UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA BIELA
MANIVELA DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
CICLO OTTO PARA UN VEHÍCULO DE COMPETENCIA EN
CIRCUITO
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
CÉSAR AUGUSTO GUANO ROBAYO
DIRECTOR: ING. JUAN CARLOS LUCERO
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1722651245 APELLIDO Y NOMBRES: Guano Cesar Augusto DIRECCIÓN: José Nogales y Francisco Arcos
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 3570-145
TELÉFONO MOVIL: 09-979-777-12
DATOS DE LA OBRA
TITULO: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA BIELA MANIVELA DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA CICLO OTTO PARA UN VEHÍCULO DE
COMPETENCIA EN CIRCUITO AUTOR O AUTORES: Guano Cesar Augusto FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN:
2016-05-26
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
Juan Carlos Lucero
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN: Mínimo 250 palabras El proyecto se enfocó en la modificación de los elementos del mecanismo biela-manivela,
por su influencia en el régimen de giro del
motor, el punto de partida para el diseño del
método de potenciación constituye el tipo de
competencia elegida para el vehículo El
proyecto planteó como objetivo el diseño y la
implementación de la modificación del
sistema biela manivela de un motor de
combustión interna Ciclo Otto del vehículo
Corsa 1.3, con base a un análisis
cinemático-cinético. El proceso investigativo conjuga los
desarrollo de las etapas del método de
potenciación orientado al aumento del
régimen de giro y torque. El aumento de
cilindrada dado por el cambio de pistones
contribuye al aumento del rendimiento
volumétrico, ya que la modificación del motor
1.3 es integral, lo que según, la
reglamentación nacional podrá participar en
la categoría T2, con un peso mínimo de 850
kg. La metodología de la modificación
comprobó los parámetros geométricos,
cinemáticos y cinéticos del mecanismo
biela-manivela modificado, así como, la
comprobación del diseño del cigüeñal para
los nuevos parámetros de trabajo. El proceso
de modificación del sistema se completa con
la comprobación mecánica y las pruebas de
ruta y en el dinamómetro, alcanzándose una
mejora de potencia del 14%. La metodología
aplicada para la modificación del mecanismo
biela-manivela es repetible constituyéndose
en una herramienta adecuada para la mejora
de potencia bajo las condiciones económicas
y tecnológicas existentes a nivel local. La
modificación del diseño del mecanismo
biela-manivela del motor Corsa y su
implementación permitió variar el rendimiento
del motor estándar de combustión interna
alternativo, en cuanto a potencia, torque,
consumo de combustible y eficiencia térmica,
establecido por medio de los cálculo y
medición de los parámetros cinemáticos y
operacionales efectivos correspondientes a la
modificación.
PALABRAS CLAVES: Biela Manivela, modificación, vehículo de competencia, cinemático-cinético, régimen de
giro, rendimiento volumétrico, parámetros
ABSTRACT: The project focused on modifying the elements of rod-crank mechanism, its
influence on the speed of the engine, the
starting point for the design method of
enhancing the kind of competition is chosen
for the vehicle. The project aimed at
implementing proposed modification
crank-rod system of internal combustion engine Otto
cycle vehicle Corsa 1.3 based on a
cinematic-kinetic analysis. The research process
combines the descriptive experimental
methods for the development of the method
steps potentiation oriented increased rotation
speed and torque. The increase in
displacement given by changing pistons
contributes to increased volumetric efficiency,
since the engine modification 1.3 is
integrated, which according to the national
regulations may participate in the T2
category, with a minimum weight of 850 kg.
The methodology of the modification checked
the geometric parameters, kinematic and
kinetic of rod-crank mechanism modified, as
well as checking crankshaft design for new
working parameters. The modification process
is completed system testing and mechanical
testing route and the dynamometer power
reaching an improvement of 14%. The
methodology used to modify the rod-crank
mechanism is repeatable making it an
appropriate tool for improving power under
existing economic and technological
conditions locally. Modifying the design of
rod-crank mechanism Corsa engine and its
implementation allowed to vary performance
standard engine reciprocating internal
combustion in terms of power, torque, fuel
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN………..i
ABSTRACT………ii
1.INTRODUCCIÓN ... 1
2. MARCO TEÓRICO ... 3
CONSIDERACIONES PREELIMINARES ... 3
2.1.1 MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVO (MCIA) .. 3
2.1.2 SISTEMA BIELA-MANIVELA MCIA ... 4
2.1.3 CICLO TERMODINÁMICO DEL MCIA ... 5
2.1.3.1 Ciclo otto ... 5
2.1.3.2 Ciclo real otto ... 7
ELEMENTOS DEL MCIA ... 8
2.2.1 ELEMENTOS FIJOS... 9
2.2.1.1 Bloque motor ... 9
2.2.1.2 Cabezote (culata) ... 11
2.2.1.3 Tapa de culata o de balancines ... 12
2.2.1.4 Cárter ... 13
2.2.2 ELEMENTOS MÓVILES ... 14
2.2.2.1 Pistones ... 14
ii
2.2.2.3 Bulones ... 18
2.2.2.4 Bielas ... 18
2.2.2.5 Cigüeñal ... 19
2.2.2.6 Cojinetes o chaquetas de fricción ... 21
2.2.2.7 Volante de inercia ... 22
2.2.3 SISTEMAS AUXILIARES ... 23
2.2.3.1 Sistema de Distribución ... 23
2.2.3.2 Circuito de lubricación ... 24
2.2.3.3 Circuito de refrigeración ... 24
PARÁMETROS DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ... 25
2.3.1 PARÁMETROS GEOMÉTRICOS ... 25
2.3.2 PARÁMETROS CINEMÁTICOS ... 28
2.3.3 PARÁMETROS CINÉTICOS ... 30
RENDIMIENTOS DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ... 32
CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL MCIA ... 34
2.5.1 NORMALIZACIÓN DE LOS ENSAYOS ... 35
VEHÍCULOS DE COMPETENCIA ... 36
2.6.1 AUTOMÓVILES POTENCIADOS ... 36
2.6.2 AUTOMÓVILES DE RALLY ... 36
2.6.3 AUTOMÓVILES DE ALTA VELOCIDAD ... 37
MÉTODOS DE POTENCIACIÓN MCIA ... 37
2.7.1 AUMENTO DE RÉGIMEN DE GIRO ... 38
2.7.2 AUMENTO DEL PAR MOTOR ... 39
REGLAMENTO FEDAK ... 40
iii
4.ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 47
ANÁLISIS DEL SISTEMA BIELA MANIVELA DEL MOTOR CORSA 1.3 ... 47
4.1.1 PARÁMETROS GEOMÉTRICOS STD ... 47
4.1.1.1 Relación de compresión ... 47
4.1.1.2 Relación carrera-diámetro (S/D) ... 48
4.1.1.3 Relación biela-manivela (𝜆) ... 48
4.1.1.4 Volumen de cámara de compresión (𝑉𝑐) ... 49
4.1.2 PARÁMETROS CINEMÁTICOS STD ... 49
4.1.2.1 Desplazamiento del pistón (𝑥) ... 51
4.1.2.2 Velocidad del pistón (𝑣) ... 51
4.1.2.3 Volumen en el punto de combustión (𝑉𝑖) ... 51
4.1.2.4 Velocidad máxima del sistema biela-manivela ... 52
4.1.2.5 Aceleración del pistón (a) ... 52
4.1.2.6 Condiciones de aceleración del sistema biela-manivela ... 52
