UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL.
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIA.
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ.
“ANÁLISIS, MODIFICACIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE LA
CULATA 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.
PAÚL ANDRÉS TASIGCHANA AMANCHA.
DIRECTOR: ING. JUAN CARLOS LUCERO.
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2016
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1721632659
APELLIDO Y NOMBRES: TASIGCHANA AMANCHA PAÚL ANDRÉS
DIRECCIÓN: Solanda sector #3
EMAIL: paul_andres_@live.com
TELÉFONO FIJO: 2-681-426
TELÉFONO MOVIL: 0984020577
DATOS DE LA OBRA
TÍTULO: “Análisis, modificación e implementación de la culata de un motor de combustión interna ciclo otto para un vehículo de competencia en circuito.”
AUTOR O AUTORES: TASIGCHANA AMANCHA PAÚL ANDRÉS
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
Quito, junio 2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
ING. JUAN CARLOS LUCERO
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero automotriz RESUMEN: Mínimo 250 palabras
El presente trabajo tuvo la finalidad de modificar la parte superior del motor denominada la culata, de un vehículo turismo Corsa Wind 1300 cc, con sistema de distribución OHC, con el único objetivo de
potenciar el motor, incrementar su
mayor rendimiento volumétrico, dando como resultado mayor relación de compresión. Con la finalidad de que exista mayor entrada de la mezcla aire/ combustible, se modificó las toberas de admisión, dándole una mayor apertura, con esto generar un mayor llenado del cilindro. Además se construyó, un sistema de escape (header), el cual
permitirá que los gases de escape
producidos por la combustión evacuen libremente y no choquen entre sí, lo cual, provocaría una contrapresión desfavorable, creando pérdidas de potencia en el
automóvil. Para lo cual se empleó
maquinaria específica como la dobladora de tubos, que permitió darle formas y ángulos a los tubos, para luego ser soldados, dándole el diseño final del header.
Finalmente se obtuvo el rendimiento
volumétrico de las levas, el cual es la eficiencia de llenado de los cilindro del motor, dando como resultado una ganancia del 10 % a comparación del motor estándar. Los resultados obtenidos en las pruebas realizadas en el dinamómetro después de los cambios efectuados, fue un incremento en la potencia de un 30 %, debido a que se ganó mayor cilindrada, respecto al motor
estándar, con las modificaciones he
implementaciones realizas dichas
anteriormente. Logrando el objetivo deseado al inicio del proyecto.
PALABRAS CLAVES: Header
Dinamómetro Rendimiento Potencia Toberas Cilindrada DOCH OHC
ABSTRACT: This proyect was intended to modify the top of the engine called the cylinder head of a passenger vehicle Corsa Wind 1300 cc, with system OHC distribution, with the sole aim of
boosting the engine, increasing
performance, being able to be employed competency car circuit.
control opening and closing as many valves,
gaining greater volumetric efficiency,
resulting in higher compression.
In order that there is more input air / fuel intake nozzles changed, giving greater openness, with this generate increased cylinder filling. In addition, an exhaust system (header), which allow the exhaust gases produced by combustion evacuate freely and the gases aren´t collide with each other, which would cause an unfavorable backpressure creating and the potency losses in the car. For which specific machinery was used as the tube bender, which allowed him shapes and angles to the tubes and then be welded, giving the final design of the header.
Finally the volumetric efficiency of the cams, which is the filling efficiency of the engine cylinder, resulting in a 10% gain compared to the standard engine was obtained.
The results obtained in tests conducted after the changes was an increase in potency of 35%, because larger displacement won,
compared to standard engine, with
modifications have implementations perform these above. Achieving the desired objective at the start of the project.
KEYWORDS OHC
DOCH Header Performance Backpressure Dynamometer Compression Nozzles Potency
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio
Digital de la Institución.
__________________________________________
TASIGCHANA AMANCHA PAÚL ANDRÉS
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, TASIGCHANA AMANCHA PAUL ANDRES, CI 1721632659 autor del proyecto titulado: “Análisis, modificación e implementación de la culata de un
motor de combustión interna ciclo Otto para un vehículo de competencia en
circuito”, previo a la obtención del título de GRADO ACADÉMICO COMO APRECE EN EL CERTIFICADO DE EGRESAMIENTO en la Universidad Tecnológica Equinoccial.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las
Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de
la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en
formato digital una copia del referido trabajo de graduación para que sea
integrado al Sistema Nacional de información de la Educación Superior del
Ecuador para su difusión pública respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial
a tener una copia del referido trabajo de graduación con el propósito de
generar un Repositorio que democratice la información, respetando las
políticas de propiedad intelectual vigentes.
Quito, 10 junio del 2016
__________________________________________
TASIGCHANA AMANCHA PAÚL ANDRÉS
DECLARACIÓN
Yo PAÚL ANDRÉS TASIGCHANA AMANCHA, 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.
____________________________________
PAÚL ANDRÉS TASIGCHANA AMANACHA
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título, “Análisis, modificación e implementación de la culata de un motor de combustión interna ciclo Otto para un vehículo de competencia en circuito”, que, para aspirar al título de
Ingeniero Automotriz fue desarrollado por PAÚL ANDRÉS TASIGCHANA
AMANCHA, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería e industrias; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento
de Trabajos de Titulación artículos 19, 27 y 28.
_______________________________
ING. JUAN CARLOS LUCERO.MSC.
DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORIA
El presenten trabajo está dedicado primeramente a Dios, que cada día me
llena de fortaleza y sabiduría para enfrentar los retos del día a día, dándome
su amor y colmándome de bendiciones.
Esta meta cumplida es gracias a la presencia de mis queridos padres, Alicia
y Líder, ya que son eje fundamental para mi formación como persona de
AGRADECIMIENTO
En primer lugar quiero agradecer en conjunto a Dios y a mis padres, por
guiar mi camino, darme esa dicha de ser feliz, y recibir su apoyo
incondicional.
Agradezco a mis maestros los cuales formaron una base fundamental en mi
desarrollo educativo al saber proporcionar sus conocimientos de manera
desinteresada, de igual forma hicieron posible que este proyecto se lleve a
cabo.
