UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
ANÁLISIS TEÓRICO Y PRÁCTICO DEL RENDIMIENTO DEL
VEHÍCULO A CARBURADOR AL REEMPLAZAR EL SISTEMA
DE CARGA ELÉCTRICA IMPULSADO POR POLEA
(ALTERNADOR) A UN SISTEMA DE CARGA ACCIONADO
POR LOS GASES DE ESCAPE DEL MOTOR
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
VÍCTOR HUGO ANDRADE VALLEJO
DIRECTOR: ING. EDWIN TAMAYO MSc.
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2015
DECLARACIÓN
Yo Víctor Hugo Andrade Vallejo, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o
calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas
que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de
Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional
vigente.
_________________________ Víctor Hugo Andrade Vallejo
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Análisis teórico y práctico del rendimiento del vehículo a carburador al reemplazar el sistema de carga eléctrica impulsado por polea (alternador) a un sistema de carga accionado por los gases de escape del motor”, que,
para aspirar al título de Ingeniero Automotriz fue desarrollado por
Víctor Hugo Andrade Vallejo, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones
requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.
___________________
Ing. Edwin Tamayo MSc.
DIRECTOR DE TESIS
DEDICATORIA
A Dios por haberme dado las fuerzas y la voluntad suficiente durante este
tiempo para culminar mi tesis,
A los dos grandes pilares de mi vida; Mis padres, que con su esfuerzo
constante, paciencia y sus consejos, han hecho de mí una persona de bien y
una persona correcta en la vida, a mis hermanas, amigos y familiares que
fueron parte fundamental en esta etapa de mi vida, y supieron acompañarme
AGRADECIMIENTO
A mis padres por la vida que me han dado, y a Dios por permitirme vivirla
junto a ellos; Mis logros, mis alegrías, y mis victorias.
Mis más gratos y sinceros agradecimientos a la Universidad Tecnológica
Equinoccial, por haberme acogido en sus aulas durante estos años, a mis
compañeros por su amistad sincera y afecto que me brindaron durante este
tiempo.
A mis profesores por compartir sus conocimientos y haberme inculcado el
amor hacia mi carrera, y lo importante de ser una persona ética y correcta en
i
INDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN... vi
ABSTRACT... vii
1. INTRODUCCIÓN ... 1
2. MARCO TEÓRICO ... 7
2.1. POTENCIA DEL MOTOR ... 7
2.2. POTENCIA INDICADA Ò UNITARIA ... 9
2.3. POTENCIA EFECTIVA... 12
2.4. POTENCIA ABSORBIDA ... 14
2.5. OTRAS CLASES DE POTENCIA ... 15
2.5.1. POTENCIA TEÓRICA ... 15
2.5.2. POTENCIA ELÉCTRICA ... 16
2.6. ELEMENTOS SOPLANTES ... 16
2.6.1. VENTILADORES CENTRIFUGOS ... 17
2.7. SISTEMA DE CARGA DEL VEHÍCULO ... 18
2.8. ACUMULADOR O BATERIA ... 20
2.9. DINAMO... 21
2.10. ALTERNADOR ... 23
2.11. FUNCIONAMIENTO ... 26
2.12. PICOS DE TENSION ... 32
2.13. PARTES DEL ALTERNADOR ... 32
2.13.1. ROTOR O INDUCTOR ... 32
2.13.2. ESTATOR O INDUCIDO ... 33
2.13.3. PORTA DIODOS O PUENTE RECTIFICADOR ... 34
2.13.4. REGULADOR DE VOLTAJE ... 36
2.13.5. REGULADORES DE TENSIÓN ELECTRO MAGNÉTICOS ... 37
2.13.6. REGULADORES ELECTROMAGNÉTICOS CON AYUDA ELECTRÓNICA ... 38
3. METODOLOGÍA ... 39
3.1. DESARROLLO DEL TRABAJO ... 39
ii 4.1. RESTAURACIÓN Y PUESTA EN MARCHA DEL MOTOR ISUZU ASKA
4ZB1 1.8 ... 42
4.2. EVALUACIÓN DEL MOTOR ... 43
4.3. SISTEMA DE ESCAPE ... 47
4.4. CAMBIO DE POSICIÓN DEL RADIADOR ... 50
4.5. CARBURADOR ... 51
4.6. DESMONTAJE DE LA CAJA DE CAMBIOS, A/C Y DIRECCION HIDRÁULICA ... 53
4.7. REEMPLAZO DE RETENEDOR DE CIGÜEÑAL ... 55
4.8. SISTEMA ELÉCTRICO ... 58
4.9. DISPOSITIVO DE CARGA ... 62
4.9.1. BLOWER ... 62
4.10. BANCO DE PRUEBAS. ... 65
4.11. PROCEDIMIENTO ... 67
4.11.1. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO DEL ALTERNADOR ... 67
4.11.2. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO DEL DINAMO ... 67
4.12. CÁLCULOS ... 68
4.13. ENSAYO DEL ALTERNADOR ... 70
4.13.1. RENIDMIENTO ... 72
4.14. ENSAYO DEL DINAMO ... 73
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 77
5.1. CONCLUSIONES ... 77
5.2. RECOMENDACIONES ... 79
GLOSARIO ... 81
BIBLIOGRAFÍA ... 84
iii
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Estado inicial del motor ... 40
Tabla 2. Especificaciones técnicas del motor 4ZB1 ... 42
Tabla 3. Lista de materiales para la restauración del motor ... 44
Tabla 4. Lista de insumos usados en la restauración del motor ... 45
Tabla 5. Especificaciones del ventilador ... 63
Tabla 6. Especificaciones de caudales según su diámetro ... 63
Tabla 7. Voltajes A 2000 RPM Alternador Sin Bateria ... 70
Tabla 8. Consumo de halógenos en vatios ... 70
Tabla 9. Consumo de halógenos en amperios ... 72
Tabla 10. Especificaciones técnicas dinamo Tokushu Denso ... 74
Tabla 11. Lecturas de voltaje, dinamo desde 2500 RPM ... 74
Tabla 12. Lecturas de intensidad del dinamo desde 2500 RPM ... 75
iv
INDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Fuerzas que intervienen dentro del cilindro ... 8
Figura 2. Volumen de la cámara vs relación de compresión motor ciclo Otto y diésel . 10 Figura 3. Fuerza aplicada a la biela del motor y su transmisión al cigüeñal ... 13
Figura 4. Tipos de motores según su carrera y diámetro ... 15
Figura 5. Ventilador centrifugo ... 17
Figura 6. Tipos de aletas de ventiladores centrífugos ... 18
Figura 7. Esquema del sistema de carga convencional... 18
Figura 8. Esquema de la batería en corte transversal. ... 21
Figura 9. Dinamo automotriz ... 23
Figura 10. Alternador convencional. ... 24
Figura 11, 12. Representación de inducción electromagnética. ... 27
Figura 13. Onda sinusoidal de la corriente alterna ... 27
Figura 14. Principio de funcionamiento del alternador. ... 28
Figura 15. Variación de magnetismo según el sentido de giro del rotor ... 28
Figura 16. Despiece del rotor del alternador ... 29
Figura 17. Onda sinusoidal del flujo de tensión trifásico ... 30
Figura 18. Onda sinusoidal del flujo de tensión trifásico rectificado ... 30
Figura 19. Funcionamiento de los diodos rectificadores positivos ... 31
Figura 20. Funcionamiento de los diodos rectificadores negativos ... 31
Figura 21. Partes del rotor del alternador ... 33
Figura 22. Partes del estator y tipos de conexionado de los arrollamientos... 34
Figura 23. Despiece del puente de diodos del alternador ... 35
Figura 24. Esquema eléctrico del regulador electromecánico ... 37
Figura 25. Esquema eléctrico del regulador de tensión electrónico. ... 38
Figura 26. Foto transversal del motor ... 42
Figura 27. Vista frontal del estado inicial del motor ... 43
Figura 28. Vista lado lateral izquierdo del estado inicial del motor ... 45
Figura 29. Vista lado posterior del estado inicial del motor ... 46
Figura 30. Vista lado derecho del estado inicial del motor ... 47
v
Figura 32. Diseño de la placa del cierre con el múltiple de escape ... 48
Figura 33. Montaje final del escape del motor ... 49
Figura 34. Ensamble final del tubo de escape ... 49
Figura 35. Cambio de posición y restauración del radiador. ... 50
