Implementación de un motor de motocicleta de cuatro tiempos para un auto prototipo de competencia bajo reglamentos de la FEDAK

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E

INDUSTRIAS

CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

IMPLEMENTACIÓN DE UN MOTOR DE MOTOCICLETA DE

CUATRO TIEMPOS PARA UN AUTO PROTOTIPO DE

COMPETENCIA BAJO REGLAMENTOS DE LA FEDAK

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ

PABLO IVÁN LEMA MOLINA

DIRECTOR: ING. JUAN CARLOS LUCERO

FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO

PROYECTO DE TITULACIÓN

CÉDULA DE IDENTIDAD: 1723442610

APELLIDO Y NOMBRES: Lema Molina Pablo Iván

DIRECCIÓN: Sta. Rosa - Chillogallo, calle E Mz. 20Lt. 22

EMAIL: [email protected]

TELÉFONO FIJO: 2 635 479

TELÉFONO MOVIL: 0982214918

DATOS DE LA OBRA

TITULO: Implementación de un motor de motocicleta de cuatro tiempos para un auto prototipo de competencia bajo reglamentos de la FEDAK

AUTOR O AUTORES: Pablo Iván Lema Molina

FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO

DE TITULACIÓN: 2017-03-30

DIRECTOR DEL PROYECTO DE

TITULACIÓN: Ing. Juan Carlos Lucero

PROGRAMA PREGRADO POSGRADO

TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz RESUMEN:

El presente proyecto se llevó a cabo para la implementación del sistema de propulsión para un auto prototipo de competencia bajo reglamentos de la Federación Ecuatoriana de Automovilismo y Kartismo deportivo (FEDAK), para llevarlo a cabo se recurrió a un motor Otto de cuatro tiempos de 1000cc derivado de una motocicleta Honda. Para la adaptación de dicho motor al chasis tubular del auto, se cambió su amortiguación original de un solo eje central a una que distribuyó su peso en dos bases de motor de un automóvil convencional, conjuntamente se utilizó dos pares de templadores delanteros y traseros, que mantuvieron al motor alineado y sin vibración excesiva durante el funcionamiento estático y dinámico del vehículo. Además, fue necesaria la variación de la estructura del colector de admisión debido a una restricción de ingreso de aire, que limitó la potencia del auto de acuerdo a su categoría, por lo tanto, se trató de que el motor no adquiera una pérdida de potencia que afecte su funcionamiento, por ello se modificó la longitud, forma, disposición y diámetro de dicho colector, igualmente se modificó el colector de los gases de escape, se sustituyó el múltiple de escape original de una configuración 4-2 a una de tipo 4-1, que mejoró su rendimiento en altas rpm. El motor

fue implementado de manera central transversal, con una relación teórica de peso a potencia de 3,78 kg/HP, valor que se ubicó dentro de la referencia que presenta el reglamento, asi mismo se identificó la zona de autorregulación teórica, la cual fue aquella en la que el motor desarrolló sus niveles máximos de 104 Nm de torque a 8500 rpm y 130 HP de potencia a 9500 rpm. La implementación del sistema previamente detallado, avaló al auto prototipo a ser partícipe de una competencia oficial.

PALABRAS CLAVES: Auto prototipo, motocicleta, colector

ABSTRACT:

DEDICATORIA

El presente trabajo se lo dedico a mis padres, Manuel María Lema Ortiz y Angélica del Rosario Molina Velasco, que son el motor que mueve mi vida, de ellos aprendí todo lo que soy y conozco, me enseñaron a través de su ejemplo, que para plasmar un sueño, no es indispensable el dinero sino el amor, la constancia, la disciplina y la capacidad creativa que cada uno posee.

AGRADECIMIENTOS

En primer lugar doy gracias a Dios, por permitirme vivir cada día, por su infinito amor, que me dio fuerza para sobrellevar las adversidades que se presentaron a lo largo del camino.

A mis padres, Manuel María y Angélica del Rosario, y a mi hermano Diego Fernando quienes me apoyaron y motivaron de manera incondicional en el transcurso de mi formación humana y académica, siempre confiaron en mí y nunca dudaron de mi capacidad.

A mis profesores quienes con paciencia y dedicación inculcaron gran parte de sus conocimientos en mí.

A la Universidad Tecnológica Equinoccial por acogerme y brindarme la pauta para convertirme en un profesional de excelencia.

i

ÍNDICE DE CONTENIDOS

PÁGINA

RESUMEN 1

ABSTRACT 2

1. INTRODUCCIÓN 3

2. METODOLOGÍA 14

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 17

3.1. SELECCIÓN DEL MOTOR 17

3.1.1. RELACIÓN PESO A POTENCIA 18

3.2. CÁLCULO DE PARÁMETROS TEÓRICOS MOTOR OTTO 19

3.2.1. PAR MOTOR DEL MOTOR 19

3.2.2. PRESIÓN MEDIA EFECTIVA DEL MOTOR 20

3.2.3. RENDIMIENTO EFECTIVO DEL MOTOR 20

3.2.4. ELASTICIDAD DEL MOTOR 21

3.2.5. VELOCIDAD LINEAL MEDIA DEL PISTÓN DEL MOTOR 22

3.2.6. CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UN MOTOR 22

3.3. CÁLCULO DE SISTEMAS AUXILIARES 27

3.3.1. MÚLTIPLE O COLECTOR DE ESCAPE 27

3.3.1.1. Cálculo colector de escape 27

3.3.1.2. Colector primario de escape 28

3.3.1.3. Colector secundario de escape 29

3.3.2. MÚLTIPLE O COLECTOR DE ADMISIÓN 30

3.3.2.1. Cálculo colector de admisión 30

3.3.2.2. Difusor de aire de admisión 30

3.3.2.3. Cálculo del difusor de aire de admisión 31

3.3.2.4. Flujo másico de aire de admisión 31

3.3.2.5. Caudal de aire de admisión 32

3.3.2.6. Volumen del pleno de admisión 32

3.3.2.7. Conductos de admisión 33

3.4. INSTALACIÓN DEL MOTOR 34

3.4.1. INSPECCIÓN DEL MOTOR 35

3.4.2. MANTENIMIENTO DEL MOTOR 35

3.4.3. DIMENSIONAMIENTO DEL MOTOR 37

3.4.4. INCORPORACIÓN DEL MOTOR 38

3.4.4.1. Sistemas de refrigeración y combustible del motor 42 3.4.4.2. Mecanismo de embrague y aceleración del motor 43

ii

3.4.4.4. Múltiple de admisión del motor 46

3.5. PRUEBAS 48

3.5.1. PRUEBA ESTÁTICA 49

3.5.2. PRUEBA DINÁMICA 51

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 52

4.1. CONCLUSIONES 52

4.2. RECOMENDACIONES 53

5. BIBLIOGRAFÍA 54

iii

ÍNDICE DE TABLAS

PÁGINA Tabla 1. Herramientas y materiales utilizados en el motor 15

Tabla 2. Pesos categoría Prototipos (P) 17

Tabla 3. Ficha técnica Kawasaki zxr750 (1992) 18

Tabla 4. Ficha técnica Honda cbr1000f (1987) 18

Tabla 5. Comparación de relación peso a potencia 19

Tabla 6. Especificaciones del combustible. 19

Tabla 7. Datos de potencia - banco de ensayos virtual. 22

Tabla 8. Condiciones de la prueba 23

Tabla 9. Par y Potencia efectiva aplicados el factor de corrección. 24 Tabla 10. Presión media efectiva, velocidad lineal media del pistón de

cada régimen de giro 25

Tabla 11. Datos colector de escape original Honda cbr1000f 28 Tabla 12. Ángulos de distribución reales del motor Honda cbr1000f 28 Tabla 13. Grados de duración de las fases del ciclo de trabajo. 28 Tabla 14. Datos colector de escape modificado Honda cbr1000f 30