Finalmente agradezco a mis familiares, que depositaron la confianza en mí y
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN... viii
ABSTRACT ... ix
1. INTRODUCCIÓN ... 1
2. MARCO TEÓRICO ... 5
2.1. MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS ... 5
2.1.1. CICLO OTTO EN UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ... 5
2.1.1.1. Admisión ... 5
2.1.1.2. Compresión... 6
2.1.1.3. Explosión ... 6
2.1.1.4. Escape ... 7
2.2. SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN ... 7
2.2.1. TIPOS DE DISTRIBUCIÓN ... 8
2.2.1.1. Sistema SV ... 8
2.2.1.2. Sistema OHV (OverHead Valve) ... 9
2.2.1.3. Sistema OHC (Overhead Cam) ... 9
2.2.2. MANDO DE LA DISTRIBUCIÓN ... 11
2.2.2.1. Transmisión por ruedas dentadas ... 11
2.2.2.2. Transmisión por cadena de rodillos ... 12
2.2.2.3. Transmisión por correas dentadas ... 13
2.2.3. ACCIONAMIENTO DE LA DISTRIBUCIÓN VARIABLE ... 13
2.3. LA CULATA ... 14
2.3.1. ELEMENTOS DE LA CULATA... 15
2.3.1.1. Árbol de levas ... 15
2.3.1.2. Válvulas ... 16
ii
2.3.1.4. Muelles. ... 18
2.3.1.5. Balancines ... 19
2.3.1.6. Taqués ... 19
2.3.1.7. Múltiple de admisión ... 20
2.3.1.8. Múltiple de escape ... 21
2.3.1.9. Junta de culata ... 22
2.3.2. MODIFICACIONES DE LA CULATA... 22
2.3.2.1. Modificaciones de las toberas de admisión ... 22
2.3.2.2. Modificación del múltiple del escape ... 23
2.4 CÁMARAS DE COMBUSTIÓN ... 24
2.4.1. CLASIFICACIÓN ... 25
2.4.1.1. Cámara de cuña ... 25
2.4.1.2. Cámara Hemisférica ... 25
2.4.1.3. Cámara de Tina o Discoidal ... 26
2.4.1.4. Cámara en el propio pistón ... 27
2.5. REGLAMENTO GENERAL “FEDAK-ECUADOR” ... 27
3. METODOLOGÍA ... 29
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 32
4.1 ESPECIFICACIONES DEL MOTOR CORSA WIND 1.300 CC ... 32
4.1.1. ESPECIFICACIONES DE LA DISTRIBUCIÓN OHC CORSA Y DOHC AVEO ... 32
4.2. CÁLCULOS DE RENDIMIENTO DEL MOTOR ESTANDAR ... 33
4.2.1. CÁLCULOS CILINDRADA ... 33
4.2.2. CÁLCULOS VOLUMEN DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN ... 35
4.2.3. CÁLCULOS RELACIÓN DE COMPRESIÓN ... 36
4.2.4. CÁLCULOS DE LAS LEVAS ... 37
4.2.4.1. Análisis de las levas ... 38
4.2.5. RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO MOTOR ESTÁNDAR... 39
iii
4.3.1. SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN ... 40
4.3.2. APERTURA DE TOBERAS ... 40
4.3.3. HEADER ... 41
4.4. CÁLCULOS DE RENDIMIENTO MOTOR MODIFICADO ... 42
4.4.1. CÁLCULOS CILINDRADA ... 42
4.4.2. CÁLCULOS VOLUMEN DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN ... 43
4.4.3. CÁLCULOS RELACIÓN DE COMPRESIÓN ... 45
4.4.4. CÁLCULOS DE LAS LEVAS ... 45
4.4.4.1. Análisis de las levas Aveo 1.6 ... 46
4.4.5. RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO MOTOR MODIFICADO ... 47
4.5. PRUEBAS DE RENDIMIENTO (DINAMÓMETRO) ... 48
4.5.1. PRUEBAS MOTOR ESTÁNDAR EN EL DINAMÓMETRO ... 49
4.5.1.1. Pruebas a nivel del mar ... 49
4.5.1.2. Pruebas en la Altura ... 51
4.5.2. PRUEBAS MOTOR MODIFICADO ... 52
4.5.2.1. Pruebas a nivel del Mar ... 52
4.5.2.2. Pruebas en la Altura ... 53
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 58
5.1. CONCLUSIONES ... 58
5.2. RECOMENDACIONES ... 59
BIBLIOGRAFÍA………...60
iv
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Especificaciones del Motor Corsa Wind ... 32
Tabla 2. Especificaciones culata OHC Y DOHC. ... 33
Tabla 3. Resultados potencia / torque vs rpm motor estándar (llano) ... 50
Tabla 4. Resultados gráfica potencia / torque vs rpm ... 52
Tabla 5. Resultados gráfica potencia / torque vs rpm motor modificado ... 53
Tabla 6. Resultados potencia / torque vs rpm motor modificado (altura) ... 55
Tabla 7. Especificaciones Corsa y Aveo ... 55
Tabla 8. Sistemas de distribución ventas y desventajas ... 56
v
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Entradas y salidas en el Motor alternativo ... 4
Figura 2. Motor Alternativo. ... 5
Figura 3. Admisión ... 6
Figura 4. Compresión ... 6
Figura 5. Explosión ... 7
Figura 6. Escape ... 7
Figura 7. Sistema SV ... 8
Figura 8. Sistema OHV ... 9
Figura 9. Sistema OHC ... 10
Figura 10. Sistema SOCH ... 10
Figura 11. Sistema DOCH ... 11
Figura 12. Accionamiento por piñones ... 12
Figura 13. Accionamiento de la distribución por cadena ... 12
Figura 14. Accionamiento por correas dentadas ... 13
Figura 15. Accionamiento Distribución variable con doble árbol... 14
Figura 16. Partes de la culata de un motor ... 15
Figura 17. Árbol de levas ... 16
Figura 18. Constitución de la válvula... 17
Figura 19. Válvula, guía y Asiento de válvula ... 17
Figura 20. Muelles ... 18
Figura 21. Balancines ... 19
Figura 22. Taqués ... 20
Figura 23. Colector de admisión y escape ... 21
Figura 24. Sistema de escape... 21
Figura 25. Elementos del empaque ... 22
Figura 26. Modificación en las toberas de admisión ... 23
Figura 27. Diseños de Header ... 24
Figura 28. Cámara de combustión de cuña... 25
vi
Figura 30. Cámara de Tina ... 26
Figura 31. Cámara en el pistón ... 27
Figura 32. FEDAK 2016 ... 28
Figura 33. Cámara de combustión ... 35
Figura 34. Medición cámara de combustión ... 35
Figura 35. Levas Corsa Wind ... 37
Figura 36. Carrera máxima de válvulas en función del giro del cigüeñal .... 38
Figura 37. Valores (scanner automotriz) ... 39
Figura 38. Sistema DOCH. ... 40
Figura 39. Pulido toberas de Admisión ... 41
Figura 40. Header ... 42
Figura 41. Soldadura MIG ... 42
Figura 42. Cámara de combustión ... 44
Figura 43. Árbol de levas cabezote Aveo 1.6 ... 46
Figura 44. Análisis de la carrera máxima de las válvulas culata Aveo 1.6 ... 47
Figura 45. Análisis de la carrera máxima de las válvulas ... 47
Figura 46. Valores auto modificado (scanner automotriz) ... 48
Figura 47. Diagrama torque/potencia vs rpm’s (nivel del mar) ... 50
Figura 48. Diagrama torque/hp vs rpm’s (Altura) ... 51
Figura 49. Gráfica torque/potencia vs rpm motor modificado ... 53
Figura 50. Torque/potencia vs rpm motor modificado en la altura ... 54
Figura 51. Torque/potencia vs rpm motor modificado (altura) ... 54
Figura 52. Resultados dinamómetro motor corsa Wind estándar ... 57
vii
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
ANEXO 1 Reglamento “FEDAK ... 62
ANEXO 2 Montaje y desmontaje de cabezotes ... 88
ANEXO 3 Cabezote (SOHC Y DOCH) ... 89
ANEXO 4 Comparación de árboles de levas ... 90
ANEXO 5 Apertura de toberas... 90
ANEXO 6 Header ... 91
ANEXO 7 Resultados dinamómetro ... 92
viii
RESUMEN
El presente trabajo tuvo la finalidad de modificar la parte superior del motor
denominada la culata, de un vehículo turismo Corsa Wind 1300 cc, con
sistema de distribución OHC, con el único objetivo de potenciar el motor,
incrementar su rendimiento, siendo capaz de ser empleado en competencias
de automóviles en circuito.