4.1.3 PARÁMETROS CINÉTICOS STD ... 53
4.1.3.1 Fuerza alternante ... 53
4.1.3.2 Presión de combustión ... 54
4.1.3.3 Fuerza producida por la combustión ... 54
4.1.3.4 Fuerza resultante en el pistón ... 54
4.1.3.5 Fuerza en la biela del mecanismo ... 55
4.1.3.6 Fuerza centrífuga en el muñón de biela ... 56
4.1.3.7 Fuerza resultante en el muñón de la biela ... 56
DISEÑO DEL MÉTODO DE POTENCIACIÓN ... 57
iv ANÁLISIS DEL SISTEMA BIELA MANIVELA DEL MOTOR
CORSA 1.3 PARA MODIFICACIÓN ... 59
4.3.1 PARÁMETROS GEOMÉTRICOS PARA MODIFICACIÓN ... 59
4.3.1.1 Volumen de la cámara de compresión ... 60
4.3.1.2 Relación carrera-diámetro ... 60
4.3.1.3 Relación biela manivela ... 61
4.3.2 PARÁMETROS CINEMÁTICOS PARA MODIFICACIÓN ... 61
4.3.2.1 Posición del mecanismo ... 61
4.3.2.2 Desplazamiento del pistón ... 62
4.3.2.3 Velocidad del pistón ... 63
4.3.2.4 Velocidad máxima del mecanismo ... 63
4.3.2.5 Aceleración del pistón ... 63
4.3.3 PARÁMETROS CINÉTICOS PARA MODIFICACIÓN ... 64
4.3.3.1 Fuerza de inercia del mecanismo ... 64
4.3.3.2 Fuerza centrífuga del mecanismo ... 65
4.3.3.3 Presión máxima del ciclo ... 65
4.3.3.4 Fuerza en el pistón ... 65
4.3.3.5 Fuerza resultante del mecanismo... 66
4.3.4 COMPROBACIÓN DEL DISEÑO DEL CIGÜEÑAL ... 66
4.3.4.1 Fuerza centrífuga en el muñón de la biela por efecto de la modificación ... 66
4.3.4.2 Diámetro de muñón de biela requerido ... 67
4.3.4.3 Diámetro del muñón de bancada requerido ... 68
ANÁLISIS DE LA PELÍCULA LUBRICANTE ... 70
ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO TÉRMICO ... 71
v
PROCESO DE MONTAJE ... 73
PROCESO DE COMPROBACIÓN ... 75
PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO ... 76
4.9.1 PRUEBAS EN EL DINAMÓMETRO ... 76
4.9.2 PRUEBAS DE RUTA ... 78
ANÁLISIS DE POTENCIA EFECTIVA ... 78
ESTUDIO DE RESULTADOS ... 79
5.CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 81
CONCLUSIONES ... 81
RECOMENDACIONES ... 81
BIBLIOGRAFIA……….…….………....83
vi
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Categorías de rally... 41
Tabla 2. Pesos mínimos por categoría ... 42
Tabla 3. Características técnicas del motor Corsa ... 47
Tabla 4. Masas del mecanismo biela-manivela del motor Corsa ... 53
Tabla 5. Valoración de alternativas ... 58
Tabla 6. Masa del mecanismo biela-manivela modificado ... 64
Tabla 7. Medición de compresión del motor modificado ... 76
Tabla 8. Medición de fugas en los cilindros ... 76
Tabla 9. Pruebas de ruta ... 78
vii
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Esquema del motor de combustión interna ... 4
Figura 2. Mecanismo biela-manivela ... 4
Figura 3. Ciclo Otto ... 6
Figura 4. Diagrama de distribución de los tiempos de un motor ... 8
Figura 5. Bloque con sombreretes independientes de bancada ... 10
Figura 6. Cabezote (culata) ... 11
Figura 7. Cámaras de combustión de gasolina: en forma de bañera, ……..……....cuña y hemisférica. ... 12
Figura 8. Tapa de culata o balancines ... 13
Figura 9. Cárter ... 14
Figura 10. Pistón de motor de inyección directa. ... 16
Figura 11. Ubicación de los segmentos ... 17
Figura 12. Tipos de bielas ... 19
Figura 13. Elementos del tren motriz ... 20
Figura 14. Sección circular sólida ... 21
Figura 15. Volante de inercia ... 23
Figura 16. Sistema de distribución DOHC... 23
Figura 17. Circuito de lubricación ... 24
Figura 18. Circuito de refrigeración por líquido ... 25
Figura 19. Parámetros geométricos del motor ... 26
Figura 20. Relación geométrica del mecanismo biela-manivela del ………..motor ... 29
Figura 21. Curva de velocidad y aceleración ... 30
Figura 22. Acción de las fuerzas actuantes en una biela ... 32
Figura 23. Curvas del motor ... 35
Figura 24. Vehículo Chevrolet Corsa ... 44
Figura 25. Posición del pistón ... 50
viii
Figura 27. Diagrama de fuerzas en la biela ... 55
Figura 28. Diagrama de fuerzas en el muñón de la biela ... 56
Figura 29. Pistón para la modificación ... 58
Figura 30. Diagrama de fuerzas en el muñón de la biela ... 62
Figura 31. Equilibrado de un motor de 4 cilindros ... 64
Figura 32. Fuerzas actuantes en el motor ... 66
Figura 33. Cojinete de biela motor Corsa ... 67
Figura 34. Dimensiones del cigüeñal ... 68
Figura 35. Cigüeñal del motor Corsa 1.3 ... 69
Figura 36. Espesor de película lubricante con plastigate ... 71
Figura 37. Características del juego de rines ... 73
Figura 38. Ajuste de bancada ... 74
Figura 39. Montaje de pistones ... 74
Figura 40. Curva torque potencia previa a la modificación ... 77
ix
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
Anexo 1 Curvas de Torque y Potencia (antes-después) nivel del mar ... 86
Anexo 2 Curvas de Torque y Potencia Corregida ... 87
Anexo 3 Parámetros Iniciales del Vehículo para medir en el dinamómetro 88
Anexo 4 Parámetros del Vehículo ... 89
Anexo 5 Datos obtenidos antes de la modificaciónError! Bookmark not defined.
i
RESUMEN
El proyecto se enfocó en la modificación de los elementos del mecanismo biela-manivela, por su influencia en el régimen de giro del motor, el punto de partida para el diseño del método de potenciación constituye el tipo de competencia elegida para el vehículo El proyecto planteó como objetivo el diseño y la implementación de la modificación del sistema biela manivela de un motor de combustión interna Ciclo Otto del vehículo Corsa 1.3, con base a un análisis cinemático-cinético. El proceso investigativo conjuga los métodos descriptivo y experimental para el desarrollo de las etapas del método de potenciación orientado al aumento del régimen de giro y torque. El aumento de cilindrada dado por el cambio de pistones contribuye al aumento del rendimiento volumétrico, ya que la modificación del motor 1.3 es integral, lo que según, la reglamentación nacional podrá participar en la categoría T2, con un peso mínimo de 850 kg. La metodología de la modificación comprobó los parámetros geométricos, cinemáticos y cinéticos del mecanismo biela-manivela modificado, así como, la comprobación del diseño del cigüeñal para los nuevos parámetros de trabajo. El proceso de modificación del sistema se completa con la comprobación mecánica y las pruebas de ruta y en el dinamómetro, alcanzándose una mejora de potencia del 14%. La metodología aplicada para la modificación del mecanismo biela-manivela es repetible constituyéndose en una herramienta adecuada para la mejora de potencia bajo las condiciones económicas y tecnológicas existentes a nivel local. La modificación del diseño del mecanismo biela-manivela del motor Corsa y su implementación permitió variar el rendimiento del motor estándar de combustión interna alternativo, en cuanto a potencia, torque, consumo de combustible y eficiencia térmica, establecido por medio de los cálculo y medición de los parámetros cinemáticos y operacionales efectivos correspondientes a la modificación.