Figura 36. Disposición final del cambio de posición del radiador ... 51
Figura 37. Estado inicial del carburador ... 51
Figura 38. Restauración final del carburador ... 52
Figura 39. Montaje de mangueras de entrada y retorno de gasolina ... 53
Figura 40. Vista superior del espacio inutilizado por la caja de cambios ... 53
Figura 41. Vista posterior del motor sin su caja de velocidades ... 54
Figura 42. Implementación del tanque de combustible ... 55
Figura 43. Desmontaje del volante de inercia y verificación de la fuga de aceite ... 56
Figura 44. Estado del retenedor ... 56
Figura 45. Retenedor de aceite reemplazado ... 57
Figura 46. Reemplazo de manguera inferior de refrigeración ... 57
Figura 47. Reemplazo manguera superior del radiador ... 58
Figura 48. Foto del tablero del motor encontrado sin conectar ... 59
Figura 49. Vista de cable de batería (1) existente y deteriorado ... 59
Figura 50. Sistema básico de encendido convencional por generador de pulsos ... 59
Figura 51. Colocación del switch de encendido del motor ... 60
Figura 52. Conexionado posterior del tablero de instrumentos ... 60
Figura 53. Resultado final de la restauración del motor ... 61
Figura 54. Blower o ventilador centrifugo ... 62
Figura 55. Desensamble del motor eléctrico y vista de los rodamientos del Blower... 64
Figura 56. Vista del Blower o soplador con su salida de movimiento ... 64
Figura 57. Ensamble final del sistema de carga ... 65
Figura 58. Simulador de cargas en el motor ... 66
Figura 59. Esquema de los diferentes consumidores que existen en el vehículo ... 66
vi
RESUMEN
En el presente proyecto, se desarrolló el análisis teórico y práctico de las
diferentes cargas físicas, que se sometieron a un motor de carburador,
principalmente la pérdida de potencia debido al sistema (alternador) activado
por un sistema de movimiento de la polea de transmisión con bandas de la
carga, y la pérdida de rendimiento en términos de caballos de potencia, con
el fin de construir un elemento que tiene la función de aliviar las cargas
eléctricas del alternador y, posteriormente, como transmisión de movimiento
convencional (polea) a una diferente en el que los gases de la combustión
de la gasolina en el motor tomado la las ventajas de la misma y el uso de la
mayoría de las emisiones del motor de combustión interna con el fin de
determinar su viabilidad aplicativo a través de equipos de medición de
potencia, tales como los elementos de cálculo de la potencia en función de
sus mediciones de tensión y corriente. La aplicación de este análisis se
realizó en un motor fuera de su cuerpo, anclado en un marco didáctico para
su uso posterior en la clase en el Laboratorio de Ingeniería Automotriz
carrera.
El motor utilizado anteriormente, perteneciente al Laboratorio de Ingeniería
Automotriz, fue objeto de trabajos de restauración y re operación, para la
investigación posterior realizada.
A pesar de que se determinó que este sistema impulsado por los gases de
escape del motor no era eficiente, en este proyecto, hemos tratado de
animar a los estudiantes de ingeniería para investigar a través del análisis de
los diferentes parámetros que pueden afectar el rendimiento de los motores.
La creación de las nuevas tecnologías en la búsqueda de la reducción de
emisiones de los vehículos en todo el mundo desde una perspectiva donde
vii
ABSTRACT
In the present project, was developed the theoretical and practical analysis of
the different physical charges, which underwent an carburetor engine, mainly
the power loss due to charging system (alternator) activated by a
transmission system pulley motion with bands, and the lost of performance
in terms of horse power , in order to construct an element which has the
function of relieving the electric charges of the alternator and subsequently
such conventional motion transmission (pulley ) to a different in which the
gases from the combustion of gasoline in the engine taken the advantage of
it and using most emissions from the internal combustion engine in order to
determine its feasibility applicative through power measurement equipment,
such as the elements of power calculation based on their measurements of
voltage and current.
The applying this analysis it was performed on an engine out of your body,
anchored in a didactic frame for later use in class at the Laboratory of
Automotive Engineering career.
The engine used previously, belonging to the Laboratory of Automotive
Engineering, was object of restoration works and re operation, for the
subsequent research conducted.
Even though was determined that such a system driven by engine exhaust
gases was not efficient, in this project, we sought to encourage engineering
students to investigate through the analysis of the different parameters that
can affect the performance of the engines; The creation of new technologies
in pursuit of reducing emissions from vehicles around the world from a
1
1. INTRODUCCIÓN
Los orígenes de los motores son muy remotos. Especialmente si se
consideran los inicios o precedentes de algunos elementos constitutivos de
los motores, imprescindibles para su funcionamiento como tales.
Considerados como máquinas completas y funcionales, y productoras de
energía mecánica, hay algunos ejemplos de motores antes del siglo XIX. A
partir de la producción comercial de petróleo a mediados del siglo XIX (1850)
las mejoras e innovaciones fueron muy importantes. A finales de ese siglo
había una multitud de variedades de motores usados en todo tipo de
aplicaciones.
En la actualidad los motores de combustión interna, a pesar de los
problemas graves asociados con la realidad tales come las crisis
energéticas, dependencia del petróleo, contaminación del aire, aumento de
los niveles de CO2, efecto invernadero entre otros, son todavía
imprescindibles y se fabrican según diseños muy diferentes y una gama muy
amplia de potencias que va desde pocos vatios hasta miles de kW.
(Domínguez, 2008)
Desde tiempos antiguos se conoce el uso de la fuerza motriz del conjunto
pistón / biela independientemente de su forma de impulso para efectuar
diferentes trabajos.
El sector automotriz nace de la necesidad el hombre de recorrer grandes
distancias en poco tiempo así como también la de transportar grandes
cargas a través de largos tramos sin interrupción refiriéndose al reemplazo
de las carretas que dependían de los caballos.
El intento de obtener una fuerza motriz que sustituyera a los caballos se
remonta al siglo XVII. El vapor parecía el sistema más prometedor, pero sólo
se logró un cierto éxito a finales del siglo XVIII. El vehículo autopropulsado
2 construido por el ingeniero francés Joseph Cugnot en 1771, era muy
interesante, pero de utilidad limitada.
Con el descubrimiento del petróleo desde tiempos antiguos; pero
principalmente el descubrimiento del uso de sus derivados y sus
aplicaciones en 1895, la industria automotriz creció enormemente a partir de
ese punto, con diferentes tipos de motores de combustión, y diferente tipo de
combustibles hasta llegar al hasta ahora usado motor de ciclo OTTO.