La modificación mecánica se la realizó con ayuda de manuales, catálogos,
libros y mediante cálculos iniciales del motor. Para ello se realizó varios
procedimientos como la implementación de una nueva culata que posee
doble árbol de levas (DOCH). Lo que permitirá controlar la apertura y cierre
de mayor número de válvulas, ganando un mayor rendimiento volumétrico,
dando como resultado mayor relación de compresión.
Con la finalidad de que exista mayor entrada de la mezcla aire/ combustible,
se modificó las toberas de admisión, dándole una mayor apertura, con esto
generar un mayor llenado del cilindro. Además se construyó, un sistema de
escape (header), el cual permitirá que los gases de escape producidos por la
combustión evacuen libremente y no choquen entre sí, lo cual, provocaría
una contrapresión desfavorable, creando pérdidas de potencia en el
automóvil. Para lo cual se empleó maquinaria específica como la dobladora
de tubos, que permite darle formas y ángulos a los tubos, para luego ser
soldados, dándole el diseño final del header.
Finalmente se obtuvo el rendimiento volumétrico de las levas, el cual es la
eficiencia de llenado de los cilindro del motor, dando como resultado una
ganancia del 10 % a comparación del motor estándar.
Los resultados obtenidos en las pruebas que se realizó después de los
cambios efectuados, fue un incremento en la potencia de un 30 %, debido a
que se ganó mayor cilindrada, respecto al motor estándar, con las
modificaciones he implementaciones realizadas. Logrando el objetivo
ix
ABSTRACT
This proyect was intended to modify the top of the engine called the cylinder
head of a passenger vehicle Corsa Wind 1300 cc, with system OHC
distribution, with the sole aim of boosting the engine, increasing performance,
being able to be employed competency car circuit.
Mechanical modification is performed with the help of manuals, catalogs,
books and through initial calculations motor. To do several procedures such
as implementing a new cylinder head has dual overhead camshafts (DOHC)
was performed. Allowing control opening and closing as many valves,
gaining greater volumetric efficiency, resulting in higher compression ratio.
In order that there is more input air / fuel intake nozzles changed, giving
greater openness, with this generate increased cylinder filling. In addition, an
exhaust system (header), which allow the exhaust gases produced by
combustion evacuate freely and not collide with each other, which would
cause an unfavorable backpressure creating power losses in the car was
built. For which specific machinery was used as the tube bender, which
allowed him shapes and angles to the tubes and then be welded, giving the
final design of the header.
Finally the volumetric efficiency of the cams, which is the filling efficiency of
the engine cylinder, resulting in a 10% gain compared to the standard engine
was obtained.
The results obtained in tests conducted after the changes was an increase in
power of 35%, because larger displacement won, compared to standard
engine, with modifications have implementations perform these above.
1
1. INTRODUCCIÓN
En las competencias automovilísticas en circuito, se aprecia grandes
modificaciones e implementaciones que se realizan en los diferentes
componentes del automotor. La culata es uno de los elementos principales
para que el automóvil tenga un desarrollo y rendimiento adecuado, debido a
que en ella se alojan elementos como el árbol de levas el cual permitirá la
apertura de las válvulas tanto de admisión como de escape. En el caso de
tratarse de competiciones automovilísticas el motor se rige solo a ser
empleado en altas revoluciones, por lo cual la culata en el punto de vista de
trucaje de motores, es el elemento más importante para modificarlo, pues en
ella se alojan casi la totalidad de órganos que constituyen la distribución, es
decir el sistema de control de la apertura y cierre de las válvulas de entrada
y escape, por ello, depende tanto de este elemento una carrera exitosa.
En Ecuador la realización de eventos automovilísticos ha ido adquiriendo
cada vez más gran número de aficionados, por este motivo el ámbito
deportivo fue motivación para la realización de este proyecto, lograr una
preparación adecuada de la culata de una forma técnica y analítica,
logrando tener fiabilidad en el trabajo realizado, consiguiendo de esa forma
poner en práctica todos los conocimientos adquiridos a lo largo de la carrera
de Ingeniería Automotriz. Se debe partir del conocimiento de las
especificaciones técnicas del motor, dado que estos son factores
importantes para advertir los límites de potencia hasta el que se puede
modificar el vehículo. Con ello determinar los factores a emplear para
efectuar una alzada de cilindrada, todo ello llevando análisis, cálculos
respectivos para su afinación exitosa evitando pérdidas y deficiencias.
Existen elementos como las levas que permiten el accionamiento de las
válvulas. Las levas varían según su diseño, en el caso de competir en pista,
se emplean árboles de levas con levas de crestas finas, ya que proporcionan
mayores revoluciones por minuto, y mayor cruce de válvulas. Por otro lado,
para ganar mayor relación de compresión, también se trabaja con sistema
2 cierre de las válvulas, por lo tanto, va existir doble árbol de levas en la
culata, proporcionando un mayor número levas, como de válvulas, esto
ocasionará un mejor llenado como vaciado del cilindro, así consiguiendo un
rendimiento satisfactorio del automóvil.
Existe modificaciones en las toberas de admisión, aumentado su diámetro
de entrada, generando mejor llenado de los cilindros, siempre tomando en
cuenta las recomendaciones del manual del fabricante para q no exista
falencias en el desarrollo de los propósitos planteados.
En el sistema de escape, existen implementaciones que ayudan a ganar
caballos de fuerza, es así, como se implementa un header, con el fin de
evitar que choquen los gases del escape producidos por la combustión, y
tengan la posibilidad de evacuar libremente.
El objetivo principal de esta tesis es analizar, modificar e implementar la
culata de un motor de combustión interna ciclo OTTO para un vehiculó de
competencias en circuito, rigiéndose al reglamento de la FEDAK (Federación
Ecuatoriana de automovilismo y kartismo).
Los objetivos específicos, se centran en:
Investigar y estudiar los tipos y función de la culata. Analizar los componentes que interactúan con la culata.
Modificar la relación de compresión, generando así mayor potencia y eficiencia del motor.
Efectuar pruebas de ruta, antes y después para comparar eficiencia y
3
2. MARCO TEÓRICO
2.1. MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS
Se denominan con este nombre a motores que transforman la energía
química del combustible en energía mecánica, convirtiendo el movimiento
alternativo del pistón y de la biela en movimiento rotativo. El arranque de los
motores de combustión interna alternativos se produce en su cámara interna
(cámara de combustión), en donde se forma la mezcla aire/combustible, la
misma cámara interna forma parte de un cilindro en el cual se mueve un
pistón en sentido rectilíneo. El pistón formar parte de un mecanismo
conformado por pistón-biela-cigüeñal, este último constituye el eje rotativo.
Al efectuarse el momento de ignición, el pistón recibe tal fuerza poniéndose
en movimiento y transmitiendo dicho movimiento a la biela, que va
conectada al eje del cigüeñal (Calleja, 2011).