PALABRAS CLAVES:
ii
ABSTRACT
The project focused on modifying the elements of rod-crank mechanism, its influence on the speed of the engine, the starting point for the design method of enhancing the kind of competition is chosen for the vehicle. The project aimed at implementing proposed modification crank-rod system of internal combustion engine Otto cycle vehicle Corsa 1.3 based on a cinematic-kinetic analysis. The research process combines the descriptive experimental methods for the development of the method steps potentiation oriented increased rotation speed and torque. The increase in displacement given by changing pistons contributes to increased volumetric efficiency, since the engine modification 1.3 is integrated, which according to the national regulations may participate in the T2 category, with a minimum weight of 850 kg. The methodology of the modification checked the geometric parameters, kinematic and kinetic of rod-crank mechanism modified, as well as checking crankshaft design for new working parameters. The modification process is completed system testing and mechanical testing route and the dynamometer power reaching an improvement of 14%. The methodology used to modify the rod-crank mechanism is repeatable making it an appropriate tool for improving power under existing economic and technological conditions locally. Modifying the design of rod-crank mechanism Corsa engine and its implementation allowed to vary performance standard engine reciprocating internal combustion in terms of power, torque, fuel consumption and thermal efficiency, it established through the calculation and measurement kinematic and effective operational parameters corresponding to the change.
KEYWORDS:
1
1. INTRODUCCIÓN
La optimización de un motor de combustión es una problemática existente, la aplicación del vehículo condiciona la posibilidad de la modificación, el cambio técnico de sus elementos garantiza el funcionamiento apropiado del motor, debiéndose ejecutar un análisis profundo por parte del profesional, que permita determinar todos los cálculos necesarios a ser aplicados, conllevándose el mejoramiento del desempeño del motor, condicionado por la cadena cinemática biela-manivela.
En la actualidad, se vive en una sociedad flexible, sujeta a cambios constantes, en Dónde la industria automotriz busca mantenerse acorde a los cambios tecnológicos, así que presenta cada vez más innovaciones, que se basan en aumentar el rendimiento de los vehículos y reducir la contaminación ambiental por los gases de escape.
En el campo de la competencia de vehículos a nivel profesional, aparecen nuevos profesionales que pretenden poner en práctica los conocimientos adquiridos dentro de las instituciones de aprendizaje, pero resulta un tanto difícil plasmar el conocimiento captado.
Se analizó la relación que guarda la incorporación de innovaciones, con el mantenerse competitivos dentro de un mercado, esto a través de la investigación y estudio de las modificaciones del sistema biela-manivela, siendo el aporte teórico-práctico para la enseñanza, estudiantes, profesionales, competidores y aficionados vinculados con la competencia automovilística.
2 reducción de costos, optimización de herramientas y pruebas de campo, la combinación de todas las modificación tanto en motor, cabezote y control electrónico permitió la mejora de potencia y torque del vehículo seleccionado.
No solo en el desarrollo de los vehículos, como la inexistencia de una metodología apropiada que conlleve a la modificación del mecanismo biela-manivela, que permita la mejora del desarrollo de autos para competencia, se propuso este proyecto, que permitió el análisis del comportamiento de la biela, las condiciones cinemáticas del mecanismo biela-manivela
Para alcanzar variar el rendimiento, y una metodología de análisis para la modificación del mecanismo citado.
Para el desarrollo de la problemática se planteó el siguiente objetivo general: Diseñar e implementar la modificación de un sistema biela manivela de un motor de combustión interna Ciclo Otto para un vehículo de competencia en circuito, con base a los análisis cinemático y cinético, con la finalidad de obtener un mejor rendimiento volumétrico.
Para alcanzar el objetivo general del proyecto de titulación, se planteó los siguientes objetivos específicos:
Investigar la aplicación de conceptos cinemáticos y termodinámicos en base a los parámetros principales del funcionamiento del motor de combustión interna alternativo, y en especial en el sistema biela-manivela.
Identificar la aplicación de conocimientos, definiendo los parámetros necesarios para mejorar el rendimiento del mecanismo biela-manivela de un motor de combustión interna ciclo Otto.
Determinar los materiales y procedimientos necesarios, que ayuden a mejorar el rendimiento del sistema Biela-Manivela a través de su modificación.
3
2. MARCO TEÓRICO
CONSIDERACIONES PREELIMINARES
Los objetivos prioritarios para los diseñadores de motores en la actualidad, son los siguientes:
Conseguir mayores potencias.
Reducir el consumo.
Disminuir la contaminación.
Aumentar la fiabilidad.
Confort de marcha.
La mejora de potencia está relacionada con la variación del régimen de giro y el torque del motor, por ello, la variación de un parámetro incide en las condiciones operativas del motor.
2.1.1 MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVO (MCIA)
Los motores de combustión interna alternativos (MCIA) o también conocidos como motores de explosión debido al combustible utilizado (diésel o gasolina), son motores térmicos de desplazamiento positivo o volumétrico, en los que el trabajo se obtiene mediante el desplazamiento lineal del émbolo de un mecanismo biela-manivela. Se denominan motores de combustión interna porque el estado térmico se genera en el propio fluido que evoluciona en el motor.
Los motores (MCIA ) tienen una utilización múltiple, encontrándolos así en: automóviles, motos, camiones, maquinaria y demás vehículos terrestres. También su aplicación se da en la marina y la aviación, sin dejar de lado los grupos electrógenos.
4
Figura 1. Esquema del motor de combustión interna
(Ingemecanica, 2012)
2.1.2 SISTEMA BIELA-MANIVELA MCIA
El movimiento del MCIA, tiene una cinemática dada por el movimiento de traslación alternativa para producir un movimiento giratorio, por medio de un eje de manivela, esto constituye el mecanismo biela-manivela. La potencia generada es intermitente con un rango de trabajo variable. En el sistema del MCIA, el mecanismo biela-manivela como se aprecia en la figura 2, está conformado por los siguientes elementos:
El pistón es el elemento con movimiento rectilíneo alternativo, a la vez, constituye el émbolo del mecanismo biela-manivela y aumenta o disminuye el volumen del cilindro.
La biela es el elemento que, junto con la manivela, convierte el movimiento lineal del pistón en el rotativo del cigüeñal.
El cigüeñal e el elemento rotativo del motor, en él se integra la manivela del mecanismo.
Figura 2. Mecanismo biela-manivela
5
2.1.3 CICLO TERMODINÁMICO DEL MCIA
El ciclo termodinámico de rendimiento máximo es el ciclo de Carnot, cuyo rendimiento únicamente depende de la temperatura máxima y mínima que asume el fluido motor. Este ciclo, de difícil implementación tecnológica, es considerado como el ciclo de referencia para la transformación máxima del flujo de calor en trabajo, definiéndose desde aquí el concepto de exergía, determinando el límite máximo de rendimiento que se puede alcanzar mediante un ciclo termodinámico.
“Los motores volumétricos, como los motores alternativos, encierran el fluido de trabajo en un recinto cerrado en el que se variará el volumen y se
realizará el ciclo termodinámico” (Astudillo, 2010, pág. 39). En consecuencia,
el ciclo termodinámico se analiza visualizando temporalmente los procesos de aportación y extracción de calor que se realizan en el volumen variable, alcanza un trabajo en el eje de salida del motor (Callejas, 2012).