Sistemas rudimentarios de alimentación de gasolina como el carburador
usado durante mucho tiempo, inclusive hasta hoy ha formado parte de esta
evolución automotriz. (Font, 2014)
Si bien actualmente los motores de combustión, son indispensables para el
desarrollo de la sociedad de ahora. También es un problema a largo plazo,
ya que el común denominador de todos estos motores, es el funcionamiento
por la quema de combustibles fósiles, los cuales hoy en la actualidad están
causando un terrible cambio del clima al planeta.
Svante Arrhenius 1859-1927 fue un científico Sueco y primero en proclamar
en 1896 que los combustibles fósiles podrían dar lugar o acelerar el
calentamiento de la tierra. Estableció una relación entre concentraciones de
dióxido de carbono atmosférico y temperatura. También determino que la
media de la temperatura superficial de la tierra es de 15ºC debido a la
capacidad de absorción de la radiación Infrarroja del vapor de agua y el
Dióxido de Carbono. Esto se denomina el efecto invernadero natural.
Arrhenius sugirió que una concentración doble de gases de CO2 provocaría
un aumento de temperatura de 5ºC. El junto con Thomas Chamberlin calculó
que las actividades humanas podrían provocar el aumento de la temperatura
mediante la adición de dióxido de carbono a la atmósfera. Esta investigación
se llevó a cabo en la línea de una investigación principal sobre si el dióxido
de carbono podría explicar los procesos de hielo y deshielo en la tierra.
3 Bajo estas condiciones, la industria automotriz ha ido creciendo a pasos
agigantados con el objetivo de reducir las emisiones al medio ambiente
mediante sofisticados sistemas de funcionamiento del motor que con el
tiempo han evolucionado, siendo más versátiles y a la vez más complejos en
lo que respecta a su funcionamiento y diagnostico cuando uno de estos falla,
en esta época encontramos sistemas eléctricos y electrónicos controlados
por un ECM -MODULO DE CONTROL ELECTRONICO o PCM - Powertrain
Control Module, todos conectados a una numerosa cantidad de sensores y
actuadores los cuales hacen funcionar al vehículo de manera correcta y de
esa forma evitar las emisiones al medio ambiente. (Dietsche, 2005 )
El avance de este sector ha llegado a un punto clave en temas de
contaminación, siendo un avance continuo a la vanguardia de la tecnología,
para depender cada vez menos de combustibles fósiles, tecnologías
desarrollados en el ámbito eléctrico y electrónico, el cual nos ha permitido
desarrollar distintas clases de vehículos amigables con el ambiente, como
referente tenemos a la empresa automotriz TOYOTA que innovó con su
popular auto hibrido PRIUS ya en venta masiva al público, siendo uno de los
pioneros en ofrecer un automóvil con automoción eléctrica y por combustión
HYBRID. Por lo que ahora dichos elementos que forman estos vehículos se
ha desarrollado e investigado su funcionamiento y su conformación, en pos
de facilitar sus reparaciones en otros talleres especializados fuera de su
concesionario y lo cual también puede servir para desarrollar sistemas que
puedan ayudar a automóviles antiguos a reducir sus emisiones y mejorar sus
prestaciones. (Sociedad de Tecnicos de Automocion, 2011)
También se cuenta con diferentes sistemas de gestión del motor más
eficientes, en pos de reducir gases tóxicos al ambiente y obtener mejor
rendimiento en el motor, sin desaprovechar la mayoría de emisiones que
genera el mismo, como algunos elementos por mencionar tenemos, el
sistema de recirculación de gases de escape llamado así EGR, Sistemas de
eliminación de gases tóxicos tales como NOx, CO, HC por medio de
4 de combustible, o CANISTER, sistema de inyección e ignición
computarizada, hasta sistemas de acople y desacople de fuerzas o
resistencias al giro del cigüeñal como el Alternador electrónico, bomba de
dirección, compresores de A/C, entre otros
Como método de mejorar el rendimiento del motor es decir el rendimiento
calórico con respecto a la calidad del combustible o el octanaje, para reducir
o mejorar su consumo y su conformación física como su relación de
compresión.
Si el trabajo realizado por el motor o la generación de movimiento fuese igual
a la energía química del combustible utilizado para producirlo, la eficiencia
de ese supuesto motor sería de un 100% en otras palabras una eficiencia
perfecta.
Obviamente, ningún proceso puede tener una eficiencia superior al 100%
porque eso sería tanto como decir que se estaría creando energía nueva. El
primer principio de la termodinámica de la conservación de la energía niega
esta posibilidad.
Por otro lado, cuando el trabajo realizado es menor que la energía
consumida, la pérdida o diferencia entre ambos valores se transforma en
calor, que podemos considerar como energía inútil y por lo tanto perdida.
Los motores de gasolina y diésel son máquinas térmicas y, por tanto, están
limitadas por el máximo absoluto de Carnot, pero su funcionamiento es
sustancialmente distinto y, por definición, menos eficiente, que el de la
máquina reversible y perfecta por muchos motivos. Así pues, sería más
exacto hacer un modelo teórico de un motor diésel o gasolina ideales para
conocer su eficiencia máxima e insuperable.
Este modelo existe y es una especie de adaptación del ciclo reversible de
Carnot al ciclo de funcionamiento de estos motores en concreto. No vamos a
5 Empezando por un motor de Ciclo Otto a gasolina y según este cálculo
explicado por la Universidad de Sevilla, tomando datos razonables para las
variables implicadas, la eficiencia máxima de un motor teórico perfecto de
gasolina con relación de compresión 8:1 es de un 56,5%.
En el caso del ciclo diésel, que difiere ligeramente al de gasolina y permite
relaciones de compresión mayores, en este cálculo realizado sobre el
modelo teórico de este ciclo, se puede ver que su rendimiento perfecto para
una relación de compresión de 18:1 sería de un 63,2%. (Bosch, 2003 )
El siguiente trabajo de titulación se enfocará en el análisis de las pérdidas
(en términos de potencia) que se genera al acoplar los diferentes elementos
que necesitan de una energía rotativa a través de una correa o banda en un
motor de combustión interna a carburador. Como se sabe que, el motor es
un elemento que convierte la energía química de combustión de la mezcla
Aire-Combustible en energía mecánica de la rotación de cigüeñal, este
elemento es el encargado de transmitir la fuerza motriz para ser
aprovechada por las distintas partes del vehículo tales como la transmisión,
alternador, bomba de agua, bomba de aceite, bomba de dirección asistida,
compresor de A/C, entre otros. Esto conlleva una pérdida del rendimiento
que genera la explosión de la mezcla en el cilindro del motor y la rotación del
cigüeñal, a esto se lo denomina rendimiento calórico o eficiencia térmica, el
cual se define como el trabajo realizado por cada unidad de energía
consumida. (G.Artés, 2012)
Nos enfocaremos a la perdida exclusiva que se genera al poseer una
resistencia física en este caso el alternador, el cual cumple su función de
cargar a la batería del automóvil mediante inducción electromagnética.
