caso de terminología específica, la misma se adjunta en el glosario al final de la tesis.
37 3.2.2 DISEÑO
• Diseño de mejoras en el pistón por medio de programas, los mismos que determinaran los pasos a seguir en el futuro para una correcta mejora.
• Análisis matemático del motor, el mismo que debe cuantificar y cualificar las mejoras del pistón.
3.2.3 EJECUCIÓN
• Desarrollo de banco de pruebas, utilizando un motor de cuatro tiempos para determinar los resultados.
• Ensayos del banco de pruebas en dinamómetro, para tener información que sea susceptible de estudio.
3.2.4 ANÁLISIS DE RESULTADOS
• Comparación de resultados, analizando los mismos para poder tener una mirada objetiva de cuál es la mejor alternativa en cuanto a la modificación de pistones.
• Redacción definitiva del documento, complementando la información con detalles resultantes de las pruebas, poniendo énfasis en los cálculos de potencia realizados.
38
3.3 MÁQUINAS Y EQUIPOS
• Torno
• Taladro de pedestal
• Taladro de mano
• Soldadora Mig
• Soldadora de arco
• Prensa hidráulica
• Cortadora eléctrica
• Dinamómetro de motocicletas, Universidad Tecnológica Equinoccial.
• Banco de pruebas de motor Shineray XY, Indianápolis 196.9cc
3.4 HERRAMIENTAS
• Juego de llaves mixtas milimétricas de 6 mm a 17 mm.
• Calibrador pie de rey.
• Palanca de fuerza mando ¾ ½
• Juego de lainas, tipo laminas calibradas en milésimas de pulgadas y milimetradas.
• Palanca Media Vuelta mando de media.
• Palanca Media Vuelta mando ¾.
3.5 MATERIALES
• Cuadro de motocicleta.
• Llanta de 17” con aro y tubo.
39
• 2 pistones estándar.
40
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS
El presente capitulo cuenta con la consolidación del marco teórico, en añadidura con los métodos seleccionados en el capítulo anterior, de igual manera la adquisición de cada parte del presente trabajo, adicional a esto se analizan los diseños pertinentes.
El motor ha sido seleccionado de configuración mono cilíndrica, debido a su facilidad de manipulación desarmar y las pruebas reflejarían los resultados de una manera inmediata, no es necesario realizar maquinado a otras partes y esto agilita el proceso de obtención de datos.
Para poder comparar los resultados obtenidos durante los trabajos a realizar, se escogió una manera práctica para la realización de las distintas pruebas, todas estas pruebas prácticas deberán de justificarse de una manera teórica, es por esto que se deben de justificar los resultados en todo momento para brindar una validez científica.
Se ha determinado por la bibliografía recopilada que es necesario realizar una reducción en las masas de los pistones, para mejorar las prestaciones de todo el motor, sin embargo es importante determinar que modificaciones son las más eficientes y como se deben de realizar.
También se resalta que con la ayuda del diseño computarizado se han logrado desarrollar distintos elementos del presente trabajo, hoy en día la computadora permite reducir notablemente los costos y tiempos mediante pruebas virtuales, las mismas que ayudaron en el diseño gráfico para el análisis de las distintas modificaciones del pistón.
41
4.1 SELECCIÓN DEL MOTOR
El motor del presente trabajo deberá de ser por una parte económica y por otra parte deberá de contar con un amplio stock de repuestos en el mercado, el precio de los pistones deberá de ser reducido puesto que se utilizarán varios pistones para las pruebas a realizar.
En la siguiente tabla 1, se analizan las motocicletas que se encuentran en el mercado local, los motores de las mismas serán analizados de una forma independiente, la matriz de valoración es de 1 a 5, siendo 1 la calificación más baja y 5 la calificación más alta.
Tabla 1. Valoración de motores.
Honda Yamaha Kawasaki Ducati Shineray Motor 1
Precio 2 3 1 1 5
Stock de
repuestos 3 2 2 1 5
Precio del pistón 2 2 1 1 5
Modularidad en
motores 2 3 2 1 5
Total 9 10 6 4 20
Con 20 puntos, los motores de fabricación China son los más adecuados para el presente trabajo de titulación.
42 4.1.1 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL MOTOR
En la siguiente tabla 2 se analizan las especificaciones del motor, hay que resaltar que el motor será estudiado y se analizará primero de una manera teórica las posibles mejoras, para poder cuantificar las mismas de una manera práctica.