Tabla 15. Datos del gas para la admisión 31

Tabla 16. Datos colector de admisión Honda cbr1000f 34

Tabla 17. Lista de control del motor 48

Tabla 18. Registros de prueba estática 50

iv

ÍNDICE DE FIGURAS

PÁGINA Figura 1. Diagrama de distribución real de un motor Otto de cuatro

tiempos 6

Figura 2. Múltiple de escape 4-1. 8

Figura 3. Efecto Venturi 10

Figura 4. Sistema de admisión formula SAE completo. 11

Figura 5. Curvas de potencia y torque - Honda cbr1000f (1987) 26 Figura 6. Curvas de potencia y presión media efectiva -

Honda cbr1000f (1987) 27

Figura 7. Curvas de potencia y velocidad lineal media del pistón -

Honda cbr1000f (1987) 27

Figura 8. Modelo de difusor tipo Venturi 31

Figura 9. Modelo de pleno junto con conductos de admisión 33

Figura 10. Inspección de la motocicleta 35

Figura 11. Calibración de válvulas Honda cbr100f 36

Figura 12. Motor montado en la motocicleta 36

Figura 13. Carburadores del sistema de admisión y combustible 37 Figura 14. Vista lateral del chasis del auto prototipo 37 Figura 15. Vista superior del chasis del auto prototipo 38

Figura 16. Pesaje del motor 38

Figura 17. Base de motor Datsun 1200 39

Figura 18. Motor con jaula de seguridad 39

Figura 19. Montaje del motor junto con la jaula de protección 40

Figura 20. Soporte inferior de motor 40

Figura 21. Bases superiores de motor 41

Figura 22. Refuerzo de base inferior de motor 41

Figura 23. Templadores superiores de motor 42

Figura 24. Puntos de anclaje para radiadores de lubricante y refrigerante 42

Figura 25. Montaje tanque de combustible 43

Figura 26. Pedal y base para cable de acelerador 43

Figura 27. Pedal y base de embrague 44

Figura 28. Pedales y cañerías de freno y embrague 44

Figura 29. Corte de tubos 45

Figura 30. Ensamble de elementos 45

Figura 31. Instalación de aislamiento termico 46

Figura 32. Corte de tubos 46

Figura 33. Difusor de aire tipo Venturi con filtro de aire 47

Figura 34. Parte inferior del pleno de admisión 47

Figura 35. Múltiple de admisión completo 48

Figura 36. Prueba estacionaria del motor 49

v

ÍNDICE DE ANEXOS

PÁGINA Anexo 1. Extracto del Reglamento Técnico de Circuitos FEDAK 2015 56 Anexo 2. Curvas de Potencia y Torque de simulación virtual 64 Anexo 3. Fotografías de construcción del múltiple de admisión 65 Anexo 4. Fotografías de construcción del múltiple de escape 72 Anexo 5. Fotografías de adaptación de pedales y palanca de cambios 79 Anexo 6. Fotografías del Motor implementado junto con sistemas

1

RESUMEN

El presente proyecto se llevó a cabo para la implementación del sistema de propulsión para un auto prototipo de competencia bajo reglamentos de la Federación Ecuatoriana de Automovilismo y Kartismo deportivo (FEDAK), para llevarlo a cabo se recurrió a un motor Otto de cuatro tiempos de 1000cc derivado de una motocicleta Honda. Para la adaptación de dicho motor al chasis tubular del auto, se cambió su amortiguación original de un solo eje central a una que distribuyó su peso en dos bases de motor de un automóvil convencional, conjuntamente se utilizó dos pares de templadores delanteros y traseros, que mantuvieron al motor alineado y sin vibración excesiva durante el funcionamiento estático y dinámico del vehículo. Además, fue necesaria la variación de la estructura del colector de admisión debido a una restricción de ingreso de aire, que limitó la potencia del auto de acuerdo a su categoría, por lo tanto, se trató de que el motor no adquiera una pérdida de potencia que afecte su funcionamiento, por ello se modificó la longitud, forma, disposición y diámetro de dicho colector, igualmente se modificó el colector de los gases de escape, se sustituyó el múltiple de escape original de una configuración 4-2 a una de tipo 4-1, que mejoró su rendimiento en altas rpm. El motor fue implementado de manera central transversal, con una relación teórica de peso a potencia de 3,78 kg/HP, valor que se ubicó dentro de la referencia que presenta el reglamento, asi mismo se identificó la zona de autorregulación teórica, la cual fue aquella en la que el motor desarrolló sus niveles máximos de 104 Nm de torque a 8500 rpm y 130 HP de potencia a 9500 rpm. La implementación del sistema previamente detallado, avaló al auto prototipo a ser partícipe de una competencia oficial.

2

ABSTRACT

The following project was done with the implementation’s purpose of a propulsion system for a competition prototype car under the Ecuadorian federation of motor racing and sport karting (FEDAK) regulations. In order to do that a 1000cc four times Otto engine was borrowed from a Honda brand motorcycle. For adapting the engine to the vehicle’s tube-shaped chassis, its original dampening was changed from one center axle to one that distributed its weight in two engine bases from a conventional automobile. Joining it with the usage of a rear tensioners’ pair and also a front tensioners’ pair that will keep it aligned and without excessive vibration through the static or dynamic vehicles’ running. Besides, the intake’s manifold structure was changed because of an air inlet restriction that limited the car power according to its category. Therefore it was about not having a loss of power that affects its functioning. That’s why a modification of length, shape, type and diameter was needed. Modifying also the exhaust manifold and replacing the original one with a 4-2 to a 4-1 type, improving its performance at high rpm. The engine was implemented using a transversal center form, with a theoretical weight to power ratio of 3, 78 kg/HP, fact that is placed inside the regulation reference, also identifying the theoretical self-regulation zone which was the one where the engine developed its maximum level of 104 Nm of torque at 8500 rpm and 130 HP of power at 9500 rpm. The implementation of the system previously detailed endorsed the prototype car to participate in an official race.

3

1. INTRODUCCIÓN

Actualmente en el Ecuador tanto la construcción y adaptación de autos prototipo monoplaza o biplaza como la potenciación y modificación de motores para dichos automóviles, se la realiza en su mayoría de manera empírica o artesanal, utilizando generalmente motores de combustión interna de vehículos en serie. Notoriamente en nuestro país existe una falta de información técnica, ya que existe una variante de generadores de energía mecánica, distintos a los motores de vehículos tradicionales, dichos generadores provienen de otras fuentes móviles tales como motocicletas, aeronaves, etc., los cuales pueden ser instalados para distintos propósitos sin mayor inconveniente, que con los cálculos adecuados, obtienen un alto rendimiento para un automotor.

Con el propósito de llevar a cabo la incursión en el automovilismo deportivo a nivel profesional, nace la necesidad de implementar en un auto prototipo de competencia, el sistema motriz, es decir, el motor que será el encargado de propulsarlo, dicho sistema en conjunto con los sistemas de electricidad, transmisión, frenos, suspensión, dirección, carrocería y chasis serán los encargados de conseguir altos parámetros de velocidad, estabilidad, fiabilidad, etc., necesarios para un vehículo de este tipo; todo esto bajo la normativa y reglamentación de la Federación Ecuatoriana de Automovilismo y Kartismo deportivo (FEDAK) organización que dirige el deporte del automovilismo a nivel nacional y de igual manera impulsa la competición profesional a nivel internacional,

Por este motivo, se estableció como objetivo general “Implementar un motor de motocicleta de cuatro tiempos para un auto prototipo de competencia bajo reglamentos de la FEDAK”. De igual manera los objetivos específicos del presente proyecto se enfocaron en; identificar el funcionamiento de un motor de cuatro tiempos para incorporarlo al vehículo de competencia; analizar y calcular los parámetros técnicos necesarios para dicho sistema; instalar y adaptar el motor junto con sus sistemas auxiliares al vehículo de competencia; y evaluar el funcionamiento del motor y dichos sistemas implementados al mencionado vehículo.

