INFORME DEL PRIMER LABORATORIO
PARTES PRINCIPALES Y PARÁMETROS CONSTRUCTIVOS DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
AUTOR DEL INFORME: CORDERO CORDOVA RAISSA SHECELLA CÓDIGO: 20180475G
SECCION: G
SOLICITANTE DEL INFORME: ING. JORGE PONCE GALIANO
FECHA DE ENTREGA DE INFORME:
25 de abril del 2021
2 RESUMEN
El presente trabajo resume la experiencia del laboratorio, en el cual se realizó el estudio de los elementos de un motor de combustión interna, siendo de importancia entender la composición y la función que tiene cada una de sus partes, como también hemos analizado los parámetros constructivos.
Este trabajo trata sobre la medición realizada a un motor diésel DAITHATSU modelo CB-20 que con sus datos técnicos hemos calculado la relación de compresión real, realizar el diagrama polar de la distribución de gases además analizaremos a través de los cálculos la cinemática de biela -manivela.
Luego de realizar los cálculos de relación de compresión geométrica, diagrama circular de la distribución de los gases, demostración de la formula del desplazamiento del pistón del PMI. Relación de compresión real se obtuvo los parámetros deseados, los resultados correspondientes y las conclusiones.
3 ÍNDICE
RESUMEN ... 2
ÍNDICE ... 3
OBJETIVOS ... 4
MARCO TEÓRICO ... 5
MOTOR DE COMBUSTION INTERNA ... 5
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO ... 5
CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN ... 5
SEGÚN EL NÚMERO DE TIEMPOS EN UN MOTOR: ... 6
SEGÚN EL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO: ... 8
PARTES DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN ... 9
METODOLOGÍA ... 14
MATERIALES ... 14
PROCEDIMIENTO ... 14
PROTOCOLO DE PRUEBA ... 15
DATOS PROPORCIONADOS ... 16
CÁLCULOS Y RESULTADOS ... 17
CÁLCULOS Y PARÁMETROS BÁSICOS ... 17
DIAGRAMA POLAR DE LA DISTRIBUCIÓN DE GASES ... 18
GRÁFICAS DE LA CINEMÁTICA BIELA – MANIVELA ... 20
DEMOSTRACIÓN DE LA FÓRMULA DEL DESPLAZAMIENTO DEL PISTÓN RESPECTO AL PMI ... 23
ANALISIS ... 25
CONCLUSIONES ... 26
REFERENCIAS ... 27
ANEXOS ... 29
4 OBJETIVOS
• Reconocer las principales piezas en los motores de combustión interna, analizando el funcionamiento respectivo y las características del material que suelen ser fabricados.
• Determinar los parámetros constructivos de un motor de cuatro tiempos, en este caso del motor DAITHATSU MODEL CB-20
• Realizar los cálculos de los parámetros geométricos de un motor de combustión interna de 4 cilindros.
• Realizar un diagrama polar en base a la distribución de los gases de un motor de combustión interna.
• Analizar la cinemática que presenta la biela – manivela de un motor de combustión interna y de esa manera se determinará la posición, velocidad y aceleración del pistón.
• Comprender los ángulos de adelanto y atraso en el instante de apertura o cierre de las válvulas de apertura y admisión
5 MARCO TEÓRICO
MOTOR DE COMBUSTION INTERNA
Un motor de combustión interna es una maquina térmica que convierte la energía química en energía mecánica y esto es debido a la quema de un combustible que arde dentro de una cámara de combustión.
Principio de funcionamiento
La máquina comienza a funcionar cuando la mezcla aire y combustible se quema a muy alta velocidad en la cámara de combustión que está ubicada en la parte superior del cilindro.
Luego de generar la combustión comenzará a subir la temperatura de los gases y esto producirá la expansión y empujen el pistón hacia abajo. Por medio de un mecanismo biela-manivela, esta última unida al cigüeñal, hace que el impulso del pistón sea transmitido y se produzca trabajo mecánico.
Clasificación de los motores de combustión
Los motores de combustión interna se pueden clasificar en base a diferentes parámetros, como lo son:
Imagen 1.- Mapa mental de la clasificación de los motores de combustión Fuente: Elaboración propia
A continuación, analizaremos algunos de estos tipos de clasificaciones.
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Según el número de tiempos en un motor:
Debemos tener en cuenta que un ciclo de trabajo es la sucesión de operaciones que la mezcla aire y combustible ejecuta dentro del cilindro y la duración del ciclo de trabajo es medida por el número de carreras efectuadas por el pistón para realizarlo.