Es de vital importancia la existencia de sistemas auxiliares para el óptimo y
correcto funcionamiento del motor.
Los cuales son: refrigeración, lubricación y suministro de energía eléctrica.
La lubricación es todo el sistema que mantiene lubricado los mecanismos
móviles, igual sirve como refrigerante y reduce la fricción de los elementos
que están en contacto. El sistema de refrigeración, mantiene una
temperatura constante del motor duran su funcionamiento, lográndolo al
momento de eliminar el exceso de calor que se genera. Por último el
suministro de energía eléctrica es importante ya que hace posible el
funcionamiento de dispositivos como bombas hidráulicas, las cuales hacen
posibles la circulación de los fluidos a lo largo de sus conductos
correspondiente. A continuación se muestra la figura 1, en el cual se
representa las entradas y salidas que existentes en el motor. Para que el
motor funcione eficientemente en su totalidad, todos los componentes tanto
fijos como móviles, deben estar en perfectas condiciones de funcionamiento,
evitando así, desgastes inoportunos que puedan provocar falencias en el
4 Los motores Diésel se basan su principio de encendido a presión constante.
La chispa que se genera en los motores Otto es producida por un dispositivo
capaz de generar la ignición el cual se denomina bujía y está ubicada en un
conducto en la pared superior de cada cilindro.
Figura 1. Entradas y salidas en el Motor alternativo
(Sanz, 2010)
En el caso de los motores Diésel el encendido se da Por medio de la ignición
(encendido) del combustible al ser inyectado muy pulverizado y con alta
presión en una cámara (o pre cámara, en el caso de inyección indirecta) de
combustión que contiene aire a una temperatura superior a la temperatura
de autocombustión, sin necesidad de chispa como en los motores de
gasolina. Este proceso es lo que se llama la autoinflamación . El uso de un
combustible con menor volatilidad y peso específico que aquellos usados
para los motores
Otto. Los motores Diésel poseen valores de relación de compresión que
alcanzan hasta un magnitud de 22, a comparación con los motores Otto que
se limitan a valores de relación de compresión que varían entre 6 – 10,
debido a que al alcanzar grandes presiones se corre el riesgo de una
explosión espontánea de la mezcla. La figura 2 muestra la constitución de un
5 Figura 2. Motor Alternativo.
(Alonso, 2013)
2.1.1. CICLO OTTO EN UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
Un ciclo de trabajo se lleva a cabo de forma ideal en 2 vueltas del cigüeñal o
4 tiempos. El motor respira mezcla aire y gasolina y, expulsan gases
quemados producto de la combustión.
Son tres los tiempos de funcionamiento que resultan: admisión, compresión
y escape, sin embargo a este motor se le identifica como de cuatro tiempos,
de modo que falta un tiempo o fase.
Este tiempo se denomina compresión y se va a contemplar junto a los
demás seguidamente. A continuación se detallara la función que se realiza
en cada tiempo: (Shigley, 2005).
2.1.1.1. Admisión
Admisión; la válvula de escape está cerrada y la de admisión se abre cuando
el pistón comienza a descender, aspirando los gases frescos, mezcla de aire
y gasolina, en el cilindro absorbidos por el pistón desde el colecto de
6 Figura 3. Admisión
(Alvarado, 2004)
2.1.1.2. Compresión
Compresión; al terminar el pistón su recorrido descendente de admisión y
comenzar el ascendente se cierra la válvula de admisión (la de escape
permanece cerrada) como se observa en la figura 4.
La mezcla de aire y gasolina va comprimiendo gradualmente en función de
que el volumen se va reduciendo, aumentada temperatura y presión.
Este tiempo se mantiene hasta que el pistón llega al final de su recorrido
ascendente (Domínguez, 2010).
Figura 4. Compresión
(Bosch, 2000)
2.1.1.3. Explosión
Combustión o explosión; al final del tiempo de compresión, con la mezcla de
aire y gasolina caliente y a elevada presión, salta la chispa en la bujía como
se ve representada en la figura 5, que induce la rápida combustión de la
7 empuja al pistón hacia abajo. En este tiempo es cuando se produce la
energía que mueve el automóvil (Prieto, Alonso, & Luengo, 2007).
Figura 5. Explosión
(Paz, 2008)
2.1.1.4. Escape
Escape; al final de la combustión, cuando el pistón este terminando su
recorrido descendente, se abre la válvula de escape. Al subir de nuevo el
pistón empuja los gases quemados hacia el colector de escape, así se
observa en la figura 6. Cuando el pistón llega a la parte superior del cilindro, se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión, comenzando un
nuevo ciclo (Castro, 2005).
Figura 6. Escape
(Castro, 2005)
2.2. SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN
Se denomina distribución al conjunto de piezas que regulan la entrada y
8 ya que las aperturas y cierres de las válvulas se deben producir en los
momentos adecuados.
2.2.1. TIPOS DE DISTRIBUCIÓN
Se clasifican dependiendo de la localización del árbol de levas. En los años
80 los motores estaban configurados con el árbol de levas situado en el
bloque motor, Razón por la cámara de compresión era de mayor tamaño
Hoy en día todos los motores tienen el árbol de levas montado en la culata.
2.2.1.1. Sistema SV
Este sistema es el que se empleaba antiguamente en diferentes
automóviles. Sus siglas SV indican que el árbol de levas se encuentra
alojado en el bloque motor, se ve representado el sistema de distribución en
la figura 7.
Sistema También llamado de válvulas laterales, el mando de la válvula se
activa con el árbol de levas ubicado en el bloque motor. Esto provoca que la
cámara de compresión tenga que ser mayor y el tamaño de las cabezas de
las válvulas se vea limitada por el poco espacio que se dispone(Gil, 2002).
Figura 7. Sistema SV
9
2.2.1.2. Sistema OHV (OverHead Valve)
En este sistema el árbol de levas se encuentra en el bloque motor y las
válvula dispuestas en la culata como se aprecia en la figura 8. La
transmisión de movimiento del cigüeñal hacia el árbol de levas se hace
directamente por medio de dos piñones o con la interposición de un tercero,
también se puede hacer por medio de una cadena de corta longitud. La
ventaja de este sistema es que la transmisión de movimiento entre el
cigüeñal y el árbol de levas, necesita un mantenimiento nulo. La desventaja
viene dada por el elevado número de elementos que componen este sistema
para compensar la distancia que hay entre el árbol de levas y las válvulas.
Esta falencia influye sobre todo a altas revoluciones del motor, por lo que
estos motores se ven limitados(Guillieri, 2005).
Figura 8. Sistema OHV
(Sanz, 2010)
2.2.1.3. Sistema OHC (Overhead Cam)
El sistema OHC como se ve representado en la figura 9. Posee el árbol de
levas en la culata lo mismo que las válvulas. Sistema empleado en la
actualidad. Se reduce el número de elementos entre el árbol de levas y la
válvula por lo que la apertura y cierre de las válvulas es más precisa, esto
10 revoluciones. En general es más complejo y caro pero resulta más efectivo y
se obtiene un mayor rendimiento(Gómez de Barreda, 2013).