Se implementará un sistema de carga el cual no involucre una adhesión
alguna al movimiento del cigüeñal reduciendo así la repartición de fuerza
que surte el mismo, comprobando su factibilidad de uso mediante el análisis
6 Como objetivo general de este trabajo es el Análisis teórico practico del
rendimiento del vehículo a carburador al reemplazar el sistema de carga
eléctrica impulsado por polea (alternador) a un sistema de carga accionado
por los gases de escape del motor
Así como también:
Determinar la perdida que genera el alternador a plena carga, como consumidor de fuerza del cigüeñal.
Construir un sistema de carga impulsado mediante los gases de escape del motor como método de eliminación del alternador
accionando por polea.
7
2. MARCO TEÓRICO
En este capítulo se asocia teóricamente los cálculos y principios de
funcionamiento que tiene los distintos elementos mencionados para la
elaboración del trabajo de titulación.
2.1. POTENCIA DEL MOTOR
Como se sabe el motor de combustión interna es aquel que transforma la
energía química proveniente de la explosión de la mezcla aire-combustible
sobre el pistón y transformada en energía motriz a través de la transmisión
de la fuerza resultante en el pistón hacia las bielas y al cigüeñal finalmente.
Se expresa con la siguiente ecuación.
La fuerza (F) aplicada en el pistón es la resultante de dos factores:
La presión lograda en la cámara de compresión como consecuencia de la combustión del gas. (P)
Y la superficie del pistón (S)
8
Figura 1. Fuerzas que intervienen dentro del cilindro (Acebes, 2011)
Por ejemplo en la figura 1, si el pistón es sometido a un empuje desde el
punto muerto superior P.M.S hasta al punto muerto inferior P.M.I con una
fuerza constante de (F) y una carrera (L) correspondiente a la dimensión del
cilindro da como resultado un Trabajo (W) el cual matemáticamente se
define como:
[2. 2]
Asumiendo que dicho trabajo (W) se realiza en un tiempo (t) de una décima
de segundo, la ecuación de la POTENCIA (P), que desarrolla un motor está
dada por:
[2. 3] La potencia máxima que puede desarrollar un motor depende de diversos
elementos, entre ellos:
la relación de compresión. la cilindrada.
9 La potencia generada en el interior de los cilindros de un motor no está
aplicada íntegramente al cigüeñal, ya que una parte de ella es absorbida por
las resistencias pasivas (calor, rozamientos, entre otros).
Fundamentalmente podemos distinguir tres clases de potencia en un motor: la potencia indicada,
la potencia efectiva la potencia absorbida.
La potencia indicada puede calcularse partiendo del ciclo indicado, cuya área del diagrama representa el trabajo realizado en el cilindro durante un
ciclo.
La potencia efectiva se obtiene midiendo con máquinas apropiadas el trabajo que está desarrollando el motor (DINAMOMETRO).
La potencia absorbida es la diferencia entre las dos anteriores, que puede ser medida también por el trabajo necesario para hacer girar el motor, sin
que éste funcione.
2.2. POTENCIA INDICADA Ò UNITARIA
Se llama potencia indicada o unitaria, a la que realmente se desarrolla en el
cilindro por el proceso de la combustión. Una de las formas de determinarla
es a través del valor de la presión media indicada (pi) del ciclo, que como ya
se ha visto, viene determinada por la altura del rectángulo de área
equivalente a la del ciclo, y representa la relación existente entre el área del
ciclo (A) y la cilindrada unitaria V
[2. 4]
10 La figura 2. Representa dos ciclos reales típicos de motores Otto y Diésel de
igual cilindrada unitaria.
Para facilitar la comparación entre los dos ciclos, los diagramas se han
dibujado superpuestos. El eje de las presiones para el ciclo Otto, como
consecuencia de la diferencia de volumen Vc de la cámara de combustión.
En efecto, a igualdad de cilindrada unitaria Vp, siendo más elevada la
relación de compresión del motor Diésel que la del motor Otto, resulta menor
el volumen Vc, de la cámara de combustión.
Figura 2. Volumen de la cámara vs relación de compresión motor ciclo Otto y diésel
(Acebes, 2011)
Dividiendo el área correspondiente al trabajo útil efectuado por el fluido, por
la longitud de la carrera, o por la cilindrada Vp con arreglo a la escala elegida
para el eje de las abscisas, se obtiene el valor de la presión media indicada
(Pi) (P.M.I).
Se entiende por presión media a la presión constante con que sería preciso
11 condiciones ideales, la potencia desarrollada fuera igual que la debida a la
combustión. La presión media varía con la velocidad del motor y la relación
de compresión.
Como el área del ciclo (A) es equivalente al trabajo (W) desarrollado en el
cilindro, podemos decir que éste es el producto de la cilindrada unitaria (cm3)
por la presión media indicada (Pi) (Kg/cm2): (Gil, 2002)
[2. 5]
El trabajo realizado por esta fuerza durante la carrera útil es:
[2. 6]
Y teniendo en cuenta que , es igual a la cilindrada unitaria (V) y, queda:
[2. 7]
El trabajo desarrollado por un motor puede ser calculado también a partir de la
cantidad de calor (Q) aportada, teniendo en cuenta, además, el rendimiento térmico
del ciclo. La energía mecánica obtenida por transformación directa del calor viene
dada por la expresión:
[2. 8]
Siendo la cifra 427 el equivalente térmico del trabajo de un motor.
Teniendo en cuenta que no todo el calor aportado es transformado en trabajo, dado
que existen pérdidas de calor, el trabajo desarrollado es:
[2. 9]
12 La potencia indicada Pi es el producto del trabajo desarrollado durante una carrera
útil, por el número de ellas realizadas en la unidad de tiempo (n). Así pues, en un
motor de cuatro tiempos, dado que el ciclo se realiza en dos vueltas completas o
revoluciones del motor, tendremos:
[2: 10]
Siendo n el número de revoluciones del motor.
Expresando la cilindrada en litros y las presiones en Kg/cm2, para obtener
la potencia en CV haremos:
[2: 11]
Y para el motor de dos tiempos quedaría:
[2: 12]
En funcionamiento, una parte de la potencia desarrollada por el motor es empleada
en vencer los rozamientos en el interior del mismo. Por esta causa, la potencia
indicada es siempre mayor que la efectiva.
La potencia indicada puede ser calculada también partiendo del calor aportado por
ciclo y viene dada por la expresión:
[2: 13]
2.3. POTENCIA EFECTIVA
Se define como la fuerza de la explosión aplicada a la biela y transmitida por ésta al
codo del cigüeñal para hacerle girar, produce un esfuerzo de rotación que se
13 El cigüeñal de un motor gira debido a la fuerza (F) aplicada al pistón en el tiempo de
explosión, la cual es transferida al cigüeñal por medio de la biela (esfuerzo F).
Para la velocidad de rotación del motor a la cual la presión en el cilindro es máxima,
se obtiene el mayor esfuerzo de giro en el cigüeñal, que es producto de la fuerza F,
por la longitud L de la muñequilla.
Figura 3. Fuerza aplicada a la biela del motor y su transmisión al cigüeñal (Acebes, 2011)
Debido a diferentes causas, el mayor valor de la presión en el cilindro no se
da en el máximo régimen de giro del motor, sino a una velocidad mucho más
reducida, en la que el llenado del cilindro es mejor y se obtienen explosiones
más fuertes, por lo cual el par motor máximo no se obtiene al régimen más
alto, sino a una velocidad mucho menor.
El par motor, multiplicado por el régimen de giro, da la potencia del motor.