Dicho proyecto, se centró en la implementación de un motor de cuatro tiempos proveniente de una motocicleta a gasolina, con un sistema de inyección de carburadores independientes, este motor presenta un cilindraje de 1000cc, el cual será capaz de impulsar al auto generando velocidad, aceleración, torque y potencia lo suficientemente altos y constantes en la menor distancia y tiempo posibles.

4 conforman el automotor, se debe tener en cuenta diversos factores, entre los principales se tiene: peso, longitud, número de plazas y de manera particular la reglamentación que se debe cumplir y con la que se va a trabajar, consecuentemente se tiene que encontrar un equilibrio entre los ámbitos técnico y económico.

Teniendo en cuenta que se va a utilizar un motor de combustión interna, se debe analizar su clasificación, las cuales son de distintas maneras, de entre las principales destacan: según el ciclo de trabajo que realicen, por la forma de realizar el ciclo de trabajo, dependiendo de la presión del colector de admisión, al identificar el número y disposición de los cilindros y de acuerdo a su ubicación en el vehículo.

Según el ciclo de trabajo se tiene dos tipos: el ciclo Otto; que es el cual comprime una mezcla de aire y combustible, que se combustiona posteriormente al salto de chispa; y el de ciclo Diésel; el cual comprime aire solamente y en el final de dicha compresión se inyecta el combustible el cual se auto inflama e inicia la combustión.

De acuerdo a la forma que tengan de realizar el ciclo de trabajo existen dos tipos: motores de dos tiempos que ejecutan las cuatro fases del ciclo de trabajo en dos carreras del pistón, es decir completan un ciclo por cada vuelta de giro del cigüeñal, y los de cuatro tiempos que ejecutan las cuatro fases del ciclo de trabajo en cuatro carreras del pistón, es decir completan un ciclo por cada dos vueltas de giro del cigüeñal.

Conforme la presión del colector de admisión se distinguen: motores atmosféricos; conocidos como motores de aspiración natural en donde la presión en el colector de admisión es aproximadamente la atmosférica; y motores sobrealimentados, aquellos en los cuales la presión en el colector de admisión es superior a la correspondiente a la atmósfera, esto se alcanza mediante la instalación de un súper cargador o un turbocompresor.

Acorde al número y disposición de los cilindros se tiene de manera general: motores lineales, en forma de V o W y opuestos o bóxer, dentro de esta clasificación también se los sub clasifica por el número de cilindros que van desde un cilindro o mono cilíndricos hasta dieciséis cilindros o tetra cilíndricos.

5 Para este proyecto se tomó en cuenta motores Otto de cuatro tiempos atmosféricos de motocicleta, ya que presentan características exclusivas como son: reducido tamaño, elevada potencia, altas velocidades, entre otras. Se prioriza su consideración para los autos de carreras a causa de que sus altas revoluciones realzan con facilidad su gran desempeño y rendimiento, todo esto se logra a través del aprovechamiento del mismo principio de funcionamiento que presenta el motor de un automóvil, con cilindrajes relativamente pequeños que en su mayoría son menores a 1500 CC. (Calleja, 2011)

Su diseño de ingeniería se basa en la composición interna, ya que sus elementos mecánicos son de menor dimensión que los de un automóvil normal, también cabe recalcar que este tipo de motores vienen en conjunto con la caja de velocidades, razón por la cual no necesitan un eje de transmisión. En lugar de ello se utiliza un par de catalinas unidas por una cadena, al tener disminución de mecanismos se obtiene una ventaja de reducción de peso, mayor aprovechamiento de transmisión, etc.

Existen varias características de un automóvil, como la potencia, peso, velocidad, etc., las cuales dan una idea de qué tipo de auto es y para que está destinado, dentro de ellas existe una medida que generalmente la tienen los autos deportivos, súper deportivos y de competición, la cual es la relación peso a potencia dada por la ecuación 1, la cual compara el rendimiento entre dos vehículos a través de su capacidad de aceleración, en términos generales calcula la potencia disponible para mover cada kilogramo de peso. (Astudillo, 2010)

p

P

RPP



/

Dónde:

RPP: relación peso a potencia

P: peso del vehículo 1n kg

p: potencia del motor en HP

Antes de analizar las fases de trabajo mediante el diagrama de distribución real de un motor alternativo de cuatro tiempos (motor Otto), se debe especificar cada una de las mismas.

La primera fase es la de admisión, en la cual a medida que el pistón desciende desde Punto Muerto Superior (PMS) a Punto Muerto Inferior (PMI), ingresa una cantidad de mezcla de aire y combustible a una presión que en teoría es constante pero realmente no lo es, ya que la diferencia de sección del paso de válvula y la del cilindro causa que exista una depresión en el interior del cilindro al finalizar la fase.

6 teórica, la fase de compresión inicia con un valor inferior y por lo tanto la presión máxima al final de la misma estará por debajo que la teórica.

Después de obtener una mezcla comprimida, llega la tercera fase de combustión y expansión, en la cual el cilindro vuelve a descender de PMS a PMI, ayudándose de una chispa para encender la mezcla, la cual será quemada de una manera progresiva, incompleta y con pérdidas de calor, lo cual reduce el rendimiento, cabe destacar que esta fase también transcurre con una presión inferior a la teórica, por lo que la presión máxima de combustión será inferior a la presión teórica.

Finalmente, todo este proceso junto con la mezcla ya combustionada tiene que ser expulsada a través de la fase de escape, la cual se divide en dos partes, la primera en la cual el cilindro se comunica con el exterior al momento en el cual se produce la apertura de las válvulas de escape, y la segunda que es la salida de los gases a través de estas válvulas, que al presentar una restricción de espacio físico crean una sobrepresión en el interior del cilindro alejándolo asi del comportamiento y ciclo teórico.

A causa de que en el ciclo real de un motor Otto se tiene pérdidas por calor, restricción de salidas, depresiones y pérdida de tiempo en el salto de chispa, es necesario que el funcionamiento de un motor se dé con ciertos adelantos y retrasos en cada una de las fases, que se representa a través de la figura 1.

Figura 1. Diagrama de distribución real de un motor Otto de cuatro tiempos . (forocoches, 2014)

Este diagrama resume la base del funcionamiento real de un motor Otto ya que un ciclo de trabajo se completa en 720˚ de giro del cigüeñal, es decir dos vueltas del mismo, en base a esto se establece que cada tiempo tendría una duración teórica de 180˚, pero la realidad de este ciclo es que existen adelantos y retrasos entre cada fase por lo que ciertos tiempos duran más que otros.

7 teórico del motor que se implementará, ayudándose de las ecuaciones que se detallan a continuación. (Calleja, 2011)

Se debe tener claro que el torque y la potencia se correlacionan, pero no son iguales, el torque es la fuerza que aplica el motor para iniciar un movimiento, la potencia (N) es la velocidad con que se aplica dicho torque, es decir se define como trabajo realizado por unidad de tiempo, el cual se calcula a través de la ecuación 2.

w

M

N



.

Dónde:

N: Potencia, en vatios (W);

M: Par motor, en Nm; y

W: Frecuencia angular, en radianes por segundo (

s x rev rad 60 min 1 2 )

La presión media que presenta un motor no puede ser reconocida como trabajo neto debido a que parte de esa presión es invertida en vencer el rozamiento, por lo tanto, la presión media efectiva (pme), calculada mediante la ecuación 3, es necesaria para medir el aprovechamiento de la energía de los gases de combustión.

i

n

Vt

Ne

pme

.

.



pme: Presión media efectiva

Ne: Potencia efectiva, en W, kW o CV

Vt: Cilindrada total, en cm3

n: Régimen de giro del motor, en rpm

i: Numero de ciclos por cada revolución, i=1/2 para motores de cuatro tiempos e i=1 para motores de dos tiempos.

Con el fin de obtener el grado de aprovechamiento de un motor en relación a la masa de combustible que se emplea, se debe calcular el rendimiento efectivo (Ne), a través de la ecuación 4.