Al plantearse el estudio de máquinas y motores térmicos, se utilizan ciclos de referencia que permiten una simplificación del proceso, es decir, difícilmente se podrá optimizar un motor basándose en ciclos de referencia, pero sí permiten comprender las tendencias fundamentales para el diseño de los motores, los ciclos más comunes para analizar los motores alternativos, son los siguientes:
Carnot, como ciclo de referencia
Miller
Otto
Diesel
Dual
Atkinson
2.1.3.1 Ciclo otto
6 bajo hipótesis sencillas. Los procesos termodinámicos que se producen están representados en la figura 3 y son los siguientes:
a) 1-2 Compresión adiabática: compresión del fluido de trabajo, el pistón tiene que realizar el trabajo de compresión (W1).
b) 2-3 Aportación de calor a volumen constante: introducción instantánea del calor aportado (Q1).
c) 3-4 Expansión adiabática: expansión, correspondiente al trabajo (W2), realizado por el fluido de trabajo. En el punto 3 del proceso se alcanza la presión máxima de combustión, se calcula mediante la ecuación (1):
𝑃2 = 𝑃1. (𝑟𝑐)𝑘 [1]
Dónde:
𝑃: Presión del punto analizado 𝑟𝑐: Relación de compresión
𝑘: Relación de calores específicos, para el aire es 1,35
d) 4-1 Extracción de calor a volumen constante: extracción instantánea del calor (Q2).
Figura 3. Ciclo Otto
(Fajardo, 2012)
7
𝒏𝒕 = 𝟏 −𝐫𝟏
𝐜𝐤−𝟏 [2]
Dónde:
𝑛𝑡: Rendimiento térmico
En consecuencia, la concepción básica del motor alternativo ciclo Otto, se resume en el motor de cuatro tiempos, que se caracteriza al desarrollar su ciclo de funcionamiento en dos vueltas completas de cigüeñal y en que el recinto de combustión se comunica al exterior mediante dos conductos, el de admisión, por el que entra el nuevo fluido, y el de escape, por el que se desaloja el fluido motor una vez ha sido producida la combustión.
2.1.3.2 Ciclo real otto
El ciclo real de un motor de combustión interna de encendido por chispa difiere ligeramente del ideal por los siguientes motivos:
La válvula de admisión permanece abierta un cierto tiempo hasta después de que el pistón comience a descender, para conseguir que entre algo más de aire, se denomina Retraso al Cierre de la Admisión (RCA).
La válvula de escape también se adelanta en la Apertura del Escape (AAE) para que los gases de la combustión salgan un poco antes de que el pistón llegue al PMI, para que salga la mayor cantidad posible de gases quemados.
El proceso de ignición del combustible no es instantáneo, y la chispa salta antes de que el pistón alcance el punto muerto superior (PMS) para optimizar el proceso de combustión (Camacho, 1988).
El cruce de válvulas, se obtiene mediante la ecuación (3):
8 Dónde:
𝐴𝐴𝐴: Adelanto a la apertura de admisión 𝑅𝐶𝐸: Retraso cierre de escape
En la figura 4, se observa el diagrama de distribución de los tiempos de un motor real.
Figura 4. Diagrama de distribución de los tiempos de un motor
(Callejas, 2012)
El ángulo de cruce encuentra su razón de ser, en la violenta dinamicidad con que se cumple el ciclo de cuatro tiempos. En efecto ello hace que se produzcan pronunciados fenómenos inerciales y vibratorios, tanto en las columnas de gases frescos, como en la de gases quemados que ingresan y egresan del cilindro a través de sus respectivos múltiples. Dichos fenómenos inerciales y vibratorios pueden, y suelen, ser aprovechados, de especial modo en motores de competición, mediante un reglaje de distribución adecuado, destinado a lograr un mejor rendimiento volumétrico o llenado del cilindro, a medida que aumenta el número de rpm del motor.
ELEMENTOS DEL MCIA
9 Los elementos constructivos de un motor, se clasifican en los siguientes:
Elementos estructurales, se caracterizan por ser aquellos elementos fijos del motor, son piezas que albergan, soportan y guían a las partes motrices del motor.
Elementos motrices, son aquellos elementos móviles del motor, su función es la de transformar la energía química del combustible en energía mecánica, como parte de estos elementos se puede citar al mecanismo biela-manivela del motor.
Mecanismos o sistemas auxiliares, forman parte del motor, son necesarios para el funcionamiento del mismo, entre ellos se encuentran los sistemas de: distribución, lubricación y refrigeración.
2.2.1 ELEMENTOS FIJOS
2.2.1.1 Bloque motor
El bloque motor, como se muestra en la figura 5, es aquella parte del motor que va unida a la carrocería a través de silentblocks, la misma que proporciona un anclaje elástico cuya función es la de absorber las vibraciones del motor para que no se trasladen a la carrocería y a sus ocupantes. Dicha pieza mantiene unos orificios, denominados cilindros, aquí se albergan, guían y deslizan los pistones con un movimiento alternativo. Se pueden citar las siguientes utilidades de los cilindros:
Dapósito encargado de contener la mezcla aire-combustible que se va a quemar.
Cámara de expansión de la mezcla aire-combustible.
10 En la parte inferior se encuentra la bancada, Dónde se alberga el cigüeñal con interposición de las chaquetas o cojinetes de fricción. La bancada puede ser de sombreretes independientes, en los bloques de función, o de una tapa de bancada o semicárter que es más rígido, sobre todo en los bloques de aleación de aluminio (Astudillo, 2010).
Figura 5. Bloque con sombreretes independientes de bancada .(Hoyas, A. 2010)
Conjuntamente el bloque sirve para:
Unir diferentes mecanismos o sistemas auxiliares como la distribución, la refrigeración, el engrase, entre otros.
Guiar los fluidos de los sistemas de refrigeración y engrase hacia los lugares necesarios, a través de unos orificios mecanizados.
Acoplar la caja de cambios.
Las siguientes características, son necesarias para su correcto funcionamiento.
Gran rigidez o resistencia estructural.
Alta resistencia al desgaste.
Mayor capacidad de expulsión del calor.
La clasificación de los bloques se realiza de acuerdo a la forma de fabricar los cilindros:
11
Bloques con camisas secas. Las camisas son independientes y se introducen a presión en el bloque, y no tiene relación directa con el sistema de refrigeración.
Bloques con camisas húmedas. Las camisas también son independientes no se las introduce a presión y su relación es directa con el sistema de refrigeración.
2.2.1.2 Cabezote (culata)
La culata es aquella pieza que cierra el bloque por su parte superior. Se unen la culata y el bloque a través de sus superficies planas, interpuestas por la junta de culata, cuya tecnología y característica es muy especial. Están anclados por pernos roscados que aseguran el cierre entre la culata y bloque.
La culata como se puede ver en la figura 6 es una pieza, cuya fabricación es costosa.
Figura 6. Cabezote (culata)
(Hoyas, A. 2010)
Para su fabricación y diseño se debe tomar en cuenta que elementos debe albergar en su interior:
Las cámaras Dónde se efectúa la combustión.
Parte de las lumbreras de admisión y de las lumbreras de escape con sus respectivas válvulas, balancines, taqués, árboles de levas y otras piezas de la distribución.
12
Bujías de encendido o de precalentamiento.
Inyectores.
Orificios para los pernos de culata y varios espárragos.
Otras zonas planas para la unión a otros elementos.
La culata, con su junta de cierre, son las partes que con frecuencia provocan daños ocasionadas por elevadas presiones y temperaturas que soportan. Existen culatas para motores diésel y para motores de gasolina, la principal característica que las diferencia es la forma que tiene la cámara:
En los motores diésel la cara de la culata suele ser perfectamente plana, siendo el pistón la cámara de combustión, o en una precámara que comunica con el cilindro por medio de un pequeño conducto.
La cámara en los motores de gasolina, como se puede observar en la figura 7 se encuentra situada en la culata, existen distintas formas como: hemisféricas, de bañera, cuña, Herón, entre otras.
Figura 7. Cámaras de combustión de gasolina: en forma de bañera, cuña y hemisférica.