Figura 9. Sistema OHC (Picabea & Ortega, 2011)
Dentro del sistema OHC se tiene dos tipos:
Sistema SOHC (Single OverHead Cam)
Las siglas SOHC indican que el motor está conformado por un solo árbol de
levas, ubicado en la culata, el cual provocara el accionamiento de las
válvulas de admisión y escape. Se puede ver representado el sistema SOCH
a través de la figura 10.
Figura 10. Sistema SOCH
11
Sistema DOHC (Double OverHead Cam)
Las siglas DOHC indican que el motor está constituido por dos árboles de
levas, que se encontraran alojadas en la culata del motor, lo que provocará
que uno accione las válvulas de admisión y el otro árbol accionara las
válvulas de escape. Se puede apreciar en la figura 11 como trabaja el
sistema DOCH.
Figura 11. Sistema DOCH
(Bosch, 2002)
2.2.2. MANDO DE LA DISTRIBUCIÓN
La rotación del árbol de levas se realiza por medio del movimiento del
cigüeñal, para ello se debe emplear distintos sistemas de transmisión por
medio de: piñones, cadenas de rodillos y correa dentada. El sistema que se
adopta depende el tipo del motor, posición del árbol de levas y costo de
fabricación.
2.2.2.1. Transmisión por ruedas dentadas
El accionamiento de la distribución mueve también dependiendo de los
motores: la bomba de agua, bomba del líquido refrigerante la bomba de
12 cigüeñal y el árbol de levas es mínima, la transmisión se realiza por medio
de piñones, como se representado en la figura 12 (Rueda, 2002).
Figura 12. Accionamiento por piñones
(Sanz, 2010)
2.2.2.2. Transmisión por cadena de rodillos
La distribución por cadena de rodillos, como se puede observar en la figura
13, está conformado por dos piñones uno ubicado en el cigüeñal y el otro en
el árbol de levas. Esta cadena puede ser simple o doble. Posee algunos
beneficios como mayor durabilidad y menor mantenimiento, pero así mismo
tiene inconvenientes a largo plazo ya que con el tiempo se desgasta y puede
provocar un desfase de la distribución debido a un aumento de la longitud de
la cadena de rodillos (Bosch, 2000).
Figura 13. Accionamiento de la distribución por cadena
13
2.2.2.3. Transmisión por correas dentadas
El accionamiento por correas dentadas en la actualidad es el más empleado,
tiene ventajas como: costo económico, transmisión silenciosa, así mismo
inconvenientes ya que su durabilidad es limitada. El material con las que se
fabrica estas correas dentadas es de caucho sintético como se puede ver en
la figura 14, y otras correas de fibra de vidrio, ya que posee propiedad a
favor como flexibilidad para adaptarse a poleas de arrastre, al igual que no
se alteran sus dimensiones (Gómez de Barreda, 2013).
Figura 14. Accionamiento por correas dentadas
(Kalpakjian & Schmid, 2002)
2.2.3. ACCIONAMIENTO DE LA DISTRIBUCIÓN VARIABLE
El rendimiento volumétrico puede aumentarse utilizando sistemas de
distribución variable, capaces de modificar los instantes de apertura y cierre
de las válvulas adaptándolos a las necesidades del motor en cada condición
de funcionamiento. Controla los instantes de apertura y cierre de la válvula
de admisión, como la alzada de la misma. En la figura 15 se puede ver
14 Figura 15. Accionamiento Distribución variable con doble árbol
(Chaves, 2004)
2.3. LA CULATA
Es el elemento de cierre superior de los cilindros, en ella se forman las
cámaras donde los gases se quedan encerrados al final de la compresión y
donde se inicia la combustión. Se puede afirmar que casi la totalidad de
motores refrigerados por agua están provistos de una culata independiente
del bloque motor, que se une a él por medio de tornillos, que aseguran la
unión entre ambos e impiden deformaciones pro la acción del calor y de la
presión. La culata se acopla junto al block del motor mediante una junta de
caucho forrada con láminas de cobre o acero, que realiza una unión estanca
entre ambos, impidiendo la fuga de los gases de la compresión o del líquido
refrigerante que circula desde el bloque a la culata. Se puede observar
detalladamente en la figura 16, los elementos que componen la culata de un
motor de combustión interna. Para motores de combustión plantean grandes
exigencias en cuanto a las propiedades mecánicas de los materiales por
encima de 150 ºC. La culata se fabrica generalmente de fundición aleada
con otros metales, que añaden características especiales de resistencia,
rigidez y conductividad térmica. En otras ocasiones se utiliza aleaciones de
aluminio, ya que este material combina la ligereza con una elevada
capacidad de evacuación del calor. Se necesitan aleaciones específicas que
deben cumplir las más altas exigencias en cuanto a: Alta resistencia a la
15 entre la temperatura ambiente y 250 ºC, alta conductividad térmica, baja
porosidad, Alta ductilidad y elasticidad con alta resistencia al choque térmico,
buenas propiedades de fundición y baja susceptibilidad a las grietas de
solidificación (Sanz, 2010).
Las culatas fabricadas de aluminio poseen resistencia, peso reducido y gran
transferencia de calor, esto facilita la refrigeración. Las fabricadas con hierro
son resistentes y menos propensas a las deformaciones. Posee desventajas
como mayor peso y menor capacidad de refrigeración al motor.
Figura 16. Partes de la culata de un motor
(Calleja, 2011)
2.3.1. ELEMENTOS DE LA CULATA
2.3.1.1. Árbol de levas
Órgano mecánico que recibe movimiento giratorio del cigüeñal y lo transmite
a las válvulas. Lo constituye un eje de acero al carbono, forjado y
cementado, aleado con silicio y magnesio como se observa en la figura 17,
en las que están labradas unas levas, en número igual al de válvulas que
posea el motor. El árbol de levas gira apoyado en cojinetes de metal
16 vuelta por cada dos del cigüeñal. El perfil de la leva determina el movimiento
de apertura de la válvula y el tiempo que permanece abierta (Picabea &
Ortega, 2011).
Figura 17. Árbol de levas
(Gómez de Barreda, 2013)
En los motores de altas prestaciones, los perfiles de las levas tienen la forma
adecuada para conseguir un gran angula de apertura de las válvulas,
posicionando las levas de admisión y escape de cada cilindro de manera
que se obtenga un gran solapo (árbol de levas rápido), con lo que se
conseguirá mayor llenado de cilindro en los altos regímenes. El árbol de
levas emplea un piñón con doble número de dientes que el del cigüeñal.
2.3.1.2. Válvulas
Tienen la misión de permitir la entrada y salida de gases al cilindro en los
momentos adecuados de cada fase, cerrando herméticamente los conductos
de acceso y evacuación de la cámara de combustión durante el tiempo
restante del ciclo. Están sometidas a grandes solicitaciones mecánicas y
térmicas, por tal razón se fabrican de acero al carbono, aleado con cromo,
silicio y níquel. La constitución de la válvula se aprecia por dos partes
fundamentales: la cabeza o plato y el vástago como se observa en la figura
17 Figura 18. Constitución de la válvula
(Alonso, 2013)
El vástago se desliza sobre una guía de fundición, que suaviza el rozamiento
y atenúa el desgaste debido al movimiento de la válvula. La cabeza o plato,
que ubicándose su asiento en la cámara de combustión cierra el conducto
de entrada o salida.