Tabla 2. Motor Shineray xy Indianapolis
Marca Shineray
Motor XY Indianápolis Tipo 4 tiempos refrigerado por aire
Número de cilindros 1
Cilindrada total (cc) 196.9 cc Diámetro del cilindro 6.325 cm
Diámetro del pistón 6.260 cm Carrera del cilindro 5.815 cm Relación de compresión 9.0: 1
Potencia 17.9 HP / 7500 rpm Torque 14.0 Nm / 6500 rpm
Encendido CDI
(T-Motorsports, 2016)
43 Figura 25. Motor seleccionado.
4.1.2 DATOS INICIALES DEL MOTOR
En este caso se adquirió un motor de motocicleta con un motor mono cilíndrico Shineray Xy Indianápolis de 196.9cc en condiciones de eficiencia muy poco representativas.
4.1.2.1 Peso del pistón
44 Figura 26. Pesado de pistón original.
4.1.2.2 Compresión en el cilindro
Por medio de un compresimetro, la compresión obtenida en el motor es 85 psi, este es un valor bajo, el mismo que determina que existe una gran pérdida de gases, el valor normal debería estar entre 145 y 125 psi, como se resalta anteriormente, este valor es en referencia ya que lo primero a cambiar es el pistón para obtener información de mejor calidad. En la figura 27, se aprecia la medición de la compresión del motor.
45 4.1.3 EVALUACIÓN DEL PISTÓN
El motor se encontraba con un pistón estándar el cual contaba con los anillos originales(rines), los cuales serán reemplazados por un juego nuevo, en las pruebas pistones alivianados y de distintas formas de cabeza serán puestos en su lugar.
En la siguiente figura 28, se aprecia el pistón original limpiado.
Figura 28. Pistón original.
Una vez desarmado el motor se ha procedió con la medición de cada una de las partes del motor, es importante determinar que se realizaran cálculos, los mismos que se analizan a continuación.
4.2 CÁLCULO PREVIO A LA MODIFICACIÓN
Utilizando las fórmulas del segundo capítulo, se podrán determinar los valores previos a cualquier trabajo previo, primero se va a realizar la medición de la cilindrada, con este valor se va a poder determinar el caudal de aire.
A continuación, se calcula la cilindrada del motor estándar. El volumen del cilindro es igual a:
46 Dónde:
Vuh: cilindrada del motor D (diámetro del pistón): 62.59 S (carrera): 58.13
Así se tiene que:
)ℎ = T 8
)ℎ = 196.41
Este valor deberá ser transformado a litros lo mismo que equivale a
)ℎ =196.411000 = 0.19@
Con esta cilindrada se deberá proceder a la medición del aire a consumir, para esto en la tabla 2 se determina anteriormente que la máxima potencia de la motocicleta se encuentra a 7500 revoluciones por minuto.
) * = V ∗ 2 A
) * = 7500 V ∗ 0.192 = 712.5 A
Sabiendo el consumo de aire y la proporción de mezcla, se puede calcular la cantidad de gasolina, solo hay que tener en cuenta que la mezcla se mide en masa, no en volumen, por lo que se tendrá que pasar los litros de aire y gasolina a gramos.
Un litro de aire a la altura de la ciudad de Quito a 2850msnm y una temperatura de 10º C pesa 1,18 gramos:
712.5 @ ∗ 1,18 = 840,75 .
Como se busca una mezcla de 14.7 partes de aire por 1 de gasolina:
47 1 litro de gasolina pesa 760 gramos, por tanto, se puede determinar que el volumen de combustible necesario
57,19/760 = 0.075@
Este motor a 7500 revoluciones con una eficiencia volumétrica del 100% y una mezcla de 14.7-1, consumirá 712.5 L de aire y 0,075 L de gasolina por minuto. El promedio de kilo calorías / kilo es de 10450, con este valor y si el motor consume 57,19 gramos de gasolina por minuto, se debería producir:
10450 M / ∗ 0,05719 = 597,6355 *A .
Si se divide por 60 para pasarlo a segundos:
597,6355 ∗ / 60 = 9,960 ∗ * .
I 1 = 4,188 MN
9,96 ∗ 4,188 = 41,71 MN
I 1 Z = 735,5 N
317.34/0,7355 = 57,143 I)
Entonces la potencia que debería generar el motor con la cantidad de gasolina (57.19g), pero los motores son poco eficientes y aprovechan una parte de potencia total, es por esto que es necesario calcular el rendimiento térmico del motor, el mismo que se aprecia a continuación.
4.2.1 RENDIMIENTO TÉRMICO.
48
= 1 − [\;1
Donde es 1.14,
= 1 −
10
1
].;= 0.30
Dando un rendimiento térmico de
^ = 30%
Por tanto, se puede definir para culminar con los primeros cálculos, que la eficiencia térmica en el motor es la siguiente.
4651= ^ "6740>5
57,143 I) ∗ 0,30 = 17.14I)
Este cálculo valida totalmente a los parámetros originales del motor, los mismos que determinan que la potencia máxima del mismo es de 17CV a 7500rpm.