(Rivas, Gonzalez, & Escudero, 2011)
2.2.1.3 Tapa de culata o de balancines
13 Una de sus funciones es la de estanqueizar el aceite y sus vapores, condensándolos y convirtiéndolos en líquidos nuevamente, para que con la gravedad caigan otra vez al motor. Para hacer dicha estanqueidad existe la interposición de la junta de la tapa de balancines.
Figura 8. Tapa de culata o balancines
(Rivas, Gonzalez, & Escudero, 2011)
2.2.1.4 Cárter
El cárter como se puede observar en la figura 9, es la tapa encargada del cierre del bloque motor por su parte inferior. Su función es hacer de recipiente de aceite, refrigerándolo ligeramente. Aloja el tapón de vaciado para realizar la reposición de aceite y puede albergar sensores de temperatura, nivel de aceite, entre otros.
Para realizar el cierre entre el bloque y cárter se encuentra interpuesta una junta de elastómeros, papel o cordón líquido de poliuretano o silicona. La fabricación del cárter se puede realizar con diferentes materiales, los cuales pueden ser:
14
Aleación de aluminio. Su peso es menor y su refrigeración alta. Se recurre muchas veces a una solución intermedia.
El cárter está compuesto de dos piezas: la superior de aluminio que ayuda a la refrigeración y la inferior de chapa que impide que se escape el aceite por impactos.
Figura 9. Cárter
(Hoyas, 2010)
2.2.2 ELEMENTOS MÓVILES
2.2.2.1 Pistones
El pistón es aquel elemento del motor que se desliza al interior del cilindro con un movimiento lineal alternativo, ayudándole al cilindro como guía. En la parte superior es decir en la cabeza del pistón se origina la combustión o fuerza de expansión de los gases. La combustión impulsa el pistón hacia abajo en su carrera descendente y, a su vez, el pistón traslada el movimiento a la por medio del bulón y la biela al cigüeñal.
Las condiciones a las que se encuentra sometido el pistón, son las siguientes:
15
Cambiantes de temperaturas muy bruscas.
Inercias de aceleraciones y desaceleraciones al pasar de los puntos muertos, lugar Dónde la velocidad es cero, al punto central de su carrera, lugar Dónde la velocidad es máxima, y viceversa.
Motivo por el cual, las principales características de los pistones son:
Existen para cada tipo de motor, determinados diseños, fabricación, y el material utilizado.
Resistencia a las elevadas temperaturas y los grandes esfuerzos mecánicos y
Gran capacidad para expandir bien el calor al sistema de refrigeración y Alta conductibilidad térmica.
Realizar el cierre lo mejor posible.
Tener un coeficiente reducido de dilatación para tener una holgura lo más constante posible en el cilindro.
Gran cualidad de movimiento, pues tienen roces muy importantes.
Ser lo más ligero posible para evitar grandes inercias.
La fuerza actuante en el pistón, idealizando una sección circular plana, se calcula mediante la ecuación (4):
𝐹𝑃 = 𝐹𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠+ 𝐹𝐴 [4]
Dónde:
𝐹𝑃: Fuerza en el pistón
𝐹𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠: Fuerza producida por la combustión
𝐹𝐴: Fuerza alternante del mecanismo biela-manivela.
Un pistón, como se muestra en la figura 10 está constituido por las siguientes partes:
16 alberga la cámara de combustión o deflectores, que optimizan la homogeneización de la mezcla y la combustión.
Figura 10. Pistón de motor de inyección directa.
(Rivas, Gonzalez, & Escudero, 2011)
Zona de segmentos. Es la parte cajeada que aloja los segmentos, tres generalmente. En el cajeado superior, que es el que más sufre las presiones y temperaturas elevadas, se suele poner un cajeado postizo de fundición.
Zona de alojamiento del bulón. Es la zona más robusta y reforzada de este, pues aquí es Dónde se transmite el movimiento al pie de biela.
La falda del pistón. Es la parte inferior del mismo y sirve para hacer el guiado del pistón y evitar que cabecee. En la falda se suele colocar una serigrafía de grafito y molibdeno para disminuir el rozamiento con el cilindro. La falda suele ser más larga en las zonas transversales al bulón.
2.2.2.2 Anillos de pistón o Segmentos
17 de transmitir la mayor parte del calor de la combustión recibido por el pistón y cederla al cilindro, Dónde lo disipa el sistema de refrigeración.
La disipación del calor también se produce gracias al aceite que queda impregnado en el cilindro y que los segmentos rascan y lo hacen caer por el interior del pistón y, de ahí, al cárter. El hecho de recoger el aceite evita que este pase a la cámara y se queme, evitando así el consumo excesivo de aceite y logrando una menor contaminación.
Lo más habitual es encontrar pistones con tres segmentos, tal como se puede observar en la figura 11, aunque existen otros con cuatro, como por ejemplo en los vehículos industriales, o incluso con dos, en motores pequeños. La sección de los segmentos varía en función de su posición y sus características (Callejas, 2012).
Figura 11. Ubicación de los segmentos
(Rivas, Gonzalez, & Escudero, 2011; Antonio & Domínguez, 2015)
En el caso de que haya tres segmentos, son los siguientes:
Segmento de fuego. Es un segmento de compresión. Va alojado en el mecanizado de la parte superior del pistón. Soporta la combustión directamente y es el que tiene que disipar más calor.
18 siguiente a rascar el aceite que haya quedado y que recogerá este último.
Segmento de engrase o rascador. Situado en la parte inferior. Rasca la mayor parte del aceite, lo recoge para que no pase a la cámara de combustión y lo hace pasar, por unos orificios que se practican en su cajeado, a la parte interior del pistón para refrigerarlo. El segmento de engrase suele estar constituido por varias piezas, entre ellas un muelle asegura el buen contacto con el cilindro.
2.2.2.3 Bulones
El bulón es aquel eje que ayuda al anclaje del pistón y el pie de la biela. A través de él se transfiere toda la fuerza de la combustión. Hace referencia a un elemento hueco sometido a esfuerzos de flexión. El bulón,figura 13. Elemento 5, su elaboración se realiza en acero aleado. A continuación se efectúa un procedimiento superficial de nitruración o cementación.
2.2.2.4 Bielas
La función de la biela es transmitir las fuerzas del émbolo a la manivela del cigüeñal a través del bulón que los une; es decir, es un elemento que transforma el movimiento rectilíneo del pistón a circular o rotativo del cigüeñal. En motores convencionales son de acero estampado y en motores competición son de materiales de aluminio de alta resistencia con aleaciones de titanio y de alta resistencia obtenida también por estampación.
19 en motores pequeños, o de forma oblicua, cuando la anchura de la cabeza de la biela es mayor que el diámetro del cilindro, en motores más grandes.
Figura 12. Tipos de bielas (Funes, 2005)
El movimiento de la biela, es una combinación del movimiento giratorio y movimiento de traslación, esta condición distribuye la masa de la biela, un tercio para el movimiento giratorio y 2/3 para el movimiento alternativo. Para calcular el módulo resistente del muñón de biela, se obtiene mediante la siguiente ecuación (5)
𝑊 =𝐹𝑇..𝐿
8.𝜎 [5]
Dónde:
𝑊: Módulo resistente de una sección
𝐹𝑇: Fuerza total sobre el muñón de bancada
𝐿: Ancho del cojinete de fricción del muñón de biela 𝜎; Esfuerzo admisible del material
2.2.2.5 Cigüeñal
20 bielas y se convierte en un par que hace girar al cigüeñal. La forma del cigüeñal como se muestra en la figura 13. Elemento 1 depende del número de cilindros, el tipo de motor, el orden de encendido, el número de apoyos en la bancada.
Figura 13. Elementos del tren motriz
(Porras & Soriano, Maquinaria agricola, 2011)
Los cigüeñales se fabrican en fundición de hierro aleados con otros materiales. Los más comunes son los forjados por estampación de acero aleado. Posteriormente se les da un tratamiento superficial que puede ser nitruración, cementación, temple o revenido.