Una carrera viene a ser la distancia que recorre el pistón en el cilindro desde punto muerto inferior hasta el punto muerto superior o viceversa.
Imagen 2.- Parámetros básicos de un motor de combustión Fuente: Elaboración propia
Donde:
- PMI: Punto muerto inferior y es cuando el pistón alcanza el punto máximo de altura antes de empezar a bajar en su movimiento alternativo.
- PMS: Punto muerto superior y es cuando el pistón alcanza el punto máximo inferior antes de empezar a subir en su movimiento alternativo.
- Diámetro o calibre (D): Diámetro interior del cilindro (en mm.) - Carrera (S): Distancia entre el PMS y el PMI (en mm).
- Cilindrada unitaria (𝑉ℎ): es el volumen que desplaza el pistón del PMI al PMS 1) Motor de 2 tiempos
En este caso el ciclo operativo es realizado en dos carreras del pistón, que corresponde a una vuelta del cigüeñal. Durante la subida desde el PMI al PMS se introduce la mezcla de combustible y a la vez se comprime; la combustión se da cuando el pistón llega la PMS y durante la carrera de bajada los gases de la combustión se descargan a la vez que entra la nueva mezcla de combustible por unos orificios denominados lumbreras de escape y admisión respectivamente.
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Imagen 3.- Ciclo operativo para un motor de dos tiempos Fuente: (moto, 2017)
2) Motor de 4 tiempos
Se llama de cuatro tiempos porque el ciclo de trabajo se realiza en cuatro carreras del pistón, es decir dos vueltas del cigüeñal. El ciclo de cuatro tiempos comprende las cuatro fases siguientes:
Imagen 4.- Motor de cuatro tiempos que es admisión, compresión, explosión y escape Fuente: (revista, 2017)
a) Admisión de la mezcla en el cilindro:
El pistón se desplaza desde el punto muerto superior (PMS) hasta el punto muerto inferior (PMI) y entrará la mezcla aire-combustible a la cámara de combustión debido a la apertura de la válvula de admisión.
b) Compresión de la mezcla en el cilindro:
Luego de finalizar la admisión el pistón se cerrará la válvula de admisión y como está cerrado la mezcla no podrá escapar es por ello que será comprimida.
c) Combustión o explosión de la mezcla en el cilindro:
Lo que sucede en una combustión es una ignición progresiva de la mezcla debido a la chispa que es generada por la bujía en los motores a gasolina; debido a la combustión los gases generados se expanden y empujan de nuevo el pistón hacia el PMI; sin embargo, en los
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motores Diesel la combustión se genera por el alto grado de compresión al que se puede llegar además habrá un alto grado de temperatura que generará un empuje hacia abajo que hará girar el cigüeñal.
d) Escape de los gases producidos por la combustión
Aquí el pistón volverá a realizar su recorrido hacia arriba e irá empujando los residuos de la combustión que irá saliendo por la válvula de escape que se encuentra abierta; después de ello se vuelve a realizar el ciclo donde la válvula de admisión se abrirá.
Según el sistema de enfriamiento:
1) Sistema de refrigeración por aire
El sistema de refrigeración por aire utiliza el aire del exterior para el enfriar el motor. El aire circula por las paredes del cilindro y de la culata y debido de unas superficies radiales denominadas aletas que se encuentran situadas en el bloque y en la culata y se consigue evacuar el calor generado.
La refrigeración por aire es barata y tarda un menor tiempo para alcanzar la temperatura óptima para que empiece a funcionar sin embargo para climas cálidos puede generar sobrecalentamiento, incluso presenta menos eficiencia.
Imagen 6.- Sistema de refrigeración por aire donde se observa las aletas, pistón, cámara de combustión, cabeza del cilindro, bujías, soporte del carburador
Fuente: ([mecanicaacap], s.f.)
2) Sistema de refrigeración por agua
El sistema de refrigeración utiliza un líquido refrigerante compuesto por agua y aditivos, este líquido circula por unos conductos que se encuentran situados alrededor de las paredes del cilindro , donde recoge todo el calor generado y lo lleva al radiador, que se encargará de enfriarlo y devolverlo de nuevo al cilindro y de esa manera se repite el ciclo.
Además, posee de un termostato que detecta la temperatura en la que se encuentra y si está a baja temperatura se cerrará el paso del líquido al cilindro, la cámara de combustión y la culata, esperando que alcance la temperatura óptima para funcionar y cuando se dé dicha temperatura el
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Imagen 7.- Despiece de un motor de cuatro cilindros en línea Fuente: ([Partes de un motor], 2017, pág. 1)
termostato abre el paso del agua a los componentes.