2.3.1.3. Asientos de válvulas
Elementos colocados a presión sobre la culata y lugar donde se asientan las
válvulas para lograr un excelente cierre hermético de la cámara de
combustión como se ve representado en la figura 19. Su fabricación es de
fundición centrifugada y nitrurada, acompañada con cromo y níquel para
obtener propiedades como dureza y resistencia al desgaste y corrosión. En
algunas ocasiones se recubre con estelita (aleaciones de cobalto, tungsteno
y cromo) la superficie de apoyo con la válvula (Calleja, 2011).
Figura 19. Válvula, guía y Asiento de válvula
18
2.3.1.4. Muelles.
Su función principal es mantener firmemente asentada la válvula contra su
alojamiento de la cámara de combustión, impidiendo que esta se mueva por
efecto de la presión creada en el cilindro durante la admisión. Existe gran
variedad de resortes de alto rendimiento, los más comunes son los muelles
duros o dobles. Se instalan estos tipos de resortes dependiendo del árbol de
levas. Varían en la capacidad de retención de la válvula contra el asiento a la
hora de cerrar, como esta detallado en la figura 20, evitando que quedan abiertas las válvulas a altas revoluciones, este efecto se le denomina “flotar válvulas.” Los resortes pierden su capacidad de tensión con el uso, es recomendable
cambiarlos después de un tiempo de uso (Castro, 2005).
Dobles: Sirven para árboles con alto levante, dependiendo de lo mismo pierden su capacidad de retención de la válvula aproximadamente a las
7,500 r.p.m.
Duros: Sirven para árboles de levas con levante medio, dependiendo del tipo del mismo pierden su capacidad de retención de la válvula
aproximadamente a las 5,500 r.p.m. Se instalan igual que los originales
(Prieto, Alonso, & Luengo, 2007).
Figura 20. Muelles
19
2.3.1.5. Balancines
Por uno de sus extremos, el balancín actúa sobre la cola de la válvula,
mientras que el otro extremo contacta con la leva directamente, como se
puede observar en la figura 21, o con el empujador correspondiente. Un
extremo del balancín dispone de un tornillo y contratuerca que permite
efectuar el reglaje de taqués. En sistemas de mando de válvulas en los que
la leva actúa directamente sobre el centro del balancín, el taque se inserta
en la culata y sirve de apoyo a un extremo del balancín (taqué permanece en
reposo), siendo el balancín que está sujeto al impulso de la leva (Gómez de
Barreda, 2013).
Figura 21. Balancines
(Orovio, 2010)
2.3.1.6. Taqués
Se alojan en orificios apropiados del bloque o de la culata, sus superficies
laterales son debidamente pulimentadas, para atenuar el desgaste debido al
frotamiento que se produce entre ambos en el funcionamiento. Se fabrican
20 generalmente, adoptan la forma cilíndrica, siendo su altura la suficiente para
que resulte bien guiado en el funcionamiento. El posicionamiento desviado
de la leva sobre el taqué sirve para producir la rotación del mismo sobre su
eje cada vez que es accionado, evitando que la leva roce siempre en la
misma zona y se produzca un desgate irregular en ella. En su interior está
conformado por: el pistón, el cilindro, la válvula de retención y el muelle. El
interior del conjunto está lleno de aceite, que llega a presión desde el
sistema de engrase del motor por el orificio, en cuento este se pone en
funcionamiento(Bosch, 2002).
Con los taques hidráulicos como está representado en la figura 22, se
consigue eliminar automáticamente la holgura que pudiera existir en el
sistema de mando de las válvulas, compensando inmediatamente la menor
expansión. Esta característica permite que las válvulas se abran en el punto
exacto del ciclo motor.
Figura 22. Taqués
(Alonso, 2013)
2.3.1.7. Múltiple de admisión
El colector de admisión se acopla a un lado de la culata, frente a los orificios
21 mediante espárragos y tueras, con interposición de juntas. Consta de
conductos que suministran aire a cada uno de cilindros. Generalmente suele
ser fabricado en aluminio o similares y también en materiales plásticos de
considerable resistencia. En la figura 23, se puede apreciar la conformación
de un conector de admisión y escape (Bosch, 2000).
Figura 23. Colector de admisión y escape
(Chaves, 2004)
2.3.1.8. Múltiple de escape
Elemento que da salida a los gases quemados al exterior y reduce el ruido
que se produce cuando estos son expulsados, como el de admisión se fija a
la culata por medio de espárragos, con interposición de juntas adecuadas.
En la figura 24, se observa la constitución del sistema de escape.
Figura 24. Sistema de escape
22
2.3.1.9. Junta de culata
No permite que se mezcle el agua con el aceite dentro de las cámaras de
combustión y sella la unión entre la culata y el block. Estas juntas eran
fabricadas de asbesto, hoy en día, la mayoría son laminados, pero la función
es la misma. Cuando estos empaques están defectuosos presentan
oxidación, la cual no soporta presiones de la combustión. El material
presenta despegue el cual permitirá el paso de fluidos del motor por el
interior del empaque. Resiste a efectos corrosivos producidos por: Líquido
refrigerante, Gasolina, Aceite y Aditivos. Las empaquetaduras de la culata
deben sellar de mejor manera las presiones de combustión, el enfriador y el
aceite. En la figura 25, se determina las partes que conforman una junta
metálica perforada (Kalpakjian & Schmid, 2002).
Figura 25. Elementos del empaque
(Sanz, 2010)
2.3.2. MODIFICACIONES DE LA CULATA
2.3.2.1. Modificaciones de las toberas de admisión
En un motor de competencia es fundamental mejorar sus toberas, ya que
23 agrandar las toberas hasta un mayor diámetro, para mejorar la entrada de la
mezcla en los cilindros donde se realizara la combustión. Tomar en cuenta la
cilindrada del motor para saber cuánto aire aspira el motor en cualquier
régimen al que se exponga, y que tanto el aire como el combustible recorran
la distancia más corta hasta entrar al motor. A continuación se ve
representado en la figura 26, el proceso de pulido de las toberas de
admisión(Guillieri, 2005).
Figura 26. Modificación en las toberas de admisión
(Coello, 2006)
2.3.2.2. Modificación del múltiple del escape
En los motores de grandes cilindradas, o los equipados con turbo
compresor, se facilita la salida de los gases quemados en el cilindro
utilizando un colector de escape, que dispone un tubo de salida de gases
para cada cilindro, que desemboca junto a los demás en el colector que se
24 El Header busca anular la contra presión del múltiple para todos los cilindros.
Cada tubo debe poseer la misma dimensión y longitud, al ser iguales
garantiza que los gases de escape de cada cilindro se mueva con suficiente
espacio de forma equitativa para evitar que se genere contrapresión. La
función primordial del header es evitar que los gases de escape choquen a
la salida de la cámara de combustión, los tubos están posicionados de
manera alterna de acuerdo al orden de encendido del motor para que no se
unan dos que hagan explosión. Se construyen de diferente diseños dependiendo si se quiere ganar mayor rpm’s o torque, así se puede apreciar
en la figura 27. (Dependiendo del motor se gana entre 5-10 HP)(Alvarado,
2004).