El cigüeñal constituye un elemento crítico del mecanismo biela-manivela, trabaja en condiciones de torsión y flexión, es necesario, establecer los momentos flectores y torsionales en el muñón de bancada. Si el muñón de bancada del cigüeñal, se idealiza con una sección circular sólida, el modulo resistente por flexión, se obtiene mediante la ecuación (6):
𝑊𝑧 = 𝑀𝜎𝐹 =𝜋.𝑑
3
32 [6]
Dónde:
21 𝑀𝐹: Momento flector
𝑑: Diámetro mínimo del muñón 𝜎: Esfuerzo admisible del material
En la figura 14, se analiza la sección circular, si el muñón del cigüeñal, se idealiza con una sección circular sólida, el modulo resistente por torsión, se obtiene mediante la ecuación (7):
𝑊𝑡= 𝑀𝜎𝑡 =𝜋.𝑑
3
16 [7]
Dónde:
𝑊𝑡: Módulo resistente de una sección por torsión 𝑀𝑡: Momento torsor del cigüeñal
Figura 14. Sección circular sólida
(Ingemecanica, 2012)
2.2.2.6 Cojinetes o chaquetas de fricción
22
El eje que soporta no debe rayarse ni desgastarse la superficie
No debe presentar ablandamiento con el aumento de temperatura
En este elemento se deben incrustar las partículas sólidas
Facilita el montaje
Existen también los llamados casquillos axiales que se intercalan entre el cigüeñal y la bancada y sirven para limitar el juego axial de este. Algunas veces van incluidos directamente en los casquillos de bancada centrales en una sola pieza.
El cojinete de biela y bancada trasmite las cargas reactivas del cigüeñal, fundamentalmente las cargas radiales, por lo tanto es importante establecer la capa mínima de lubricante necesaria para una lubricación hidrodinámica o en condiciones extremas, para obtener la presión sobre el cojinete, se utiliza la ecuación (8):
𝑃𝑀 =𝐴𝐹
𝑀 [8]
Dónde:
𝑃𝑀: Presión admisible sobre el muñón 𝐴𝑀: Área del muñón
2.2.2.7 Volante de inercia
23 El volante de inercia reduce significativamente, la aceleración angular sobre el cigüeñal haciendo, de esta manera, más uniforme su marcha. La desventaja del uso de este volante de inercia, es que también, es más difícil hacer que empiece a girar el motor. Por esta razón, se requiere de un motor eléctrico, el arrancador, que le dé un impulso inicial al cigüeñal.
Figura 15. Volante de inercia
(Porras & Soriano, Maquinaria agricola, 2016)
2.2.3 SISTEMAS AUXILIARES
2.2.3.1 Sistema de Distribución
El mecanismo de la distribución como muestra la figura 16, consta de un árbol de levas accionado por el propio cigüeñal, que gira a la mitad de revoluciones que este y cuya función es la de abrir y cerrar las válvulas de admisión y escape de una manera totalmente sincronizada, para completar los 4 tiempos que realiza el ciclo del motor. Para ello el sistema utiliza otros elementos como taqués, varillas, balancines, eje de balancines, entre otros.
Figura 16. Sistema de distribución DOHC
24
2.2.3.2 Circuito de lubricación
El circuito de lubricación se encarga de reducir los rozamientos dentro del motor, disminuyendo así los aumentos de temperatura. Los rozamientos provocados por el desplazamiento y giro de las piezas del motor se pueden limitar de dos maneras:
Con la interposición piezas de distinto material y bajo coeficiente de fricción. Esta solución no es suficiente.
Con la interposición de una capa de lubricante que impide la unión física entre los metales
El sistema de lubricación como se observa en la figura 17, impide la producción de exceso de calor en el motor, disminuyendo pérdidas de energía, y alargando la vida útil del motor.
Figura 17. Circuito de lubricación
(Rivas, Gonzalez, & Escudero, 2011)
2.2.3.3 Circuito de refrigeración
25
Refrigeración por aire. Es usada por motores pequeños y de dos tiempos, se encarga de propagar el calor a través de unas aletas. Se dificulta mantener estable la temperatura del motor, los motores a mayor temperatura, suelen trabajar a unos 120°C.
Refrigeración por líquido, como se observa en la figura 18. Sin dificultad conserva una temperatura constante de 90°C y 100°C. El calor del motor se expande primero al líquido refrigerante y posterior a la atmósfera por medio del radiador, que contiene muchas aletas para agrandar la superficie de contacto (Camacho, 1988).
Figura 18 Circuito de refrigeración por líquido
(Antonio & Domínguez, 2015)
PARÁMETROS DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
2.3.1 PARÁMETROS GEOMÉTRICOS
26 muerto inferior (PMI). Los parámetros geométricos del motor, como se puede ver en la figura 19, son los siguientes:
Carrera (s)
Diámetro (d)
Longitud de biela (l) (Astudillo, 2010)
Radio de cigüeñal (r)
Figura 19. Parámetros geométricos del motor
(Antonio & Domínguez, 2015)
A partir de estos parámetros se define la relación de compresión (rc), como
el cociente entre el volumen total máximo ocupado por la carga fresca dentro del cilindro del motor y el volumen ocupado por la cámara de combustión cuando el pistón se encuentra en el PMS, también llamado volumen de la cámara de combustión, se obtiene según la ecuación (9):
𝑟𝑐=𝑉𝜇+𝑉𝐶
𝑉𝐶 [9]
Dónde:
𝑉𝜇: Volumen del cilindro del motor 𝑉𝐶: Volumen de compresión del motor
27 especial si se trata de un motor de combustión de carga homogénea o un motor de combustión de carga heterogénea, pero, al mismo tiempo un elevado valor de relación de compresión condiciona de modo especial el diseño mecánico del mecanismo y limita su régimen de giro. (Heywood, 1998)
Los parámetros descritos determinan la cinemática del mecanismo y tamaño del mecanismo, mientras que los parámetros que determinan su comportamiento térmico y fluido dinámico están asociados esencialmente al diámetro del pistón, de modo que se define la sección del pistón (Ap), que determina el área por la que se transferirá calor al pistón, elemento de difícil refrigeración, y el tamaño disponible para alojar las válvulas de admisión y escape en la culata.
La relación de estos parámetros, se expresan por medio de la cilindrada del motor, de la siguiente manera:
A mayor cilindrada unitaria, se tendrán pistones de mayor tamaño y mayor compacidad de la cámara de combustión, es decir, a igual volumen de la misma, menor superficie, con lo que se tendrá un mecanismo alternativo más másico, por el tamaño del pistón, y que verá limitada su potencia de refrigeración por la poca superficie de contacto con el exterior, lo que conlleva la posibilidad de conseguir mayores rendimientos, pero menores valores de potencia debido a su menor velocidad de rotación, quedando, en consecuencia, limitada la potencia específica del motor.
28 relación carrera diámetro, que determina la del flujo de fluido de trabajo dentro del motor. (Heywood, 1998)
La relación biela manivela, que define y condiciona la transformación entre el movimiento alternativo del pistón y el rotativo del cigüeñal, se define con el parámetro λ, bajo la ecuación (10):
λ =𝑟𝑙 [10]
Dónde:
Λ: Relación geométrica de biela manivela
𝑟: Radio del cigüeñal
𝑙: Longitud de la biela
El parámetro λ tiene únicamente repercusiones de carácter mecánico, ya que afectan el recorrido, velocidad y aceleración del pistón, y no afectan al rendimiento termodinámico del motor.