Este sistema requiere de una bomba y del mantenimiento respectivo.
Imagen 6.- Sistema de refrigeración por agua donde se observa la camisa del cilindro, pistón. válvula, bujía y la circulación del agua
Fuente: ([mecanicacap], s.f.)
Partes de un motor de combustión
Los motores de combustión interna están constituidos por el mecanismo de biela-manivela y mecanismo de distribución de gases; ambos mecanismos se instalan en dos cuerpos denominados bloque de cilindros y culata.
.
Analizaremos algunas partes principales de un motor de combustión.
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I.Culata Descripción
La culata es la parte superior del motor que con ella se cierran los cilindros, suelen llamarla como tapa de cilindros, en la culata se alojan las válvulas de admisión y escape, bujías para motores de combustión por chispa o los inyectores en el caso de un motor Diesel, el árbol de levas, balancines, conductos de admisión de aire y combustible, entre otros. Parte del motor de Diesel encargado de cerrar todos los cilindros ubicados en la parte superior. Además, la culata presenta doble pared para que permita la circulación del líquido refrigerante
Composición
La culata se emplea como material hierro fundido SCh 18-36 y SCh 21-40 aleado (con Cr hasta 0,4;
Ni hasta 0,9; Mo hasta 0,5; Cu hasta 0.6 y Ti hasta 0.1%), a excepción de la culata Diesel V-30B fundida de una aleación de aluminio con cromo y níquel estos 2 últimos elementos mejoran la resistencia al desgaste y a la corrosión.
Cabe resaltar que la culata deberá estar hecho de manera que soporte altas temperaturas, temperatura variable en el tiempo, altas presiones y que conduzca bien el calor.
Tipos
Existen diversos tipos de culatas de acuerdo a la geometría:
-
Integral. -Una culata que cubra o abarca todos los pistones-
Individual. -Exista una culata para cada pistón-
Grupal. -Conjunto de culatas que contienen más de un pistónImagen 7.- Despiece de un motor de cuatro cilindros en línea Fuente:([MOTORSERVICE], s.f.)
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II.Monoblock Descripción
Es la pieza principal del armazón que vendría hacer la base del motor donde se aloja el tren alternativo formado por el cigüeñal, los cilindros, las bielas y los pistones. Si la refrigeración es líquida, en el interior del bloque existirán cavidades donde se alojará el líquido refrigerante.
Además, el bloque posee conexiones a varios dispositivos como: bomba de agua, aceite, etc.
Composición
Los materiales más usados son el hierro de fundición SCh 18-36 y el SCh 21-40 aleado con Cr de hasta 0.5, con Ni de hasta 0.2, con Mo de hasta 0,2 y Ti, de hasta 0.1%. Cabe resaltar que la superficie de los cilindros es revestida con camisas de acero.
Tipos
Existen diversos tipos de acuerdo a la posición del cilindro de monoblock, entre los más empleados se encuentran:
-En línea -En V
-De cilindros opuestos -Cilindros radiales -Disposición en W
Imagen 8.- Tipos de monoblock de acuerdo a la posición del cilindro ya sea lineal o en V Fuente: ([Máquinas Eléctricas Estáticas – Teoría y problemas], s.f.)
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III.Pistón Descripción
El pistón es el encargado de transmitir la fuerza generada por la presión de la combustión al cigüeñal.
Su geometría en la superficie hacia la cámara de combustión es irregular y esto es debido a que dicha geometría mejora la distribución de la mezcla aire combustible.
Además, el pistón posee anillos en su superficie lateral la cual ayudan a la lubricación.
Composición
Un pistón se compone de aleaciones, en su mayoría aluminio-cobre, aluminio-cobre-níquel-hierro, y aluminio-silicio. Como ejemplo tenemos la composición al aluminio 4032, el Al hasta 87.2, Si hasta 13.5, Mg hasta 1.3, Ni hasta 1.3, Cu hasta 1.3, Fe hasta 1, Zn hasta 0.25, Cr hasta 0.1; cabe resaltar que esta aleación presenta alta resistencia, menor dilatación térmica y alta conducción térmica.
Imagen 9.- Se observa al pistón y la composición de aluminio 4032 y el rango en % que representa según los estándares aplicables.
Fuente: ([MakeItFrom], s.f.)