Figura 27. Diseños de Header
(Alonso, 2013)
2.4 CÁMARAS DE COMBUSTIÓN
La aerodinámica interna de la cámara de combustión constituye un factor
esencial para el desarrollo de la combustión y, en consecuencia para el
rendimiento térmico, así como el posicionamiento de la bujía. Afecta tanto la
entrada como salida de gases que obliga a que su diseño de los conductos
labrados en ella, cuya forma e inclinación debe ser la más adecuada para
conseguir el mejor rendimiento. Las cámaras más empleadas en los motores
25 Con una cualidad de que la bujía está situada a un constado, lo que permite
una buena refrigeración de la misma. Las válvulas se presentan paralelas
entre si y verticales a la cámara o ligeramente inclinadas (Castro, 2005).
2.4.1. CLASIFICACIÓN
2.4.1.1. Cámara de cuña
Disminuye al mínimo el riesgo de detonaciones debido a que concentra la
mayor cantidad de la mezcla en la proximidad de la bujía. Permite muy
buena refrigeración de las esquinas cuando se presenta el escape de los
gases, se ve ilustrado en la figura 28.
Es de construcción económica. Se ha concluido que el rendimiento de este
tipo de cámara es del 99% (Bosch, 2000).
Figura 28. Cámara de combustión de cuña
(Coello, 2006)
2.4.1.2. Cámara Hemisférica
En algunos motores, por regla general los de elevadas potencias específicas
y altos regímenes de rotación, se emplea las cámaras de combustión
hemisférica, en la que las bujías van situadas verticalmente en el centro de
la cámara y las válvulas inclinadas una a la cada lado, como se
26 de accionamiento de las válvulas resulta más complejo, por lo tanto, más
costoso (Sanz, 2010).
Figura 29. Cámara Hemisférica
(Orovio, 2010)
2.4.1.3. Cámara de Tina o Discoidal
Tiene la forma de una tina invertida y permite colocar las válvulas en línea
como está manifestada en la figura 30, lo cual hace que el mecanismo de
accionamiento de las mismas sea sencillo. La turbulencia excesiva es
controlada por medio de la forma alargada y ovalada de la tina. Al usar una
relación carrera / diámetro menor que uno, es decir que el pistón (Gómez de
Barreda, 2013).
Figura 30. Cámara de Tina
27
2.4.1.4. Cámara en el propio pistón
En otro caso la cámara de combustión se forma en el propio pistón, que está
dotado en su cara superior de una cavidad especial, como se observa en la
figura 31, donde quedan encerrados los gases al final de la compresión. Es
empleado comúnmente en motores diésel y algunos de gasolina, que deben
reducir su relación de compresión como es el caso de motores como turbo
compresor o sobrealimentados. Mayor costo de fabricación y mayor peso en
el pistón.
Figura 31. Cámara en el pistón
(Alonso, 2013.)
2.5. REGLAMENTO GENERAL “FEDAK-ECUADOR”
La Federación Ecuatoriana de Automovilismo y Kartismo (FEDAK), permite a
los participantes involucrados en la categoría TMN1, la libertad de la
preparación de su automóvil, es decir, es libre. Se permite incluso el uso de
accesorios, partes principales o secundarias, componentes parciales o
totales, de marcas diferentes a las de la carrocería (Motor, caja, transmisión,
suspensión, dirección, frenos, etc.,. . .) se aprecia en la figura 32 el
reglamento vigente de la FEDAK.
En el caso de la modificación de la culata no especifica parámetros o
limitaciones, con esto cabe recalcar que es libre la preparación del
28 se participará en la cual se especificara cilindrada y más detalles el
automóvil. Es importante cumplir con el peso mínimo establecido al final de
una manga, o de una competencia, el no cumplir implica la descalificación
automática de la misma manga, y la pérdida de los puntos obtenidos
(FEDAK, 2016).
Figura 32. FEDAK 2016
29
3. METODOLOGÍA
El presente proyecto se realizó aplicando un método analítico y
experimental, debido a que se realizaron cálculos y pruebas, con el fin de
alcanzar el objetivo principal y los específicos.
Se empleó el método analítico ya que se realizaron análisis y cálculos para
posteriormente ser estudiados, y determinar la potencia, rendimiento que
gana después de las modificaciones e implementaciones respectivas. Dicho
método permitió estudiar los componentes de la culata de forma individual,
así como el trabajo en conjunto entre ellos.
Se ejecutó el método experimental, debido a que re realizó pruebas de ruta
con el motor estándar y modificado, que permitió determinar la ganancia de
potencia y rendimiento del automóvil Corsa Wind de forma real.
A través de la modificación de la distribución se consiguió un mejor llenado
de la mezcla aire/ combustible en cilindro del motor, al igual que el vaciado
del mismo, proporcionando un mayor número de válvulas y mayor tiempo de
aperturas de las mismas. Para la modificación e implementación de la culata
se empleó dos manuales de taller, uno referente al Opel Corsa y el segundo
del Chevrolet Aveo, con el fin de descubrir si existe similitud en su
construcción interna, evitando inconvenientes al implementar la culata
DOHC del Aveo en el motor del Corsa Wind. Con la modificación de las
toberas de admisión, se buscó que exista mayor entrada de aire hacia los
cilindros del motor, así generando un mejor llenado evitando la formación de
remolinos que se generan contracorrientes al estar expuesta la mezcla a
superficies con irregularidades, por lo cual se determinó que los conductos
de admisión sean lo más lisos posible, así se evita cualquier tipo de
anomalía en el sistema. Por lo cual se procedió a la apertura de las toberas
de admisión, se realiza mediante un limando de sus paredes. Para logar que
los gases de escape del motor sean expulsados con menor resistencia
posible, se construyó un colector de escape de alto rendimiento denominado
Header. Dicho elemento genera la salida de gases de forma individual es
30 Header es un sistema elaborado con tuberías de acero inoxidable, se
elaboró con la disposición 4-2-1 con el fin de ganar mayor potencia. Para
lograr unir los conductos con las bridas y el empaque, se empleó la
soldadura MIG(Metal Inert Gas)
Los materiales que se emplearon en la ejecución de esta tesis fueron:
Culata vehículo Corsa Wind ,1 300 cc., del año 1996. Sistema de distribución OHC.
Culata vehículo Chevrolet Aveo, 1 600 cc., del año 2013. Sistema de distribución DOCH.
Juntas de culata.
Tubos de hierro negro. (Header) Líquidos refrigerantes.
Silicona. (selladora de empaques) Platinas.
Las herramientas y equipos utilizados en los diferentes trabajos realizados
son:
Dinamómetro.
Herramientas de sujeción. Scanner automotriz. Tecle hidráulico.
Manómetro de compresión. Gata hidráulica.
Prensa hidráulica. Dobladora de tubos. Compresor.
Elementos de medición (pie de rey, regla graduada, micrómetro etc….).
31 Rotaflex.
Soldadura MIG.
El automóvil se empleará en competencias en circuito, por dicha razón se
rige a ciertos reglamentos tales como:
Reglamento General de la “FEDAK”( Federación Ecuatoriana de Automovilismo y Kartismo).
32
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.1 ESPECIFICACIONES DEL MOTOR CORSA WIND 1.300
CC
Para realizar las modificaciones e implementaciones en los diferentes
elementos del motor se debe conocer previamente sus valores nominales de
forma estándar, como se observa en la tabla 1.