Una de las características geométricas del cilindro más significativas es la relación entre la carrera del émbolo (S) y el diámetro del cilindro (D), que acostumbra a designarse con el parámetro k, definido por la siguiente ecuación:
𝑘 =𝐷𝑆 [11]
A partir de su valor, se define el concepto de motor cuadrado cuando k=1; el motor será alargado si S>D, k>1 y supercuadrado si S<D, k<1. Esta relación tiene un límite inferior impuesto por el paso de la biela por la falda del pistón.
2.3.2 PARÁMETROS CINEMÁTICOS
29 pistón según la posición del cigüeñal. El análisis está basado en la condición de posición del cigüeñal, como se muestra en la figura 20.
Figura 20 Relación geométrica del mecanismo biela-manivela del motor
(Porras & Soriano, Maquinaria agricola, 2011)
El desplazamiento (𝑥) se determina, por la siguiente ecuación:
𝑥 = 𝑟 + 𝑙 − 𝑟𝑐𝑜𝑠𝜃 − 𝑙𝑐𝑜𝑠∅
El desplazamiento del pistón(𝑥), se calcula con la siguiente ecuación:
𝑥 = 𝑟(1 − 𝑐𝑜𝑠𝜃) +𝑟2
2𝑙. 𝑠𝑒𝑛2𝜃 [12]
La velocidad del pistón (𝑣), se calcula con la siguiente ecuación:
𝑣 = 𝑟𝜔[𝑠𝑒𝑛 𝜃 + 𝑟
2𝑙. 𝑠𝑒𝑛2𝜃] [13]
La aceleración del pistón (𝑎), se calcula con la siguiente ecuación:
𝑎 = 𝑟𝜔2[𝑐𝑜𝑠𝜃 +𝑟
𝑙. 𝑐𝑜𝑠2𝜃] [14]
Dónde:
𝜔: Velocidad angular del cigüeñal.
30
Figura 21 Curva de velocidad y aceleración
(Porras & Soriano, Maquinaria agricola, 2011)
La velocidad media del pistón se calcula mediante la ecuación(15)
𝑐𝑚 = 2. 𝑆. 𝑛 [15]
Dónde:
𝑐𝑚: Velocidad media del pistón 𝑛: Régimen de giro del motor.
2.3.3 PARÁMETROS CINÉTICOS
Los parámetros cinéticos del motor alternativo están vinculados a las leyes de Newton, estas explican, de manera muy completa, el movimiento de todos los fenómenos de la naturaleza, se enuncian en tres leyes, de la siguiente manera:
Primera ley conocida como Ley de la inercia: un cuerpo permanecerá en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme a menos de que una fuerza efectiva actúe sobre él. Las fuerzas de inercia del mecanismo biela-manivela se calcula, mediante la ecuación (16):
𝐹𝑖 =𝑚𝐴.𝑣𝑇
2
31 Dónde:
𝐹𝐼: Fuerza de inercia 𝑚𝐴: Masa alternante
𝑣𝑇: Velocidad tangencial en el cigüeñal
La masa de los elementos del movimiento alterna constituye los 2/3 de la masa de la biela más la masa del pistón y sus componentes.
Segunda ley: la fuerza aplicada sobre un objeto es el resultado del cambio del ímpetu (también conocido como cantidad de movimiento, momentum o momento lineal) en el tiempo. En el caso del mecanismo biela-manivela se obtiene mediante la ecuación(17):
𝐹𝐴 = −𝑚𝐴. 𝑎 = −𝑚𝑎. (𝑤2∗ 𝑟 ∗ (𝑐𝑜𝑠𝛼 + 𝜆. 𝑐𝑜𝑠2𝛼)) [17]
Dónde:
𝐹𝐴: Fuerza de inercia 𝑚𝐴: Masa alternante 𝑎: Aceleración del pistón
La ecuación (17), calcula fuerza considerando la masa que se traslada del mecanismo biela-manivela.
Al considerar, el movimiento circular o giratorio del mecanismo, la masa es diferente y se obtiene mediante la ecuación (18):
𝐹𝐶 = 𝑚𝐶. 𝑤2. 𝑟 [18]
Dónde:
𝐹𝐶: Fuerza centrifuga
32 En la figura 22, se observa el efecto de las fuerzas en una biela del motor.
Figura 22 Acción de las fuerzas actuantes en una biela
(Porras & Soriano, Maquinaria agricola, 2011)
Tercera ley conocida como Ley de acción-reacción: a toda acción corresponde una reacción de la misma magnitud en sentidos opuestos. La búsqueda experimental y los recursos adecuados para llegar a lograr el par máximo a un determinado número de rpm y la potencia máxima a otro número de rpm (algo o mucho mayor que el anterior), implican normalmente- no sólo el hallazgo del reglaje apropiado para el árbol de levas, sino, simultáneamente, el diseño adecuado en formas longitudinales y secciones de los múltiples de admisión y escape. Esta entretenida y paciente búsqueda experimental se conoce con el nombre de puesta en sintonía de los múltiples, pues aquí también se trata de producir resonancia entre el período propio de vibración de las ondas de presión de los gases en el múltiple de admisión y de escape, y del régimen elegido de funcionamiento respiratorio del motor (Funes, 2005).
RENDIMIENTOS
DEL
MOTOR
DE
COMBUSTIÓN
INTERNA
33
Rendimiento termodinámico (ηt): Es aquel vínculo que surge de la
comparación realizada del trabajo producido Wi (medido por el área del
ciclo indicado) con el trabajo suministrado, en trabajo del calor gastado por obtenerlo (WQ). Una parte considerable del calor desarrollado en el
proceso de la combustión, se pierde en calentamiento del agua del sistema de refrigeración y en los mismos gases de escape que son expulsados aún calientes.
Rendimiento mecánico (ηm): Es el vínculo que existe entre el trabajo
que realiza el cigüeñal y el trabajo que se obtiene en el pistón. Este rendimiento toma en consideración el trabajo captado por las fricciones de los elementos en movimiento del motor: cigüeñal (eje de rotación), pistón, biela, y de las partes complementarias del motor, tales como: alternador, bomba de agua, bamba de aceite, motor de arranque, al igual que el trabajo captado en el bombeo (admisión y escape). El rendimiento mecánico decae, no únicamente al incrementar la velocidad media del pistón (cuando sube el régimen del motor), sino, también, al reducir la cilindrada unitaria.
Hablando de potencia, el rendimiento mecánico de un motor es la relación existente entre la potencia efectiva y la potencia indicada.
Rendimiento total (ηT): En un motor, el rendimiento total es el vínculo
que se da entre el trabajo efectivo We obtenido en el cigüeñal y el
semejante a la energía calorífica del combustible utilizado WQ; en
conclusión el rendimiento total es igual a la multiplicación del rendimiento termodinámico y el mecánico.
Hablando de potencia, el rendimiento total de un motor es la relación existente entre la potencia efectiva y la potencia teórica.
Rendimiento volumétrico (ηv): Es el vínculo que se origina entre la
masa del gas (Me) inyectado efectivamente en el cilindro, en cada ciclo y
la masa (Mc) total de una carga completa, es decir, de volumen igual al
34 válvulas. Ciertamente, cuando la velocidad de rotación del motor es superior, disminuye el tiempo que se mantiene abierta la válvula de admisión, concluyendo una situación en Dónde la cantidad de gases que ingresan al cilindro es insatisfactoria, lo que ocasiona una merma de la potencia que desarrolla el motor a partir de cierto régimen. Diríamos que, no se puede incrementar perpetuamente la velocidad y la potencia de un motor.
Actualmente los motores son fabricados de forma que, se facilite la aspiración y que a altas revoluciones conserven un rendimiento volumétrico superior, motivo por el cual, las válvulas de admisión se elaboran de mayor dimensión y el múltiple de admisión más grande, menos áspero, y con longitudes minimizadas (Funes, 2005).