Así pues, mientras que el par motor será menor que el máximo a las más
elevadas revoluciones del motor, el factor de velocidad se traducirá en
potencia, que será máxima o cercana a ella a las más elevadas revoluciones
14 La potencia efectiva es generada por este par y se conoce también
como potencia al freno, ya que se mide empleando un dispositivo frenante
(DINAMOMETRO), que aplicado al eje del motor, se opone al par motor
permitiendo medir su valor.
2.4. POTENCIA ABSORBIDA
Se denomina así a la diferencia entre la potencia indicada (Pi) y la potencia
efectiva (Pe):
[2: 14]
Una parte de la potencia desarrollada por un motor (potencia indicada) es
utilizada para vencer los rozamientos entre las partes mecánicas en
movimiento (pistones, cojinetes.), para accionar los diferentes órganos que
reciben movimiento del motor (generador eléctrico, bomba de agua) y para
realizar el trabajo de bombeo del fluido en el cilindro.
La potencia absorbida resulta difícil de medir, dada la diversidad de las
causas de pérdidas por rozamientos y las alteraciones de su valor al variar
las condiciones de funcionamiento del motor. Puede obtenerse su valor total
midiendo la potencia efectiva y restándola de la indicada, previamente
calculada. Como este procedimiento resulta complejo, la determinación de la
potencia absorbida suele hacerse obligando a girar al motor sin que éste
funcione, midiendo al mismo tiempo la potencia que es necesario emplear.
Todo ello después de haber estado funcionando el motor y una vez
alcanzada la temperatura de régimen.
Este procedimiento da origen a ciertos errores, pero los efectos que ellos
15 opuesto. Conociendo la potencia indicada y la efectiva puede obtenerse el
rendimiento mecánico del motor:
[2: 15]
Que es un índice de la potencia absorbida por las resistencias pasivas.
La experiencia demuestra que las pérdidas de potencia por rozamiento son
proporcionales a la velocidad de rotación del motor. Una de las causas más
notables de estas pérdidas es el rozamiento de los segmentos contra las
paredes de los cilindros, que en determinadas condiciones representan
hasta un 75% del total de la potencia absorbida, lo que justifica la tendencia
al empleo de motores de carrera corta (MOTORES SUPER
CUADRADADOS).
Figura 4. Tipos de motores según su carrera y diámetro (BOSCH R. , 2005)
2.5. OTRAS CLASES DE POTENCIA
2.5.1. POTENCIA TEÓRICA
Es la relativa al combustible, es decir, la que debería suministrar el motor si
16 mecánica. La potencia teórica está determinada por el número de calorías
contenidas en el peso del combustible consumido. Conociendo también el
tiempo empleado en su consumo se obtiene la potencia.
2.5.2. POTENCIA ELÉCTRICA
Es la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un
tiempo determinado. La unidad en el Sistema Internacional de Unidades es
el vatio (watt). (Wildi, 2007)
Cuando se trata de una corriente continua DC la potencia eléctrica obtenida
en un cierto tiempo por un elemento de dos terminales, es el producto de la
diferencia de potencial o voltaje entre dichos terminales y la intensidad o
amperaje de corriente que pasa a través de dicho elemento. Por esta razón
la potencia es proporcional a la corriente y a la tensión. Esto es:
[2. 16]
2.6. ELEMENTOS SOPLANTES
Si bien la industria automotriz se ha actualizado en términos de reducción de
emisiones y aumento de rendimiento en los vehículos a través de mejoras y
desarrollo tales como la dosificación de gasolina, aumento de la eficiencia en
la carburación por métodos de retraso y adelanto en la apertura y cierre de
17
2.6.1. VENTILADORES CENTRIFUGOS
En esencia, se parte del principio de los ventiladores centrífugos, que si bien
estos mueven una cantidad o masa de aire a través de paletas o alabes para
su funcionamiento necesitan de un elemento motriz (motores eléctricos) que
genere un movimiento para así mover dicho fluido.
Figura 5. Ventilador centrifugo (Department of mechanical engineering, 2011)
Lo que hacen los ventiladores es que incrementan la velocidad de la
corriente de aire mediante sus alabes, estos usan la energía cinética de los
alabes para incrementar la presión de la corriente de are.
Los ventiladores centrífugos son elementos de desplazamiento constante o
de volumen constante, lo que quiere decir que a una velocidad constante del
ventilador, dicho ventilador enviara una cantidad constante de volumen de
aire en vez de masa de aire
Existen varios tipos de ventiladores centrífugos y su clasificación va desde
su constitución de rodaje es decir, si consta de rodamientos o bocines, de su
tipo de anclaje (directa o mediante banda). Y por último por su disposición de
18
Figura 6. Tipos de aletas de ventiladores centrífugos (Gingery, 2014)
2.7. SISTEMA DE CARGA DEL VEHÍCULO
Comprende una serie de varios elementos:
La batería o acumulador El motor de arranque El alternador y regulador
La acción en conjunto entre la Batería, el arranque, el alternador y el
regulador forman un ciclo de producción de energía, mediante el giro del
motor. Se va transformando la energía de explosión del motor en energía
rotatoria a través del cigüeñal, y esta, en energía eléctrica la cual es
transformada por el alternador.
19 El sistema de carga, tiene como función mantener cargada la batería, así
como proveer de corriente a los sistemas que consumen energía eléctrica,
durante la operación del vehículo.
La batería, además de ser recargada, por el alternador, provee de energía
al regulador, para que exista excitación y se inicie el proceso de recargar,
además es un compensador de carga, el cual permite que se mantenga un
valor deseable en el sistema eléctrico para el correcto funcionamiento del
mismo.
Basándonos en los elementos que conforman el sistema eléctrico del
vehículo es importante preguntarnos qué pasaría si un auto sin un sistema
de apoyo o de carga, funcionaria.
Consta de repercusiones costosas tales como:
Descarga rápida y total de la batería
Gasto en el costo de una batería nueva (cada vez que esta se descargue por completo).
Funcionamiento limitado de los elementos eléctricos del auto Tiempo limitado de encendido del vehículo (en función de la
capacidad de la batería) (Amperios/hora).
Generación de basura y contaminantes altamente nocivos para el medio ambiente.
Básicamente la importancia de tener un generador de electricidad en el
vehículo es evitar que la batería se convierta en un simple par de pilas
20
2.8. ACUMULADOR O BATERIA
Desde tiempos antiguos la batería ha sido un componente importante en el
funcionamiento de cualquier maquina autónoma, en este caso la batería o
acumulador del vehículo, tiene como función la de suministrar de energía a
los distintos elementos eléctricos y electrónicos presentes en el auto tales
como:
El arranque del motor, permite el encendido del motor y por ende, el
inicio del ciclo de carga del sistema.
El soporte de energía, ya que el gran número de componentes eléctricos y electrónicos dentro del vehículo supone un consumo de
energía importante, ya que a veces, el generador no puede producir
suficiente energía, lo que requiere un aporte de energía por parte de
la batería.
La regulación o amortiguación de las sobretensiones o picos de voltaje (tanto del alternador como de algunos receptores) así como
de bajas de tensión por descargas o consumos descontrolados o en
masa que puedan afectar a los circuitos electrónicos por las
sobrecargas.
Una batería se define como un dispositivo electroquímico ya que este
transforma la energía eléctrica en energía química almacenada para
posteriormente devolverla en forma de energía eléctrica. Está formado por dos metales llamados “electrodos sumergidos” dentro de un electrolito o
disolvente (ácido sulfúrico) contenido en un recipiente grueso y resistente a
los golpes y reacciones químicas
El recipiente es de forma rectangular, construido en plásticos endurecidos
con una serie de tabiques del mismo material que conforman los vasos.