Hc

mf

Ne

ne

.



ne: Rendimiento efectivo, sin unidades, expresado en tanto por uno o en tanto por ciento si el resultado se multiplica por 100

Ne: Potencia efectiva, en kW.

mf: es la masa de combustible consumida por unidad de tiempo, en kg/s

8 La elasticidad (E) es el valor que mide el grado de aprovechamiento de un motor según aumenta su régimen de giro, se expresa a través de la ecuación 5.

max

max

.

max

max

nM

nN

MN

M

E



Dónde:

E: Elasticidad, sin unidades

M máx: Par máximo que entrega el motor, en Nm o mkg

MN máx: Par máximo que entrega el motor al régimen de potencia máxima, en Nm o mkg

nN máx: Régimen de giro del motor a la potencia máxima, en rpm

nM máx: Régimen de giro del motor al par máximo, en rpm

Enfocando el análisis del motor desde el punto de visa del diseño, se debe calcular la velocidad lineal media del pistón (Cm), medida que relaciona el desgaste y la durabilidad del motor, dependiendo del régimen de giro, se calcula mediante la ecuación 6.

n

S

cm



2

.

Dónde:

cm: Velocidad lineal media del pistón, en m/s

S: Carrera del pistón, en m

n: Régimen de giro, en rpm

Analizado el funcionamiento del motor, se procede a examinar sistemas auxiliares como son los múltiples de escape y admisión.

El colector o múltiple de escape, es aquel que permite la salida armónica y sintonizada de los gases combustionados, por ello su diseño debe centrarse en la finalidad del motor, si es para calle o competición, en el caso de las carreras se debe realizar un diseño que resulte efectivo a altas revoluciones de giro, enfocándose en las configuraciones de escape de las motocicletas de competición deportiva se obtiene que el mejor tipo de configuración es aquel que genera una sola onda de presión de salida es decir una configuración de tipo 4-1 como se muestra en la figura 2.

9 Además, de la configuración del múltiple, se debe calcular la longitud y diámetro del colector primario, diámetro del colector secundario y su longitud mediante las siguientes ecuaciones. (Gillieri, 2005)

En primer lugar, es necesario calcular la longitud óptima que debe tener el colector de escape completo, a través de la ecuación 7, de este modo la construcción y posterior ensamble serán sencillos debido a que se dividirán en partes iguales de acuerdo a dicha longitud.

6

.

.

13000

rpm

Ge

Lc



Dónde:

Lc: Longitud que debe tener el colector de escape en cm;

Ge: Valor en grados que en el diagrama de distribución tiene el escape

rpm: Número de revoluciones donde se encuentra la potencia máxima

6 y 13000: Constantes

Un parámetro importante desde el punto de vista del diseño de un colector de escape es el diámetro que deberá tener dicho colector, que se calcula mediante la ecuación 8, cabe recalcar que el colector primario es aquel que empieza en el bloque de cilindros hasta la unión de tipo 4-1, dicho diámetro influirá directamente en el aprovechamiento de la salida de los gases combustionados.





.

2

.

.

2

Lc

Vc



: Diámetro del colector primario Vc: Volumen unitario del cilindro

Lc: Longitud que debe tener el colector de escape en cm



El diámetro del colector secundario es el encargado de direccionar los gases combustionados des pues que atraviesen la unión de tipo 4-1, se lo calcula a través de la ecuación 9





.

.

2

Lc

Vt

Te



Dónde:

Te: Diámetro del colector secundario

Vt: Volumen total de la cilindrada del motor

Lc: Longitud que debe tener el colector de escape, en cm

10 La longitud colector secundario, es aquella que se calcula a través de la ecuación 10, se mide desde la unión de los ductos de escape de tipo 4-1 hasta el silenciador en el caso de presentarse un sistema de control de emisión de ruido.

"

3





Lc

Ls

Dónde:

Ls: Longitud del colector secundario

Lc: Longitud del colector primario

3”: Constante

De igual forma se debe examinar el colector o múltiple de admisión, el cual permite el ingreso ordenado y uniforme de aire hacia la cámara de combustión, su importancia para el ciclo de trabajo es muy alta debido a que la cantidad de aire para cada cilindro debe ser la misma, de lo contrario se producirá una combustión con pérdidas de potencia demasiado notorias, es decir si la admisión es aprovechada al máximo se lograría un aumento en la potencia de un motor, debido a esto el reglamento de la FEDAK establece un restrictor de aire de admisión.

Con el fin de que la restricción no afecte al motor, se debe contemplar el uso de un difusor de aire, el cual tiene un cambio de sección en su interior, mismo que provoca un cambio en las propiedades del fluido que lo cruza, basa su funcionamiento en el efecto Venturi, el cual consiste en que al momento que un fluido atraviesa un conducto sellado, este disminuye su presión y aumenta su velocidad en el instante en que el fluido traspasa la sección de menor diámetro del conducto como muestra la figura 3.

11 Para realizar un difusor de este tipo se debe tener en cuenta el flujo másico, caudal de aire, diámetro del conducto, longitud y el pleno que es el elemento encargado de la transición de manera progresiva y suave desde el difusor hacia el resto de la admisión como se ve en la figura 4.

Figura 4. Sistema de admisión formula SAE completo. (Claywell, Horkheimer, & Stockburger, 2011)

Para llevar a cabo el cálculo de estos elementos se utiliza las siguientes ecuaciones. (Hinojosa & Piña, 2015)

El flujo másico, se define como la variación de masa en el tiempo, es decir se debe calcular, a través de la ecuación 11, el flujo de masa de aire capaz de circular por el difusor.

) 1 ( ) 1 (

)

1

2

(

.

.

.

.





k

P

p

k

A

C

m

m: Flujo másico, en kg/s

C: Coeficiente de descarga

A: Área de la sección transversal, en m2

k: cp/cv del gas

cp: Calor especifico del gas a presión constante

cv: Calor especifico del gas a volumen constante

p: Densidad del gas real, en P y T (kg/m3)

P: Presión absoluta del gas de entrada (Pa)

12

p

m

Q

max



Dónde:

Q máx: Caudal máximo, en m3/s

m: Flujo másico, en kg/s

p: Densidad del gas, en kg/m3

El diámetro de los conductos de admisión debe ser calculado, mediante la ecuación 13, con el fin de brindar una entrada uniforme de aire hacia la cámara de combustión.

3330

.

.

Vh

Ve

RPMpk

Drun



Dónde:

Drun: Diámetro de los conductos de admisión en pulgadas

RPMpk: Número de Rev. a las que se quiere obtener el máximo torque

Vh: Cilindrada del motor, en litros

Ve: Eficiencia Volumétrica, en %

3330: Factor de conversión

La longitud de los conductos de admisión son un parámetro importante desde el punto de vista del aprovechamiento de llenado de mezcla, ya que a través de ellos el aire se desplaza hasta mezclarse con el combustible, por lo tanto, se homogeniza la combustión, para ello se debe calcular la longitud optima mediante la ecuación 14.

n

Lrun



84000

Dónde:

Lrun: Longitud optima de los conductos de admisión desde el pleno hasta la cabeza de las válvulas en pulgadas.

84000: Factor de conversión

n: Número de revoluciones a las que se quiere obtener el máximo torque.

13 pruebas, cabe recalcar que estas pruebas son realizadas bajo ciertas normas de estandarización dentro de un plazo de tiempo extenso, ya que se priorizan parámetros de seguridad y fiabilidad para su construcción, enfocándose en todo el diseño del prototipo, desde el rendimiento del motor que lo va a impulsar hasta la posición de conducción del piloto, con resultados que deben ser optimizados en base a la norma y parámetros que pueden ser perfeccionados de acuerdo al fabricante, es por ello que la presentación de un nuevo modelo en un salón del automóvil tarda un largo tiempo.

14

2. METODOLOGÍA

Para la comprensión del proceso investigativo se recurrió a una revisión bibliográfica, basada en métodos de investigación: deductivo, para de conceptos generales obtener definiciones específicas que permitan identificar el funcionamiento de un motor de cuatro tiempos, y el método analítico, que al descomponer el motor ayudan a estudiar individualmente las distintas partes de los sistemas auxiliares de admisión y escape.