4.3 TRABAJO PRÁCTICO
En el siguiente capítulo se determinan los trabajos y las pruebas realizadas, la manera en la que se han obtenido los datos y los resultados de los mismos, posteriormente a este capítulo se analizaran los datos obtenidos una vez realizadas las modificaciones al pistón.
49 La construcción del banco de pruebas consistió en montar el motor en el cuadro de una motocicleta, quitando todos los elementos que no permitan una pronta extracción del motor de combustión interna, con este preámbulo se realizó en SolidWorks el diseño de dos partes, la primera fue la base de la motocicleta, la misma que sería de carácter pivotante en donde se asienta el frente de la motocicleta, la segunda parte la conforma un banquillo de soporte, los planos del banco de pruebas se encuentran en el anexo 1 y 2, respectivamente, no se han realizado pruebas de resistencia dinámica puesto a que las partes no serán sujetadas a la presencia de un pasajero en la motocicleta y únicamente han sido diseñadas para poder tener al motor alojado en su interior. Es por esto que los planos únicamente fueron sometidos a un estudio de estático de resistencia para verificar que los materiales seleccionados podrán soportar de una manera correcta las pruebas del motor. En la figura 29, se aprecia el banco de pruebas diseñado, el mismo que únicamente soporta la motocicleta en el banco dinamométrico, la guía de funcionamiento del mismo se encuentra alojada en el anexo 3.
Figura 29. Banco de pruebas.
50 Figura 30. Banco de pruebas montado en dinamómetro de la Universidad. Para la medición de los datos, es necesario llenar la siguiente tabla 3, con al menos dos personas, para poder corroborar la información a obtener, de esta manera posteriormente se detallan los trabajos realizados y los resultados de los mismos. La guía de funcionamiento del dinamómetro se encuentra en el anexo 4.
Tabla 3. Prueba dinamométrica.
PRUEBA DINAMOMÉTRICA
RPM NIVEL CARGA VOLTAJE(V) AMPERAJE(A) TIEMPO RESULTADO (AXV=W) 2500 1
3000 2
3500 3
4000 4
4500 5
5000 6
5500 7
51 Para obtener los valores resultantes de cada prueba, los mismos resultados serán resultado de la multiplicación por la constante K=10, este valor se aprecia en la guía de funcionamiento del freno dinamométrico, en el anexo 4.
4.3.2 PRUEBA DE DINAMÓMETRO 1
Lo primero a realizar fue una medición exacta previa a cualquier trabajo, para esto se ha montado la motocicleta en el dinamómetro que se aloja en las instalaciones de la Universidad Tecnológica Equinoccial.
Este dinamómetro permite realizar la medición de la potencia por medio del voltaje y la corriente, permite realizar la respectiva curva de potencia de una manera manual, con la ayuda de un marco de motocicleta se ha podido alojar todos los componentes básicos para realizar las distintas pruebas.
Hay que resaltar que para la primera prueba del dinamómetro se ha determinado una potencia relativamente reducida, en comparación con las especificaciones del fabricante, esto por los años del motor, por la baja relación de compresión y por la altura de la ciudad, el uso del mismo.
52 Figura 31. Prueba de dinamómetro, previa a cualquier trabajo.
En la primera prueba se obtuvieron los datos que se aprecian en la tabla4. Tabla 4. Datos de la primera prueba de dinamómetro
Prueba sin modificaciones
RPM NIVEL CARGA VOLTAJE(V) AMPERAJE(A) TIEMPO(s) RESULTADO Pxk
2500 1 75 3 0,3 225 2250
3000 2 65 8 1 520 5200
3500 3 55 10 1,3 550 5500
4000 4 50 11 2 550 5500
4500 5 45 12 2,3 540 5400
5000 6 40 12 3 480 4800
5500 7 30 11 3,3 330 3300
53 Con este valor se puede determinar por medio de la escala de valoración, que la potencia del motor es de 7.37Hp, el valor permite fundamentar el trabajo de titulación, la figura 32 recopila los datos de la tabla 4, la curva de potencia se aprecia a continuación.
Figura 32. Gráfica de potencia del motor original.
Se realizaron tres pruebas con las mismas condiciones, para poder corroborar el resultado una vez realizada esta medición se desmonto el motor en su totalidad. En el siguiente tema se aprecia el desmontaje del motor.
4.3.3 DESMONTAJE
Con el desmontaje del motor se ha procedido a realizar las tareas de limpieza de todas las partes, justificando y analizando las mejoras que se van a realizar en el trabajo.
Como se aprecia en la figura 33, el desmontaje del motor se ha realizado con normalidad, en la figura por otra parte se aprecia el estado del pistón, existen reducidas marcas en la falda del pistón.