En el caso de las baterías plomo-ácido, el voltaje (teórico) nominal de una
21 El voltaje nominal de la batería como un todo resulta de la multiplicación de
los voltajes de las celdas individuales por el número de celdas conectadas
en serie.
Figura 8. Esquema de la batería en corte transversal. (BOSCH, 2006)
El voltaje nominal de las baterías de arranque es de 12 V. Los 24 V
necesarios para los sistemas eléctricos de los camiones son suministrados a
través de la conexión en serie de dos baterías de 12 V.
2.9. DINAMO
Uno de los usos más comunes que se le dio al dinamo fue el de generador
de energía eléctrica para el automóvil. A medida que, desde principios del
siglo 20, los automóviles se iban haciendo más complejos, se demostró que
los sistemas de generación de energía eléctrica con los que se contaba
(principalmente magnetos) no eran lo suficientemente potentes para las
necesidades del vehículo. Aunque se trataba de un elemento que
22 presentaba ciertos problemas. El más importante era que la velocidad de
rotación que se le suministraba nunca era constante, ya que las revoluciones
del motor están continuamente variando, siendo requisito el que tenía que
ser capaz de suministrar la misma corriente en ralentí, (movimiento lento),
aun cuando el motor estuviera a pleno rendimiento.
Esto se solucionó con los reguladores que, aunque son sencillos en su
diseño, requieren de un reglaje muy delicado. Estos dispositivos debían ser
capaces de regular el voltaje y la intensidad. Además debería evitar que la
dinamo funcionara como un motor eléctrico cuando el vehículo estuviera al
ralentí, que es cuando prácticamente no produce energía, para que el flujo
de corriente no se invirtiera.
Dado que los dinamos tienen un diseño muy parecido al de los motores
eléctricos, en el automóvil llegaban a funcionar como tales cuando se
invertía el flujo de corriente al ser mayor el potencial que suministraba la
batería que el potencial que suministraba la dinamo.
Desde los años 60 han sido sustituidos progresivamente por el alternador,
no quedando ningún vehículo en producción con este sistema actualmente.
La corriente generada es producida cuando el campo magnético creado por
un imán o un electroimán fijo, inductor, atraviesa una bobina, (inducido),
colocada en su centro.
También podemos decir, que:
El dinamo es una máquina eléctrica rotatoria.
Puede convertir la energía eléctrica en mecánica (en este caso funciona en modo motor)
23
Figura 9. Dinamo automotriz (Sánchez, 2011)
La corriente inducida en esta bobina giratoria, en principio alterna, es
transformada en continua mediante la acción de un conmutador giratorio,
solidario con el inducido, denominado colector, constituido por unos
electrodos denominados delgas. De aquí es conducida al exterior mediante
otros contactos fijos llamados escobillas que conectan por frotamiento con
las delgas del colector.
2.10. ALTERNADOR
El alternador es un elemento que convierte la energía mecánica en energía
eléctrica. La generación se basa en el principio de la teoría
electromagnética. El alternador está constituido por: rotor, estator, carbones,
porta carbones, polea, regulador de tensión (en versiones de alternadores
24
Figura 10. Alternador convencional. (BOSCH, 2006)
Los alternadores se utilizan en los automóviles modernos para cargar la
batería y para alimentar el sistema eléctrico cuando el motor está en marcha.
Hasta la década de 1960, los automóviles utilizan generadores dínamo de cd
con conmutadores.
Con la disponibilidad de asequibles rectificadores de diodo de silicio, se
utilizaron en lugar alternadores. Fueron introducidos por primera vez por la
Corporación Chrysler en el modelo Valiant en 1960, varios años antes de
Ford y GM. Los alternadores tienen varias ventajas sobre los generadores
de corriente continua. Son más ligeros, más baratos y más resistentes. Ellos
usan anillos deslizantes que proporcionan vida útil del cepillo extendido
mucho más de un conmutador.
Los cepillos en un alternador llevan sólo la corriente de excitación, una
pequeña fracción de la corriente transportada por las escobillas de un
generador de corriente continua, que llevan toda la salida del generador. Se
necesita un conjunto de rectificadores para convertir AC a DC. Para
proporcionar la corriente directa con ondulación baja, se utiliza un devanado
de tres fases y los polos piezas del rotor están conformados para producir
25 Alternadores de automóviles son generalmente accionados por correa a 2-3
veces la velocidad del cigüeñal. El alternador funciona a varios RPM ya que
es impulsado por el motor. Esto no es un problema debido a que la corriente
alterna es rectificada a corriente continua.
Los alternadores automotrices requieren un regulador de voltaje que opera
mediante la modulación de la pequeña corriente de campo para producir una
tensión constante en los terminales de la batería. Los primeros diseños
utilizan un dispositivo discreto montado en el vehículo en otro lugar. Diseños
intermedios incorporan el regulador de tensión en la carcasa del alternador.
Los diseños modernos acabar con el regulador de tensión por completo,
regulación de voltaje es ahora una función de la unidad de control
electrónico (ECM).
En los últimos años, los reguladores del alternador están vinculados al
sistema de la computadora del vehículo y diversos factores incluyendo la
temperatura del aire obtenido desde el sensor de temperatura de admisión
de aire, sensor de temperatura de la batería y la carga del motor se evalúan
en el ajuste de la tensión suministrada por el alternador.
Eficiencia de los alternadores de automóviles está limitada por la pérdida de
ventilador de refrigeración, la pérdida de cojinete, la pérdida de hierro, la
pérdida de cobre, y la caída de tensión en los puentes de diodos. En la
eficiencia de carga parcial es entre 50-62%, dependiendo del tamaño del
alternador y varía con la velocidad del alternador. Esto es similar a muy
pequeñas alternadores de alto rendimiento de imanes permanentes, tales
como los utilizados para los sistemas de iluminación de la bicicleta, que
consiguen una eficiencia en torno al 60%. Más grandes alternadores de
imanes permanentes pueden lograr eficiencias más altas. Generadores de
corriente alterna grandes utilizados en las centrales eléctricas funcionar a
velocidades controladas cuidadosamente y no tienen limitaciones sobre el
tamaño o el peso. Ellos tienen una eficiencia mucho más alta, tan alta como
26 Los automóviles híbridos reemplazan el alternador y motor de arranque
separada con uno o más conjunto combinado de motor/generador que
arranque el motor de combustión interna, proporcionar algunas o todas de la
potencia mecánica a las ruedas, y la carga de una batería de
almacenamiento de gran tamaño. Cuando más de un M/G está presente,
como en el Hybrid Synergy Drive utilizado en el Toyota Prius y otros, uno
puede operar como generador y alimentación del otro como un motor, que
proporciona una ruta de electromecánica de parte de la potencia del motor
para el flujo a las ruedas. Estos generadores de motor/tienen
considerablemente más potentes dispositivos electrónicos para el control de
que el alternador del automóvil se ha descrito anteriormente.
2.11. FUNCIONAMIENTO
Para empezar a entender cómo funciona el alternador debemos tener en
cuenta su concepto más simple; no es más que un generador de
electricidad.
En este caso el principio físico del mismo, es la generación de electricidad, el
cual se produce mediante inducción electromagnética.