Con el fin de analizar y calcular los parámetros técnicos necesarios para la implementación de un motor en un vehículo prototipo de competencia se tomó como pauta el uso de fórmulas, ecuaciones y graficas características de un motor Otto.

En primer lugar se seleccionó el motor de acuerdo al análisis de cuadros comparativos de relaciones de peso y potencia, para ello se tomó en cuenta el reglamento FEDAK.

Una vez escogido el motor, se procedió a calcular su potencia, presión media efectiva, rendimiento efectivo, elasticidad y velocidad lineal media del pistón, obtenidas a través de las ecuaciones [2], [3], [4], [5], y [6] respectivamente, con la finalidad de graficar las curvas características del motor, a través de lo cual se identificó en que régimen de revoluciones su desarrollo de potencia y par máximo son alcanzados.

Obtenido este régimen de giro, se necesitó modificar los colectores o múltiples, tanto de admisión como de escape, en el tema del múltiple de escape, la constitución del chasis, la disposición de la cadena de transmisión y también de acuerdo al reglamento que establece que no se permite tener una salida central de escape, fueron factores que precisaron modificarlo, por lo tanto, se dejó al margen el colector de escape original de la motocicleta. Se procedió a analizar el múltiple o colector original en base a que se debe reestructurarlo, se analizó del mismo su configuración de fábrica, para esto se partió de una ecuación empírica simple, a partir de la cual se comienza a investigar si el colector es el más adecuado para nuestro motor, a raíz de dicha ecuación se calcula también el diámetro del colector primario, diámetro del colector secundario, y la longitud del colector secundario, a través de las ecuaciones [7], [8], [9] y [10] respectivamente.

En el caso de la admisión por cuestión del reglamento se debe restringir el ingreso de aire al motor a través de un diámetro específico para cada tipo de motor, el mismo que debe ser estructurado mediante un difusor de aire tipo Venturi, para el cual se debe calcular el flujo másico, caudal de aire, diámetro del conducto, longitud y volumen del pleno a través de las ecuaciones [11], [12], [13] y [14] respectivamente.

15 para ello fue necesaria la utilización de los datos del manual del fabricante, con lo cual se procedió a determinar mediante tablas analíticas el tiempo de duración exacto de las fases de admisión, compresión, explosión y escape. A continuación se realizó una inspección del motor en cuestión, mediante la observación del estado de sus elementos como: cables de ignición, filtros, etc., por seguridad se llevó a cabo un mantenimiento de rutina para afinar sus válvulas, bujías y carburadores, también se reemplazó su lubricante y refrigerante dejándolo en perfectas condiciones para su participación en competición.

Terminado el análisis y estudio del motor, se procedió a la instalación del mismo junto con la adaptación de sus sistemas auxiliares de admisión, escape, refrigeración, aceleración y embrague al tren de fuerza del vehículo prototipo de competencia.

En último lugar, para la evaluación del funcionamiento del motor junto con sus sistemas auxiliares, se realizaron inspecciones y revisiones visuales con el motor en funcionamiento, además, de una prueba dinamométrica virtual y una prueba dinámica realizada en el taller de soldadura.

Durante todo este proceso se utilizaron los equipos de comprobación, herramientas y materiales descritos en la tabla 1.

Tabla 1. Herramientas y materiales utilizados en el motor Equipos de comprobación

Equipo Descripción

Medidor de compresión Medición de relación de compresión de cada cilindro del motor

Dinamómetro

Medición de parámetros de potencia, torque, rpm, temperatura, etc. del motor en funcionamiento.

Materiales Material Utilización Pletina de acero de 6000x100x6

mm

Soportes de bases de motor

Tubo negro con diámetro de 38 mm

Colector de escape

Tubo de acero inoxidable con diámetro de 33 mm

Colector de admisión

Tubo de acero ISO II con diámetro de 30 mm

Base de sujeción de templadores.

Electrodos 6011 Proceso de soldadura

Bases de motor Alineación y sujeción del motor Chasis de motocicleta Jaula de seguridad del motor Templadores de motor Refuerzo de fijación del motor

Herramientas Herramienta Descripción

16

Tabla 1. Herramientas y materiales utilizados en el motor, continuación Torno Elaboración de piezas

Cierra eléctrica Corte de materiales varios

Dobladora de tubos Ángulos múltiples de escape y admisión. Nivel Horizontalidad y verticalidad del motor. Juego de llaves mixtas

Montaje, desmontaje y desarmado del motor. Rache

Destornilladores

Dados o copas hexagonales Palanca de fuerza

17

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1. SELECCIÓN DEL MOTOR

Para la selección del motor se examinó el reglamento de la FEDAK, cuyo numeral 14.2 indica que para la categoría prototipos están permitidos los siguientes modelos de motores: atmosféricos de aspiración natural de hasta 5000 cc, rotativos atmosféricos Mazda 12A, 13B y motores de pistón y rotativos con turbo y/o turbo cargados, clasificándolos como muestra la tabla 2.

Tabla 2. Pesos categoría Prototipos (P) MOTOR TIPO CILINDRADA PESO MÍNIMO

DEL VEHÍCULO

DIÁMETRO MÁXIMO DEL RESTRICTOR DE

ADMISIÓN

cm3 kg mm

ATMOSFÉRICO, DERIVADO DE MOTO

HASTA 1000 500 33

ATMOSFÉRICO, DERIVADO DE MOTO

1001 HASTA 1400

650 37,6

ATMOSFÉRICO, DERIVADO DE MOTO

1401 HASTA 1650

680 38,5

ATMOSFÉRICO,

DERIVADO DE AUTO DE SERIE

HASTA 1600 580 35,5

ATMOSFÉRICO,

DERIVADO DE AUTO DE SERIE

1601 HASTA 1800

640 37,3

ATMOSFÉRICO,

DERIVADO DE AUTO DE SERIE

1801 HASTA 2050

660 37,9

ROTATIVO 12 A, CUALQUIER PREPARACIÓN

NA 540 39,0

ROTATIVO 13B, BRIDGE PORT

NA 580 40,5

ROTATIVO 13B, PERIFERICO

NA 680 43,9

ATMOSFÉRICO, DERIVADO DE MOTO

1650 HASTA 3200

770 40,9

ATMOSFÉRICO, DERIVADO DE MOTO

1650 HASTA 3200

960 45,7

ATMOSFÉRICO,

DERIVADO DE AUTO DE SERIE

2051 HASTA 5000

830 42,5

18 En base a las distintas necesidades, dimensiones y presupuesto se determinó que la opción más viable era la de un motor atmosférico de motocicleta que no supere un cilindraje de 1,0 litros (1000 cc), introduciéndose en la primera clasificación de acuerdo a la tabla 2.

En el mercado nacional se encontró dos alternativas de motocicletas que cumplan los requerimientos mencionados, las cuales se detallan en las tablas 3 y 4 respectivamente.

Tabla 3. Ficha técnica Kawasaki zxr750 (1992) Cilindrada 748 cc

Peso 210 Kg Velocidad Máxima 245-262 km/h

Potencia máxima 104-109,2 HP @ 11500 RPM Par máximo 52,4-56,4 Nm @ 9000 RPM Relación de compresión 11,2:1

Peso del motor 94,7 kg

Tipo de motor 4 Tiempos, 4L DOHC 16 Válvulas Refrigeración Liquida

Carrera 51,5 mm Diámetro 68,0 mm Diámetro del acelerador 38 mm

(Henderson & Haynes, 1999)

Tabla 4. Ficha técnica Honda cbr1000f (1987) Cilindrada 998 cc

Peso 235 Kg Velocidad Máxima 248 km/h

Potencia máxima 132 HP(96,2 kW) @ 9500 RPM Par máximo 104 Nm @ 8500 RPM

Relación de compresión 10,5:1 Peso del motor 94,7 kg

Tipo de motor 4 Tiempos, 4L DOHC 16 Válvulas Refrigeración Liquida

Carrera 53,6 mm Diámetro 77,0 mm Diámetro del acelerador 38 mm

(Honda motor co. ltd., 1992)

3.1.1. RELACIÓN PESO A POTENCIA

19 reglamento, se calculó dicha relación para cada una de las motocicletas con su peso original y otra con el peso mínimo requerido del prototipo por medio de la ecuación 1, representada en la tabla 5.