.
Tabla 1. Especificaciones del Motor Corsa Wind
(Chevrolet, 2002)
4.1.1. ESPECIFICACIONES DE LA DISTRIBUCIÓN OHC CORSA Y DOHC AVEO
Para la modificación de la distribución se empleó dos manuales de taller,
33 en su construcción y poder desarrollar los cambios programados. En la tabla
2, se detalla las especiaciones de las dos culatas OHC y DOHC.
Tabla 2. Especificaciones culata OHC Y DOHC
(Chevrolet, 2013)
Se determinó que el sistema DOHC, genera una cámara de compresión
perfecta para elevadas relaciones de compresión, debido a su disposición de
válvulas, obteniendo como beneficio final un mejor desempeño del motor,
por tal razón se procedió a implementar el sistema DOHC en el motor del
vehículo Corsa Wind.
4.2. CÁLCULOS DE RENDIMIENTO DEL MOTOR ESTANDAR
4.2.1. CÁLCULOS CILINDRADA
La cilindrada se la conoce como la capacidad geométrica que recorre el
34 punto muerto inferior y a través de la ecuación [1] se determinó la cilindrada
del motor en cuestión.
Cilindrada unitaria
[1]
Donde:
VH: cilindrada Total [ ]
Vh: cilindrada unitaria [ ]
S: carrera del pistón [7.34 cm]
d: diámetro cilindro [ ]
z: número de cilindros [4 cilindros] constante adimensional [3.1416]
[ ]
Cilindrada total
Para determinar la cilindrada total únicamente se multiplica la cilindrada
unitaria por el número de cilindro que tenga en automóvil a emplear. Es así
como se emplea a continuación la ecuación [2]:
[2]
[ ]
35
4.2.2. CÁLCULOS VOLUMEN DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN
El volumen de la cámara de combustión (Vc) no se puede determinar por
una ecuación como el cilindro, su forma lo hace casi imposible. Para
determinar la cámara de combustión se usó aceite y una jeringuilla como en
la figura 33.
Figura 33. Cámara de combustión
Se vertió aceite muy denso en la cámara hasta que se llene, el volumen de
aceite que se introduzca será el volumen de la cámara de combustión, para
saber cuánto volumen de aceite se ha introducido, se valió de la
equivalencia de 1ml es igual a 1cc se llena la jeringuilla hasta una medida
concreta y se verificó que se llene la cámara de combustión con 36 ml que
equivale a 36 cc, como se muestra en la figura 34.
36 La junta de culata forma parte de la cámara de combustión, se mide por
separado y se suma al volumen de la cámara que se realizó anteriormente
con la jeringuilla, este motor en cuestión usa una junta de culata con un
espesor de 0.13 cm y un diámetro de 7.5 cm, conociendo el diámetro y la
altura, se empleó la ecuación [3]:
Volumen de la cámara de combustión
[3]
Donde:
Volumen: 36[ ]
Altura J: 0.13 [mm]
Vc: volumen de la cámara de combustión [ ]
d: diámetro cilindro [ ]
constante adimensional [3.1416]
[ ]
4.2.3. CÁLCULOS RELACIÓN DE COMPRESIÓN
La relación de compresión establece el rendimiento térmico del motor, es
decir el grado de aprovechamiento de la energía del combustible. Para
calcular, se utilizó la ecuación [4], desarrollada a continuación:
[4]
Donde:
Vh Vc: volumen cámara de combustión máxima [ ]
37 Vc: volumen cámara de combustión mínima [ ]
: relación de compresión
4.2.4. CÁLCULOS DE LAS LEVAS
Las dimensiones de las levas es importante ya que de ellas depende la
carrera máxima y el tiempo de apertura de las válvulas, en este caso el
Corsa Wind, posee un solo árbol de levas (SOHC), y su barra es estándar ya
que posee un ángulo de 230° y la forma de la cresta de las levas es normal
como se ve en la figura 35.
Figura 35. Levas Corsa Wind
Para determinar el levantamiento de las válvulas se empleó un calibrador
con el cual se midió la cresta de la leva 41 mm, y de igual forma se midió el
diámetro del círculo base de la leva 35 mm. Finalmente la diferencia de
estas dos medidas realizadas con anterioridad, da como resultado la carrera
máxima de las válvulas (Av) 6mm. A continuación se emplea la ecuación [5]
38 Carrera máxima de las válvulas:
[5]
Donde:
Dcb: diámetro del círculo base [35mm]
Av: carrera máxima de válvulas [mm]
C: cresta de la leva [41mm]
4.2.4.1. Análisis de las levas
Una vez tomado los datos tanto del diámetro del circulo base de la leva y la
dimensión de la cresta de la misma, se obtuvo la carrera máxima de válvulas
del motor estándar, con la diferencia de los dos datos calculados
anteriormente, se consiguió la medición exacta de cuanto se abren las
válvulas de admisión para permitir el ingreso de la mezcla aire/combustible,
de igual manera las válvulas de escapes que permiten la salida de los gases
combustionados. Se concluyó así como resultado final el valor de 6mm de
carrera máxima. Así se ve representada el análisis realizado de las levas en
la figura 36 (Calleja, 2011).
Figura 36. Carrera máxima de válvulas en función del giro del cigüeñal 0; 0 120; 3 180; 6 240; 3 320; 0 0 1 2 3 4 5 6 7
0 50 100 150 200 250 300 350
ca rr e ra d e l a vá lvu la [m m ]
grados de giro del cigueñal [°]
39
4.2.5. RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO MOTOR ESTÁNDAR
El rendimiento volumétrico ( v) representa la eficiencia de llenado de los
cilindros y se define como la relación entre la masa y mezcla o aire fresco
que entra en el motor por ciclo y la que llenaría la cilindrada en las
condiciones de presión y temperatura de referencia, expresada en tanto por
ciento. Por esta razón se utilizó la ecuación [6] para determinar el
rendimiento volumétrico del motor estándar, matemáticamente, se
expresa:(Zubía & Ortega, 2011).
[6]
Los datos se obtuvo mediante uso del scanner automotriz como se verifica
en la figura [37]:
Figura 37. Valores (scanner automotriz)
Donde:
ρref: densidad aire fresco, a 2800 m.s.n.m [ 1. 072 kg/ m3]
ηV: rendimiento volumétrico, expresado en %
i: es el número de ciclos por vuelta,1/2 para motores de cuatro tiempos
40 n: velocidad del giro del motor [ 4628 rev/min = 77.13 rev/seg]
ma: masa de aire real admitida por unidad de tiempo [11.60 g/s=0.012kg/s]
4.3. MODIFICACIONES DE LA CULATA
4.3.1. SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN
Se implementó un sistema de distribución DOHC (Double OverHead Cam)
como se aprecia en la figura 38, con la finalidad de que se produzca mayor
llenado del cilindro y vaciado, ya que se posee doble árbol de levas, uno
para las válvulas de entrada y otro para las de salida, con el único objetivo
de que el motor trabaje a elevadas relaciones de compresión.
Figura 38. Sistema DOCH.
4.3.2. APERTURA DE TOBERAS
Fue necesario partir del análisis de un conducto ideal para tomar en cuenta
las óptimas características de presión, turbulencia y velocidad. Se realizó el