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
1 2 3 4 5 6 7 8
P o te n ci a ( W )
Revoluciones x 1000
54 Figura 33. Desmontaje del motor.
Una vez desmontado el motor, se ha hecho una limpieza de todos los componentes, tal y como se aprecia en la figura 34, a continuación.
Figura 34. Estado del pistón.
En la misma figura 34, se aprecia el pesado del pistón por medio de una balanza científica, la misma que señala un peso de 134.82 gramos.
4.3.4 REGLAJE DEL MOTOR
55 superior el punto muerto inferior, el diámetro la altura de la falda el diámetro del bulón, entre otros cálculos.
4.3.4.1 Medición de cabezote y limpieza
Una vez limpiado el motor se ha realizado una medición de cada parte que está involucrada en la combustión, el cabezote. La culata es la encargada de soportar la compresión y de encender la gasolina, por medio de la bujía que se coloca fijamente a ella.
El volumen del cabezote suele ser medido por medio de bureter o en el presente caso por medio de jeringas, este procedimiento se realiza cuando los volúmenes son irregulares, en la figura 35 se aprecia el llenado de la cámara de combustión.
Figura 35. Medición de superficie plana.
56 Figura 36. Llenado con jeringuilla la cámara de compresión.
En la figura 37, se aprecia el proceso de llenado.
Figura 37. Cálculo de volumen inicial en cámara de combustión. La medición determina que la cámara de combustión tiene un volumen de
57 Datos:
Volumen de la cámara estándar= 20cm3 Carrera del pistón estándar= 58.13mm Diámetro del pistón estándar= 62.59mm Cilindraje del pistón= 198 cm3
Relación de compresión original:
=) + ZZ
=198 + 2020
= 10.9
La relación de compresión es de 10.9: 1.
4.3.5 TRABAJOS REALIZADOS
Para entender el trabajo práctico que se ha realizado hay que dividir el trabajo por partes, primero se analizarán los pistones que se probaran los cambios en cada uno y se cuantificaran los datos con pruebas de dinamómetro.
4.3.5.1 Pistón original aligerado
58 Figura 38. Pistón limpio.
El pistón una vez limpiado fue aligerado para esto se aprecia en la siguiente figura 39, con el fin de que se reduzca el peso.
Figura 39. Peso original
Los preparadores de motores recomiendan reducir el peso del pistón en un rango de 6 a 10 porciento, esto con la finalidad de no afectar en la inercia de todo el motor. (Narvaez, 2010)
59 Figura 40. Recortado de la falda del pistón.
Para la mejora total del desempeño del pistón original, se ha lubricado el mismo, esto por medio de unas perforaciones en la falda del pistón, por otra parte, esto reduce de igual manera y en gran medida el peso del pistón, a continuación, se puede determinar en la figura 41, el diseño de las perforaciones del pistón, las mismas que fueron desarrolladas en SolidWorks.
60 Con el diseño y como se aprecia en la figura 42, a continuación, se realizaron las perforaciones
Figura 42. Falda del pistón señalada para ser perforada
Con la ayuda de taladro de pedestal, se perforo la cabeza del pistón, con esto se permite que el pistón sea súper lubricado, en la figura 43, se aprecia el trabajo realizado.
Figura 43. Perforaciones en la falda (mecanizado)
61 De igual manera reduce el peso del pistón, como se aprecia en la figura 44, a continuación, el peso reduce a 133.22 gramos
Figura 44. Pesado de pistón original al máximo en peso y lubricación.
4.3.5.2 Pistón de alta compresión
De igual manera para completar con el desarrollo de mejora en el pistón, se ha determinado la adquisición de un pistón de alta compresión, el mismo que se aprecia en la figura 45, a continuación.
62 El pistón de alta compresión en un principio ha sido expuesto a las distintas pruebas en banco de pruebas antes de realizar cualquier trabajo para alivianar al mismo, posteriormente se analizarán las pruebas realizadas a dicho pistón.
4.3.5.3 Pistón de alta compresión aligerado y súper lubricado
En adición al estudio previo, se realizaron trabajos de alivianar al máximo al pistón de alta compresión, para esto se utilizaron los mismos diseños del pistón normal, el diseño original sin alivianar se aprecia en la figura 46.
Figura 46. Pistón alta compresión sin alivianado.
Con la finalidad de obtener mejoras considerables en el desempeño, como se puede apreciar en la siguiente figura 47, el pistón será alivianado al máximo, para poder comparar posteriormente su peso en una balanza.
De igual manera se midió el volumen de la semiesfera de la siguiente manera:
) * =13 Tℎ8 3 − ℎ
) * =13 T 0.5 8 3 3.15 − 0.5 = 2.34 f