Tabla 5. Comparación de relación peso a potencia Kawasaki zxr750 Honda cbr1000f

P moto: 210 Kg, P prototipo: 500 Kg P moto: 235 Kg, P prototipo: 500 Kg p: 109,2 HP p: 132 HP

RPP moto: 1,93 Kg/HP RPP moto: 1,78 Kg/HP RPP prototipo: 4,58 Kg/Hp RPP prototipo: 3,78 Kg/HP

El resultado de esta relación se traduce en que cada cierto peso será desplazado por un caballo de potencia, de manera que mientras menor sea esta relación mayor será el aprovechamiento de potencia. Posterior a la comparación de ambos motores se concluyó que el de mejor rendimiento para el peso mínimo del auto debe ser el motor Honda cbr1000f debido a que su relación peso a potencia de 3,78 Kg/HP es la más aproximada a la referencia del reglamento.

3.2. CÁLCULO DE PARÁMETROS TEÓRICOS MOTOR OTTO

Para los siguientes cálculos se tomó en cuenta los datos de la tabla 4, junto con los datos de la tabla 6.

Tabla 6. Especificaciones del combustible. Densidad del combustible (Gasolina) 0,68 g/cm3 Poder calorífico del combustible 42000 kJ/kg

(fisicanet, 2017)

3.2.1. PAR MOTOR DEL MOTOR

Para determinar el par del motor en el momento que se tiene la potencia máxima, se utilizó la ecuación 2:

20 Este resultado muestra el par motor a la potencia máxima, obtenido con datos brindados por el fabricante, generalmente este valor es superior al que se obtendrá en un banco de pruebas, debido a que los datos que ofrece el fabricante son comparaciones realizadas con motores nuevos, en cambio los ensayos se los realiza con motores usados o de segunda mano, por lo tanto factores como el desgaste interno de los elementos mecánicos hacen que estos valores no coincidan en un ciento por ciento.

3.2.2. PRESIÓN MEDIA EFECTIVA DEL MOTOR

A continuación se calcula la presión media efectiva con ayuda de la ecuación 3: i n Vt Ne pme . .  2 3 42 , 12 ] min [ 60 1 ] [ 2 1 ] min [ 9500 ] [ 998 ] [ 100 ] 8 , 9 1 [ ] 1000 [ ] [ 2 , 96 cm kg pme s x rev ciclo x rev x cm m cm x N kg x kW s Nm x kW pme  

Esta presión indica el aprovechamiento de la energía de los gases de combustión, para vehículos de gasolina el valor medio esta entre 8 y 14 kg/cm2, el valor del motor en cuestión es de 12,42 kg/cm2 lo cual indica que el motor está dentro de un rango de alta fiabilidad, sin embargo, es posible obtener mayor aprovechamiento, pero a costa de perder dicha fiabilidad.

3.2.3. RENDIMIENTO EFECTIVO DEL MOTOR

21 % 99 , 31 % 100 ] [ 42000 ]. [ 10 ] [ 68 , 0 ]. [ 5 , 9 100 ] [ 2 , 96 3 3 3    ne x kg kJ g kg x cm g s cm kW ne

Este porcentaje mide el aprovechamiento del motor en relación al combustible empleado, de acuerdo a la división entre la potencia efectiva y la potencia del combustible empleada, dicho rendimiento normalmente no supera el 50% en motores de Diésel y el 35% para motores de Gasolina debido a que los motores de combustión interna no aprovechan el 100% de su combustión, esto se da por factores como pérdidas de calor, rozamiento, etc. El resultado para este motor es de un 32%, medida que está dentro del promedio para este tipo de motores, por lo de acuerdo a su tipo tiene un muy buen rendimiento, pero si se analizaría el resultado en base al 100% resultaría un motor de muy bajo rendimiento.

3.2.4. ELASTICIDAD DEL MOTOR

Se tiene que determinar la elasticidad del motor en cuestión a través de la ecuación 5: max max . max max nM nN MN M E  17 , 1 8500 9500 . 95 , 98 104   E rpm rpm Nm Nm E

22 3.2.5. VELOCIDAD LINEAL MEDIA DEL PISTÓN DEL MOTOR

Finalmente se obtiene la velocidad lineal media del pistón mediante la ecuación [6]:

n S cm2 .

s m cm s rev mm m x rev mm cm 97 , 16 min 60 1 . min 9500 . 10 6 , 53 . 2 3   

La velocidad lineal media del pistón es un parámetro que si bien no es considerado en cuanto a términos de potencia o torque, se lo debe tener muy en cuenta para el diseño y la durabilidad del motor, ya que cuanto más rápido sea su giro, el desplazamiento del pistón a lo largo de su carrera será mucho más rápido, por lo tanto, su desgaste aumenta , por esto para evitar una degeneración prematura del motor se tiene un valor referencial que debe ser inferior a 18 m/s, el motor estudiado presenta un valor de 16,97 m/s, un resultado excelente ya que se encuentra por debajo de la medida de referencia, lo cual demuestra la fiabilidad que presenta el diseño de ingeniería del motor, a pesar de ser un motor usado.

3.2.6. CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UN MOTOR

Las curvas características brindan una visión global de todos los parámetros de funcionamiento de un motor de combustión interna.

Adicional a los datos calculados anteriormente, se han obtenido los siguientes valores de torque del motor en un banco de ensayos virtual, en función del régimen de giro y con el motor a plena carga (tabla 7).

Tabla 7. Datos de potencia - banco de ensayos virtual. n [rpm] M [Nm]

23

Tabla 7. Datos de potencia - banco de ensayos virtual, continuación 8000 103,53

8500 104 9000 100,81 9500 97,61 10000 89,34

(motorcycle performance analyzer, 2017)

Se debe tener en cuenta que también se necesitan los datos del fabricante que se encuentran en la tabla 5, además, se tiene que especificar las condiciones atmosféricas durante la prueba, que muestra la tabla 8.

Tabla 8. Condiciones de la prueba Temperatura ambiente 25 ˚C Presión atmosférica 546 mmHg Densidad del combustible (p) 0,68 g/cm3 Poder calorífico del combustible (Hc) 42000 kJ/kg Coeficiente adiabático 1,33

(world meteo, 2017)

El cálculo de la potencia para cada régimen de giro se lo realiza con la ecuación [2], de la siguiente manera:

w M N  .

] min [ ] [ 10 105 , 0 ] [ 10 ] min [ 60 1 ]. [ 2 ]. min [ ]. [ 3 3 rev xn Nm xM x N W kW x s rev rad rev n Nm M N     

Con la finalidad de realizar una comparación entre diferentes motores, las pruebas se normalizan a presión atmosférica al nivel del mar y a temperatura ambiente de 20˚C, de acuerdo a la norma DIN (Instituto Alemán de normalización). Como el motor a ser ensayado no se encuentra en estas condiciones atmosféricas, se debe aplicar un factor de corrección (k).

293 273

760 Tambiente C Patm

k  

24 El factor de corrección se aplica a los diferentes parámetros como se muestra a continuación: para el par motor, Mcorr=kM, y para la potencia efectiva, Necorr=kNe, los resultados se muestran de la tabla 9.