Es decir, la producción de electricidad a través de un cuerpo conductor, en
un campo magnético variable, o también en un cuerpo conductor móvil a
través de un campo magnético estático o fijo.
“El principio básico de generación de corriente, es por inducción
electromagnética. Cuando las líneas de fuerza producidas por un campo
magnético cortan un conductor en movimiento, se obtiene en los extremos
de éste una diferencia de potencial o tensión inducida. Si se conectan dichos
27
Figura 11, 12. Representación de inducción electromagnética. (Prensolite, 2005)
Cuando este conductor forma un movimiento circular a través de este campo
obtenemos una diferencia de potencial o tensión inducida alterna.
Figura 13. Onda sinusoidal de la corriente alterna (Prensolite, 2005)
La representación gráfica de la corriente obtenida en el giro completo será la
misma que para el caso anterior (es decir un campo magnético fijo), es decir,
28
Figura 14. Principio de funcionamiento del alternador. (Prensolite, 2005)
Como se había mencionado antes la producción de electricidad se genera
cuando este campo magnético es interrumpido por dicho cuerpo conductor.
En el caso de los alternadores, el campo magnético gira alrededor del
cuerpo conductor, a los cuales los denominaremos rotor al campo magnético
y estator al cuerpo conductor.
En síntesis el Rotor (Campo magnético) gira en el interior de los
arrollamientos o bobinado del Estator (Cuerpo conductor), causando una
variación de magnetismo y por ende un diferencial de tensión.
29 Su función es la recarga y mantenimiento del voltaje en la batería,
normalmente de 12 voltios (automóviles, motocicletas, marina, transporte
ligero y aviación deportiva), 24 voltios (transporte pesado dependiendo su
conexión en serie).
El sistema de generación da como resultado una corriente alterna, previo a
la rectificación, normalmente trifásico, debido a el número de arrollamientos
del rotor, aunque en aplicaciones de pequeños motores de 2 tiempos, han
existido y existen sistemas llamados volantes magnéticos. El rotor es el
dispositivo encargado de crear el campo magnético. Dependiendo de la
intensidad del campo y la velocidad de giro (RPM), es la cantidad de
corriente que se genera en él. Esta es debida a la inducción del campo
magnético en el conductor (estator).
Figura 16. Despiece del rotor del alternador (BOSCH R. , 2005)
En el estator la corriente producida es alterna, para una producción más
continua de corriente, el estator cuenta con 3 devanados (bobinados), los
cuales se encuentran desfasados con la finalidad de que la corriente alterna
30
Figura 17. Onda sinusoidal del flujo de tensión trifásico (Prensolite, 2005)
Esta corriente generada, para que pueda ser aceptada por la batería,
necesita de un dispositivo capaz de convertir la corriente la corriente alterna
en corriente continua, para ello, son utilizados los diodos, los cuales están
dispuestos en dos conjuntos de placas, una de diodos positivos y otra de
diodos negativos, los cuales cumplen esa función, los carbones y porta
carbones son los encargados de proveer la corriente eléctrica regulada para
controlar la intensidad del campo magnético
Figura 18. Onda sinusoidal del flujo de tensión trifásico rectificado (Prensolite, 2005)
Como se mencionó anteriormente su principio de funcionamiento se basa
en la inducción electromagnética, la cual en este caso consta de un Estator
(Cuerpo conductor y receptor de la tensión inducida), un Rotor (generador
del campo magnético), un cuerpo de diodos rectificadores y un regulador de
31 estos presentan cierto tipo de resistencia dependiendo del sentido y de su
polaridad (positivos o negativos).
“Estos presentan una resistencia baja en un sentido por lo que se puede
considerar a estos como un conductor permitiendo el pasaje de la corriente
del medio ciclo positivo (diodos positivos) cuando su conexión es la que se muestra en la figura” (Prensolite, 2005)
Figura 19. Funcionamiento de los diodos rectificadores positivos (Prensolite, 2005).
“Cuando la corriente es de signo contrario, la resistencia que presentan es
muy elevada, pudiendo considerarse como un circuito abierto. En el caso de diodos negativos el efecto es inverso” (Sánchez, 2011)
Figura 20. Funcionamiento de los diodos rectificadores negativos (Prensolite, 2005)
El regulador es el encargado de realizar la regulación de la cantidad de la
32
2.12. PICOS DE TENSION
Los picos de tensión o sobretensiones se definen como un aumento de
tensión eléctrica dentro de una red de equipos eléctricos y electrónicos.
En ciertos casos, que pueden causar graves problemas a los equipos
conectados a la línea, desde su envejecimiento prematuro hasta incendios o
destrucción de los mismos. En otros, su efecto puede ser positivo, como en
la recarga rápida o forzada de las baterías de litio-ferro fosfato.
En el campo automotriz las sobre tensiones son desventajas que a largo
plazo dañan los componentes electrónicos y eléctricos del vehículo, sin
mencionar también partes que se correlacionan tales como los sockets,
cableado, terminales.
2.13. PARTES DEL ALTERNADOR
2.13.1. ROTOR O INDUCTOR
También conocido como inductor, es el encargado de crear el campo
magnético en el inducido o estator la corriente que irá posteriormente a los
demás elementos del alternador para enviar una corriente rectificada a la
batería.
El rotor está conformado por un eje sobre el cual va montado un núcleo
magnético formado por dos piezas de acero forjado, que forman unas
espiras o dedos entrelazados separados tenuemente sin que lleguen a
tocarse, estos conforman los polos del campo magnético del inductor, por lo
general estos polos llevan de 6 a 8 salientes o dedos, con lo que se obtiene
33 Cabe recalcar que en el interior de los polos, va montado una bobina
inductora de hilo de cobre aislado y de muchas espiras, bobinada sobre un
carrete material termoplástico.
Figura 21. Partes del rotor del alternador (Sánchez, 2011)
En uno de los extremos del eje del rotor, van montados dos anillos de cobre
los cuales van conectados directamente con dicha bobina, ya que estos
anillos en conjunto con las escobillas o carbones, la bobina recibe la
corriente de excitación generada por el propio alternador a través de los
diodos rectificadores.
2.13.2.
ESTATOR O INDUCIDO
También conocido como corona, es la parte fija del alternador donde se
encuentra un conjunto de bobinas las cuales generan la corriente producida
por el campo magnético del inductor.
El estator tiene un armazón que está formado por un paquete ensamblado
34 corona circular, troqueladas interiormente para formar en su unión las
ranuras donde se aloja el bobinado del inducido.
El bobinado que conforma dicha corona está formado por tres distintos
arrollamientos, separados y repartidos perfectamente aislados en las 36
ranuras que lo conforman.
Estos distintos bobinados o fases pueden ir conectados de diferente forma
dependiendo el tipo, ya esa esta en estrella o en triangulo, indistintamente
de su forma lo que se busca es crear una corriente alterna TRIFASICA en la
salida de sus bornes. (Prensolite, 2005)
Figura 22. Partes del estator y tipos de conexionado de los arrollamientos (Sánchez, 2011)
2.13.3. PORTA DIODOS O PUENTE RECTIFICADOR
Es el encargado de rectificar la corriente alterna producida por el estator y el
inductor en conjunto, generalmente y debido a lo mencionado anteriormente
para aprovechar las semiondas sinodales positivas y negativas de la
corriente alterna, se colocan dos diodos por cada fase, unos en el lado
35 En total son necesarios 6 a 9 diodos de silicio o diodos de potencia,
normalmente tres auxiliares de excitación, estos para alimentar el circuito
inductor y el control de la lámpara de carga (cuando viene incorporado
equipo rectificador de 9 diodos o nano diodo).