El rendimiento volumétrico también está condicionado por la temperatura de la marcha del motor y de las condiciones ambientales, ya que a medida que aumenten dichas condiciones, más se dilata el gas que llega al cilindro, disminuyendo la cantidad que puede ingresar.
CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL MCIA
Las curvas características de un motor definen sus prestaciones en los distintos estados de funcionamiento, por ejemplo, a distintas cargas, revoluciones, entre otras. Todo motor viene identificado por sus características constructivas y de funcionamiento (potencia útil, par motor y consumo específico), todas ellas representativas de la energía que es capaz de desarrollar y del aprovechamiento útil de la misma en su aplicación a vehículos de tracción.
35
Potencia (𝑊̇)
Par motor (𝑀)
Régimen de giro (𝑛)
Las relaciones que vinculan estos parámetros, se determinan por la ecuación (20) y (21):
𝑴 = 𝑭. 𝒓 [19]
𝑊̇ = 𝑀. 𝑤 [20]
Dónde:
r: Radio del cigüeñal
w: Velocidad angular del motor M: Par motor
Figura 23. Curvas del motor
(Porras & Soriano, Maquinaria agricola, 2011)
2.5.1 NORMALIZACIÓN DE LOS ENSAYOS
36
Ensayos de potencia SAE: se realizan sobre motores desprovistos de elementos auxiliares acoplados al mismo para su funcionamiento, como son: ventilador, bomba de agua y generador.
Ensayos de potencia DIN: se realizan sobre motor con todos sus accesorios funcionales acoplados, en las mismas condiciones de funcionamiento que en el vehículo, y sirven para determinar la potencia absorbida por los accesorios acoplados al motor.
VEHÍCULOS DE COMPETENCIA
2.6.1 AUTOMÓVILES POTENCIADOS
El aumento potencia, es viable, en un motor de serie, mejorándolo para desenvolverse con preferencia en un tráfico de carretera y no en el urbano, una solución que no ocasionará problemas, contendrá un aumento de consumo moderado y aumentará ligeramente la potencia, puede consistir en aumentar 5º todos los valores iniciales del diagrama de distribución del motor. Por ejemplo, si el motor de serie dispone de un árbol de levas con reglaje de 25-65-65-25, para los tiempos de admisión y escape, como puede ser más o menos frecuente en motores comerciales rápidos, se puede acudir sin demasiados problemas a decantarse por aplicarle un árbol de levas con un reglaje de 30-70-70-30, modificándose los tiempos admisión y escape originales. Si la alimentación ha sido corregida para mejorar el paso de la mezcla por los conductos, el aumento de potencia puede ser favorable y la conducción no va a perder sus virtudes.
2.6.2 AUTOMÓVILES DE RALLY
37 levas el régimen de utilización se encontrará en el orden de 3.000 rpm más arriba (Funes, 2005).La conducción se hace más difícil pero el aumento de potencia, si se han efectuado los demás trabajos de mejoramiento, puede ser considerable.
2.6.3 AUTOMÓVILES DE ALTA VELOCIDAD
Cuando lo que se pretende, es conseguir un motor con el máximo de potencia, que se mantengan en el terreno de utilización alrededor de las 14.000 rpm se puede llegar a utilizar árboles de levas con reglaje de hasta 50-80-80-50. Estos motores no disponen de potencia alguna por debajo de las 6.000 rpm, de modo que son absolutamente inoperantes fuera del circuito. A partir de estos valores, el preparador podrá comprobar los resultados obtenidos y realizar diferentes modificaciones, hasta conseguir el más perfecto diagrama para su motor (Funes, 2005).
Como norma general, cuando el ángulo de cruce necesita ser tanto mayor cuanto mayor es el número de rpm, al cual el motor ha de brindar su potencia máxima, y cuanto más largos, laberínticos y estrechos sean sus múltiples de admisión y escape (es decir, cuanto más dificultados se hallen el ingreso y la expulsión de los gases).
MÉTODOS DE POTENCIACIÓN MCIA
El punto de partida para el desarrollo de un vehículo de competición es el ámbito Dónde se lo va a utilizar (pista, rally o picadas), los métodos para incrementar la potencia de un motor de combustión interna son los siguientes:
Aumento de régimen de giro
Aumento del par motor
38 Para cualquier método de potenciación, es necesario, establecer la condición máxima de régimen de giro del motor a modificar, se obtiene mediante la ecuación (19) (Funes, 2005)):
𝑅𝑃𝑀 =630𝑆 [21]
Dónde:
630: Conversión correspondiente a un motor de 4 tiempos. 𝑅𝑃𝑀: Régimen de giro de condición máxima
𝑆: Carrera del motor
En cualquier caso de modificación, los resultados más apropiados se consiguen al combinar los dos tipos de modificaciones posibles.
2.7.1 AUMENTO DE RÉGIMEN DE GIRO
El número de revoluciones máximo de un motor está condicionado por tres factores principales:
Momentos de inercia. Aumentan cuando suben las revoluciones. Para disminuirlos se hacen motores pequeños, muy ligeros y muy bien equilibrados. Los momentos de inercia pueden llegar a gastar un motor rápidamente e incluso llevarlo a su destrucción.
39
Lubricación entre el pistón y el cilindro. Esta lubricación es de tipo semifluida bastante crítica. Al aumentar la velocidad media del pistón es más fácil que se rompa la película de aceite y se produzca un gripaje. Para evitar esto, en la actualidad, se utilizan aceites de síntesis de gran calidad, con cadenas de hidrocarburos muy largas que evitan en mayor medida la ruptura de la película, además de colocar inyectores que proyectan aceite que ayuda a lubricar y refrigerar.
Los factores indicados pueden reducir la fiabilidad del motor, por tanto, no es el camino más indicado para conseguir el aumento de potencia.
El aumento de la potencia incrementando el régimen de giro del motor crea motores poco elásticos que a bajas revoluciones tienen bajo par, por lo que deben rodar a altas revoluciones para subsanarlo, aumentando el consumo y la contaminación, esto también, produce una pérdida de elasticidad haciendo que la conducción tenga menor confort de marcha.
2.7.2 AUMENTO DEL PAR MOTOR
Para el aumento del torque o par del motor, existen tres opciones viables para alcanzar este objetivo, y son las siguientes:
Aumentando la cilindrada. Se consigue un par más alto y, por consiguiente, más potencia; pero también se incrementa el tamaño, el peso, el consumo y la contaminación.
Incrementando la relación de compresión (rc). Es uno de los mejores
40 potencia conseguidos con el incremento de la relación de compresión no son muy importantes.
Aumentando el rendimiento volumétrico. Al haber mayor cantidad de mezcla, esta empuja con mayor fuerza la cabeza del pistón, incrementando el par y, por consiguiente, la potencia. De esta forma, se consigue mayor potencia teniendo unos consumos muy contenidos y la contaminación muy limitada, por lo que actualmente es la forma más habitual de conseguir aumentos de potencia. Además, el incremento de potencia puede ser bastante importante, dependiendo sobre todo de cómo se consiga. El aumento de rendimiento volumétrico se puede conseguir mediante:
Colectores de geometría variable.
Distribuciones multiválvulas.
Distribuciones variables.
Sobrealimentación.
En realidad, con las distribuciones multiválvulas y la sobrealimentación se mejora el rendimiento volumétrico para aumentar la potencia, pero solo a altas revoluciones. A bajas revoluciones, habrá menor par y menos potencia que sin estos sistemas que mejoran la carga a altos regímenes. La combinación de los sistemas con los colectores de geometría variable y las distribuciones variables que permiten un alto rendimiento volumétrico a altas revoluciones y obtener más potencia a bajas revoluciones, obteniéndose un buen par sin tener que sacrificar la elasticidad del motor en pro de una alta potencia máxima.