Tabla 9. Par y Potencia efectiva aplicados el factor de corrección.

n [rpm] M [Nm] N [Hp] N [kW] Mcorr [Nm] Necorr [Hp] Necorr [kW]

2000 20,8 4,368 3,25 22,95 6,13 4,56

3000 31,82 10,023 7,47 44,66 14,06 10,48

4000 45,16 18,967 14,14 63,39 26,62 19,84

5000 58,64 30,78 22,95 82,31 43,20 32,21

6000 70,07 44,14 32,91 98,35 61,95 46,19

7000 88,29 64,89 48,38 123,93 91,08 67,91

8000 103,53 86,96 64,84 145,32 122,06 91,01

8500 104 92,82 69,21 145,98 130,29 97,15

9000 100,81 95,26 71,03 141,50 133,71 99,70

9500 97,61 97,36 72,60 137,01 136,66 101,90

10000 89,34 93,76 69,91 125,40 131,61 98,13

Para para calcular el resto de parámetros para cada régimen de giro se usaron las ecuaciones [3] y [6] de la siguiente manera:

i n Vt Ne pme . .  ] [ 94 , 1226 ] min [ 60 1 ]. [ 2 1 ]. min [ ]. [ 998 ] [ 100 ]. 8 , 9 1 ].[ [ 10 ] [ 3 3 rpm kW n N pme s rev ciclo rev n cm m cm N kg kW W x kW N pme   Sn cm2

25 Después de realizar todos los cálculos, los resultados se agruparon en la tabla 10.

Tabla 10. Presión media efectiva, velocidad lineal media del pistón de cada régimen de giro n [rpm] Necorr [kW] pme [kg/cm2] cm [m/s]

2000 4,56 2,79 3,56 3000 10,48 4,28 5,34 4000 19,84 6,08 7,12 5000 32,21 7,90 8,9 6000 46,19 9,44 10,68 7000 67,91 11,90 12,46 8000 91,01 13,95 14,24 8500 97,15 14,02 15,13 9000 99,70 13,59 16,02 9500 101,90 13,16 16,91 10000 98,13 12,03 17,8

Un aspecto adicional que se necesita calcular a través de la relación de compresión y el coeficiente adiabático es el rendimiento térmico teórico (nt).

1

1 1 _

 _y r nt % 97 , 53 % 100 5 , 10 1

1 _1.331

   _ nt x nt

Bajo circunstancias ideales este porcentaje sería el rendimiento máximo que este motor desarrollaría.

26 calculado anteriormente, ya que el motor al no ser elástico no permite marchas largas. Además, se analizó que tanto el torque como la potencia máximos son alcanzados a altas revoluciones, por ello es que este tipo de motores alcanzan velocidades elevadas en tiempos muy cortos, factores muy importantes a la hora de las competencias automovilísticas.

Figura 5. Curvas de potencia y torque - Honda cbr1000f (1987)

Las figuras 6 y 7, presentan las comparaciones entre potencia, presión media efectiva y velocidad lineal media del pistón respectivamente, en ambos gráficos distinguimos la misma tendencia, a medida que la potencia se incrementa, la presión y la velocidad también lo hacen, esto demuestra que tanto el mayor aprovechamiento de la combustión como el mayor desgaste de este motor se va a obtener en altos regímenes de giro, que coinciden con la mencionada zona de autorregulación, concluyendo que este motor está diseñado para rendir al máximo en altas rpm, se debe considerar que las condiciones no son ideales, por lo tanto, el motor no alcanzará su máximo rendimiento teórico, para ello sería necesario un mantenimiento exhaustivo de todo el motor junto con sus sistemas auxiliares, dejándolo a detalle como si fuese nuevo.

27

Figura 6. Curvas de potencia y presión media efectiva - Honda cbr1000f (1987)

Figura 7. Curvas de potencia y velocidad lineal media del pistón - Honda cbr1000f (1987)

3.3. CÁLCULO DE SISTEMAS AUXILIARES

Un motor no puede funcionar correctamente sin sus sistemas complementarios como son el sistema de expulsión de gases de escape y el sistema de admisión de aire, por lo tanto, a continuación se procede al cálculo respectivo de los colectores o múltiples de dichos sistemas.

3.3.1. MÚLTIPLE O COLECTOR DE ESCAPE

Con el fin de facilitar la construcción del colector de escape, se divide en tres partes principales que son: colector primario, unión 4-1 y colector secundario.

3.3.1.1. Cálculo colector de escape

Para esto se llevó a cabo un análisis del escape original de la moto, del cual se pudo resaltar el tipo de configuración que utiliza, el diámetro del colector y su longitud, datos que se muestran en la tabla 11.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0 20 40 60 80 100 120 140 160

28

Tabla 11. Datos colector de escape original Honda cbr1000f

Configuración 4-2

Diámetro del colector primario 1 ½” (3,81cm) Longitud del colector primario 19 ½” (50cm) Longitud del colector secundario 23 ½” (60cm) Diámetro del colector secundario 2” (5,08cm)

Estas dimensiones son una referencia para nuestra modificación, ya que se realizará un cambio de la curvatura y longitud de salida, medidas que serán similares a las originales, por ello se toman en cuenta estos datos.

Para realizar el cálculo se debe establecer el tiempo de duración de cada fase del ciclo de trabajo, esto se mide en ángulos de giro, para lo cual se necesitan los ángulos de los avances y retrasos que provee el fabricante como se indica en la tabla 12.

Tabla 12. Ángulos de distribución reales del motor Honda cbr1000f RCE 10˚

AAE 40˚ RCA 30˚ AAA 5˚ Cruce de válvulas 15˚ (Honda motor co. ltd., 1992)

Debido a que el diagrama es realizado en función de un plano cartesiano que divide sus cuatro cuadrantes en 360˚ y que para completar un ciclo se necesitan 720˚ grados de giro del cigüeñal, se obtuvo un método de cálculo para cada tiempo que se representa en la tabla 13.

Tabla 13. Grados de duración de las fases del ciclo de trabajo. Admisión = 180+RCA+AAA 215˚

Compresión = 180-RCA-AAA 145˚ Explosión = 180-RCE-AAE 130˚ Escape = 180+RCE+AAE 230˚

3.3.1.2. Colector primario de escape

29 Después de identificar el ángulo de duración exacto de la fase de escape, se procede a realizar la modificación del múltiple, a través de la ecuación [7], para calcular la longitud del colector primario:

6 13000 rpmx xGe Lc cm Lc x Lc cm Lc x x Lc 695 , 57 %) 10 45 , 52 ( 45 , 52 45 , 52 6 9500 230 13000     

Luego se debe obtener el diámetro del colector primario, para lo cual se utilizó la ecuación [8]:

  Lcx Vcx x 2 2  cm x cm x x x 82 , 3 %) 10 48 , 3 ( 48 , 3 48 , 3 1416 , 3 45 , 52 2 5 , 249 2         

3.3.1.3. Colector secundario de escape

Calculado el colector primario, se procede a calcular el diámetro del colector secundario, mediante la ecuación [9]:

 

Lcx Vt x Te2

cm Te x Te cm Te x x Te 41 , 5 %) 10 92 , 4 ( 92 , 4 92 , 4 1416 , 3 45 , 52 998 2         

30 cm Ls cm cm Ls 315 , 65 ] )[ 54 , 2 ( 3 ] [ 695 , 57   

Todos los cálculos del colector de escape se los agrupo en la tabla 14, con el fin de compararlos con los datos del múltiple original de la tabla 11.

Tabla 14. Datos colector de escape modificado Honda cbr1000f Configuración 4-1

Diámetro del colector primario 1 ½” (3,82cm) Longitud del colector primario 22 ¾” (57,695cm) Longitud del colector secundario 23 ¾” (65,315cm) Diámetro del colector secundario 2” (5,41cm)

Posterior a la comparación de los colectores, se determinó que los cambios que se realizarán serán: la configuración, que cambiará de una 4-2 a una de tipo 4-1, lo cual mejora la presión de salida de escape, también se modificarán las longitudes tanto del colector primario como secundario, dándoles una curvatura que permita la salida lateral de acuerdo al reglamento.

3.3.2. MÚLTIPLE O COLECTOR DE ADMISIÓN

El múltiple de escape se dividió en tres partes que son: difusor, pleno y conductos de admisión, lo cual facilita el montaje y desmontaje, además, de su construcción.

3.3.2.1. Cálculo colector de admisión

Al no disponer de un colector original de la motocicleta, se optó por construir uno en base a los siguientes cálculos.