Puede ir montado directamente en la carcasa a lado anillos rozantes o en un
soporte (placa) en forma de "herradura", conexionados a cada una de las
fases del estator, formando un puente rectificador, obteniéndose a la salida
del mismo una tensión de corriente contínua.
Los diodos se montan en esta placa de manera que tres de ellos quedan
conectados a masa por uno de sus lados y los otros tres al borne de salida
de corriente del alternador, también por uno de sus lados. El lado libre de los
seis queda conectado a los extremos de las fases de las bobinas del estator.
36
2.13.4. REGULADOR DE VOLTAJE
Partimos de la premisa que el voltaje de salida del alternador depende de la
velocidad de giro (RPM), del campo magnético producido por el inductor y de
la corriente producida en el inducido en conjunto.
Es el encargado de mantener un determinado voltaje de salida del alternador
hacia la batería. Una vez que el regulador detecta que se alcanza un voltaje
adecuado, se encarga de cortar la corriente (excitación) que pasa por el rotor
anulando de esta forma el campo magnético, con lo que el alternador deja
de generar corriente, descendiendo el voltaje. En cuanto el voltaje desciende
el regulador vuelve a dejar pasar corriente para generar el campo magnético.
Y así continuamente.
“Debido a que los receptores del vehículo trabajan a una tensión constante
y el alternador funciona a un régimen de revoluciones muy variado, según el
régimen del motor, el regulador es un elemento encargado de estabilizar la tensión en los bornes del alternador.” (Prensolite, 2005)
Técnicamente describiéndolo, el regulador envía mayor o menor cantidad de
corriente al conjunto de bobinados ubicados en el rotor, a través de los
carbones o escobillas, a fin de que el campo magnético producido sea
estable independientemente de las RPM del motor.
Como en el caso de los diodos rectificadores existen algunos tipos de
reguladores, esto va a la par con el avance electrónico de los mismos,
aumentando su eficiencia, su rango de funcionamiento y su durabilidad. Se
cita los distintos tipos de reguladores.
“El regulador de contactos electromagnéticos (regulador mecánico) y el
regulador electrónico son las dos versiones fundamentales.
37 recambio en coches antiguos (anteriores al año 1980). El regulador
electrónico en técnica híbrida o monolítica forma parte del equipamiento de
serie en todos los alternadores trifásicos que se montan hoy en día en los automóviles.” (Prensolite, 2005)
2.13.5. REGULADORES DE TENSIÓN ELECTRO MAGNÉTICOS
Mediante la apertura y cierre de un contacto móvil en el circuito de corriente
de excitación se interrumpe la corriente produciéndose así una modificación
de la misma. El contacto móvil es presionado por la fuerza de un muelle
contra un contacto fijo y es separado de este por un electroimán al
sobrepasarse la tensión teórica.
38
2.13.6. REGULADORES ELECTROMAGNÉTICOS CON AYUDA ELECTRÓNICA
Figura 25. Esquema eléctrico del regulador de tensión electrónico. (Sánchez, 2011)
Antes de la llegada de los reguladores totalmente electrónicos se utilizaron
los mecánicos con ayuda electrónica, los cuales sustituían los contactos
móviles del electroimán por el uso de transistores. La corriente de excitación
es gobernada por el transistor y no por los contactos del electroimán (relé)
que se limita en este caso a controlar el transistor.
Tiene la ventaja de una mejor estabilidad en la tensión del alternador, debido
a la sensibilidad conductora del transistor, que aunque se auxilia para su
funcionamiento de un electroimán (relé), la corriente principal no está
sometida a las variaciones producidas por efecto de inercia de los contactos
para abrir y cerrar el circuito, con la ventaja de una duración mucho mayor,
ya que la corriente de paso por los contactos del relé es muy pequeña,
39
3. METODOLOGÍA
3.1. DESARROLLO DEL TRABAJO
Para la realización del trabajo de titulación se elaboró una investigación
bibliográfica acerca de la existencia de un elemento de carga con el mismo,
método de accionamiento, así como también el principio de funcionamiento
de los diferentes tipos de generadores de carga.
En la consecución del sistema, se eligió un motor a carburador en principio,
para el método experimental del análisis, ya que en este caso el sistema de
carga del alternador se hace más notorio a la pérdida de potencia a causa
del aumento de inductancia del alternador, a medida que se incrementa las
cargas al sistema eléctrico a diferencia del sistema a inyección que consta
de varios sistemas de descompensación al ralentí (idle air control I.A.C,
manifold air flow M.A.F, knock sensor K.S entre otros).
También se realizó tareas de restauración y de calibración del dicho motor.
El motor en principio fue encontrado en desuso y muchas de sus partes
faltantes para el funcionamiento del mismo, algunas piezas se encontraban
deterioradas como se detalla en el siguiente capítulo y también su estado
final después de la restauración y reemplazo de los elementos dañados y
faltantes
Los elementos con los que contaba el motor al momento de su salida del
laboratorio de la carrera de Ingeniería Automotriz y su estado se explican en
40
Tabla 1. Estado inicial del motor
ELEMENTO ESTADO
Motor de combustión (Carter, block, cabezote, tapa válvulas)
Compresor A/C (no funcional)
Bomba de Dir. Hidráulica (no funcional)
Alternador (desconectado)
Carburador
(deteriorado y en desuso, faltante de
depurador y mangueras de entrada y
salida de gasolina)
Colector de admisión (completo)
Colector de escape
(empaques deteriorados, sin placa de
acople al escape ,tubo de escape
inexistente)
Tablero de instrumentos (desconectado)
Radiador (completo y funcional)
Mangueras de refrigeración x4
(manguera de retorno al radiador
desde el block rota, manguera de
entrada del radiador al motor
deteriorada)
Caja de cambios Completa
Posterior a la restauración del motor se realizó modificaciones a la estructura
del mismo para su puesta en marcha así como también para la construcción
del sistema de carga accionado por los gases de escape del motor y
finalmente para su utilización didáctica en el laboratorio de la carrera de
Ingeniería Automotriz. Para el análisis práctico se usó herramientas básicas
de uso cotidiano en un taller automotriz tales como:
Multímetro
Tacómetro de RPM
41 En la recopilación de datos, se utilizó el método experimental, de campo y
bibliográfico para el análisis de datos lo cuales fueron ampliamente
fundamentados en los siguientes capítulos.
Con respecto al análisis teórico se logró determinar las cargas físicas que
genera cada sistema de carga en términos de vatiaje y de caballaje
mediante las ecuaciones explicadas anteriormente en el capítulo de marco
teórico e implementadas en el análisis de resultados.
Durante las pruebas prácticas de los dos sistemas se tomó en cuenta
algunas condiciones de funcionamiento para obtener datos los cuales fueron
fiables y cuantificables, evidenciados igualmente en el siguiente capítulo.
Los parámetros en los cuales se tomó los datos fueron:
Obtención de voltajes al mismo régimen de RPM inicialmente.
Medición de voltajes en relación al consumo de potencias mediante el
simulador de cargas.
Obtención de voltaje del sistema implementado a las RPM en las cuales dicho sistema tenga un voltaje adecuado para un vehículo. Medición de voltaje en relación de consumo de potencias mediante el
simulador de cargas.