3.3.2.2. Difusor de aire de admisión

31 la entrada y la salida de aire, esto proporciona carga al volumen del pleno y aumenta el ingreso de aire a los cilindros.

Para proceder con el cálculo del sistema de admisión, se tiene que tener en cuenta los valores de la tabla 15.

Tabla 15. Datos del gas para la admisión

Coeficiente de descarga 1 = constante

Área de la sección transversal 855,2985999x10-6 m2 (33mm)

cp/cv del gas 1,4

Densidad del gas real 0,876 kg/m3 (T=10,5°C, H=96%)

Presión absoluta del gas de entrada 71770 Pa. (2800msnm)

(Hinojosa & Piña, 2015)

3.3.2.3. Cálculo del difusor de aire de admisión

Para el difusor, que se muestra en la figura 8, se debe tener en cuenta que las medidas fueron tomadas en base al espacio disponible entre la carrocería y el motor, por lo tanto se establecieron las siguientes medidas: A: 39mm, B: 33mm, C: 50mm, D: 105mm y con una inclinación aproximada de 7 grados, de acuerdo a los diámetros.

Figura 8. Modelo de difusor tipo Venturi (Colchado, 2010)

3.3.2.4. Flujo másico de aire de admisión

Ya dimensionado el difusor se tiene que calcular el flujo másico que va a atravesar el mismo, mediante la ecuación [10]:

) 1 ( ) 1 ( ) 1 2 (     k k k kxpxP CA m s kg m mxs kg x m kg x x m 1468 , 0 ) 1 4 , 1 2 ( 71770 876 , 0 4 , 1 m ,29x10 855

1 (1,4 1)

32 Este valor nos indica que con el restrictor de 33mm, la cantidad de aire que va a atravesar el difusor es de 0,1468 kg/s, una medida muy alta a pesar que se presenta una limitación de ingreso de aire.

3.3.2.5. Caudal de aire de admisión

También se debe calcular el caudal de aire a través del difusor, mediante la ecuación [11]:

p m Qmax 

s m Q m kg s kg Q 3 3 1675 , 0 max 876 , 0 1468 , 0 max  

El volumen de aire que es capaz de circular por el difusor con restricción de 33mm, es de 0,1675 m3/s, relación normal de aire, dicho valor podrá ascender conforme aumente la velocidad de salida.

3.3.2.6. Volumen del pleno de admisión

Para la obtención del volumen del pleno, se debe considerar que el fin del mismo es asegurar que exista suficiente aire para el ciclo de admisión del cilindro siguiente. Por lo tanto, se establece que, a mayor volumen mayor cantidad de aire para el ciclo de admisión y viceversa, el inconveniente de tener un volumen grande es que el tiempo de respuesta del motor ante una aceleración será lento y al tener un volumen pequeño será rápido, pero sin suficiente cantidad de aire, por ello se basa en un volumen medio de pleno que satisfaga la cantidad y la velocidad de respuesta.

33

Figura 9. Modelo de pleno junto con conductos de admisión (Dalhousie Formula SAE, 2012)

3.3.2.7. Conductos de admisión

Se procede a calcular el diámetro óptimo de los conductos de admisión a través de la ecuación [12]:

3330 e RPMpkxVhxV Drun cm Drun mm Drun Drun x litros x rpm Drun 937 , 3 37 , 39 " 55 , 1 3330 95 , 0 ] [ 998 , 0 ] [ 8500    

Consecutivamente se calcula la longitud óptima de los conductos de admisión, mediante la ecuación [13]:

34 cm Lrun mm Lrun Lrun Lrun 095 , 25 95 , 250 " 88 , 9 8500 84000    

De la misma manera que para el colector de escape, se agrupa todos los datos calculados en la tabla 16, con el fin de observar que se necesita para realizar esta adaptación.

Tabla 16. Datos colector de admisión Honda cbr1000f Diámetro conductos de admisión 1 9/16” (3,937cm)

Longitud conductos de admisión 9 7/8” (25,095cm)

Difusor

A 1 9/16” (3,9cm)

B 1 5/16” (3,3cm)

C 2 3/4” (7cm)

D 4 1/8” (10,5cm)

Inclinación 7 aproximadamente

Pleno

Volumen 8 litros

De acuerdo a los resultados, el colector de admisión será construido en acero inoxidable y con tubos circulares, que permitirán su acople para el sistema de carburación del motor, cabe recalcar que el difusor de aire se construirá de un eje macizo, el cual será maquinado con la ayuda de un torno.

3.4. INSTALACIÓN DEL MOTOR

35 3.4.1. INSPECCIÓN DEL MOTOR

Para cerciorarse del correcto funcionamiento del motor, se procedió a realizar una inspección tanto visual como auditiva de la motocicleta previa a su adquisición, como indica la figura 10, con la finalidad de encontrar algún tipo de anomalía, al considerar que el aspecto exterior de un motor ligado a su sonido, debe ser armónico, ya que esto demuestra las condiciones en las cuales es utilizado al igual que si ha sido objeto de mantenimientos preventivos o correctivos.

Figura 10. Inspección de la motocicleta

Al instante de esta inspección, apareció un pequeño ruido en la parte superior del motor, presuntamente de una holgura de válvula mal calibrada, también se apreció que el motor no mantenía ralentí estable, de esta manera se determinó que el motor necesitaba mantenimiento general, al no ser de mucha gravedad, se procedió a la compra de la motocicleta.

3.4.2. MANTENIMIENTO DEL MOTOR

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Figura 11. Calibración de válvulas Honda cbr100f

Durante esta revisión se determinó que se deben cambiar todos los fluidos (refrigerante y aceite) del motor que se aprecia en la figura 12, al igual que sus filtros tanto de combustible como de aire y sus bujías ya que sus electrodos presentaban una holgura de más de 0,032mm, medida que sobrepasa el límite del calibrador de láminas, valor que representa un desgaste excesivo de los electrodos, que será motivo de una chispa con baja intensidad para la combustión.

Figura 12. Motor montado en la motocicleta

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Figura 13. Carburadores del sistema de admisión y combustible

Reemplazados todos estos elementos, se procedió a una limpieza superficial de todo el motor y de sus conductos de refrigeración, manteniéndolo en las mejores condiciones posibles para su nuevo propósito, a pesar de ser un motor que lleva 30 años en funcionamiento.

3.4.3. DIMENSIONAMIENTO DEL MOTOR

Para realizar la correcta instalación del motor se debe tener en cuenta las dimensiones del chasis del auto prototipo, que se muestran en la figura 14.

Figura 14. Vista lateral del chasis del auto prototipo

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Figura 15. Vista superior del chasis del auto prototipo

3.4.4. INCORPORACIÓN DEL MOTOR

La disposición óptima del motor para autos de competencia es central, ya que brindan alta estabilidad dinámica, asimismo acorde a la determinación de aprovechar dicha disposición para incorporar tracción trasera, se decidió colocarlo de manera transversal en la parte central posterior del chasis. Una vez desmontado el motor, se realizó el pesaje del mismo, como muestra la figura 16, se determinó que pesa 100kg, valor que fue considerado para distribuirlo de manera equitativa.

Figura 16. Pesaje del motor

39 como en un automóvil común, el amortiguador central es el que absorbe todas las vibraciones que se producen por el encendido, el trabajo normal del motor y la calzada por la que circula, en el prototipo al no ser posible la instalación de un amortiguador central debido a la constitución del chasis se obtuvieron dos bases de motor para una camioneta Datsun 1200, enfocándose en la distribución de peso del motor en dos puntos estratégicos, debido a que estas bases presentan un reducido tamaño y facilidad de adaptación, que se aprecia en la figura 17.

Figura 17. Base de motor Datsun 1200

En seguida se optó por montar el motor en la motocicleta y cortar el chasis de la misma, de esta forma se estructuró una jaula de protección para el motor, como muestra la figura 18, misma que sirvió en la colocación de los dos puntos de anclaje de las bases.