IV.Biela Descripción
La biela se encuentra diseñado para conectarse entre el pistón y el cigüeñal, esta pieza se somete a esfuerzos de tracción y compresión, además permite la transformación del movimiento alternativo en rotativo. articulando partes del motor de combustión
Composición
La biela se compone de aleaciones, por ejemplo, el AISI 1050 que está conformado Fe hasta el 98.46%-98.92% , Mn de 0.6%-0.9% , C de 0.47%-0.55% , el S es hasta 0.050% y P hasta 0.040%
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.
Imagen 9.- Biela de un motor de combustión Fuente: ([CYNTER B Y S], s.f.)
V.Cigüeñal Descripción
El cigüeñal es un eje provisto de manivelas y contrapesos.
La función del cigüeñal es la de transformar el movimiento lineal del pistón en rotacional.
Una función adicional del cigüeñal es expulsar el aceite ubicado en el carter e impregnarlo en el pistón.
Composición
El cigüeñal generalmente este hecho de aleaciones de acero, por ejemplo, tenemos al EN-30B que está compuesto 0.30 C ,0.55 Mn ,1.20 Cr ,4.15 Ni ,0.30 Mo, 0.22. Esta aleación tiene una alta resistencia al impacto y una buena dureza en el centro del cigüeñal lo que lo reduce los problemas de distorsión y esfuerzos residuales.
Imagen 10.- Cigüeñal Fuente: (Bua, s.f.)
14 METODOLOGÍA
MATERIALES
• Probeta
• Vernier
• Nivel
• Llaves 12,14,19
• Destornillador
• Palanca
• Ratchet
PROCEDIMIENTO
Si se hubiera realizado las medidas de los parámetros básico de un motor de combustión interna en un laboratorio presencial, se debería seguir los siguientes pasos:
1. Sacar los pernos de la culata.
2. Destapar la culata del bloque de cilindros.
3. Girar el cigüeñal hasta que el émbolo del primer cilindro ocupe su posición del PMS.
4. Continuar girando el cigüeñal hasta que el émbolo ocupe su posición del PMI.
5. Con el micrómetro de interiores medir el diámetro interior del primer cilindro del motor.
6. Medir la longitud de la carrera del émbolo desde el PMS hasta el PMI.
7. Determinar el volumen muerto (volumen de la cámara de combustión) usando cualquiera de los siguientes métodos: geométrico, con aceite, o combinado.
8. Volver a gira el cigüeñal y observar el momento en que se abre la válvula de admisión, medir el ángulo de avance de la apertura de la válvula de admisión.
9. Proceder del mismo modo para determinar el ángulo de retraso del cierre de la válvula de admisión.
10. Constatar mediante el giro del cigüeñal el cumplimiento de los procesos de compresión (las válvulas de admisión y de escape deberán estar cerradas) y de expansión.
11. Estando el émbolo del primer cilindro en su carrera de expansión observar el momento en que se abre la válvula de escape; medir el adelanto de dicha apertura respecto al PMI.
12. Continuar el giro del cigüeñal siguiendo el proceso de escape observar el momento en que se abre la válvula de escape; medir el adelanto de dicha apertura respecto al PMS.
13. Girar el cigüeñal de tal modo que el primer embolo llegue a su posición del PMS; a partir de allí, hacer girar el cigüeñal dos vueltas en el transcurso de las cuales, observar que se cumpla en los demás cilindros el encendido correspondiente.
Imagen 11.- Materiales a emplear.
Fuente: ([Guia de laborartio])
15 PROTOCOLO DE PRUEBA
El protocolo de prueba ha sido proporcionado por el Ing. Ponce que fueron obtenidos de las mediciones realizadas en los laboratorios anteriores.
Tabla 1.- Datos técnicos del motor DAIHATSU CB-20 Fuente: (Ponce, 2021)
Motor de combustión
Marca y modelo DAIHATSU CB-20
Diámetro del cilindro (Dc) [mm] 76.5
Carrera del pistón (S) [mm] 73.5
Volumen muerto (vc) 38.9
Relación de compresión geométrica dado por el fabricante (Estos datos sirve solamente para comparar con el valor comparado))
9.0 Angulo de adelanto de apertura de la válvula
de admisión (
α
ava) [°]
8Angulo de retraso de cierre de la válvula de
admisión (
β
ava) [°]
42Angulo de adelanto de apertura de la válvula
de escape (
α
ave) [°]
48Angulo de retraso de cierre de la válvula de
admisión (
β
cve) [°]
11Relación de biela manivela (λ=R/Lb) 0.26
Orden de encendido 1-3-4-2
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DATOS PROPORCIONADOS
Se escogió los datos de la ficha técnica del motor DAITHATSU CB-20 con lo cual se pudo obtener los siguientes datos:
Datos de los ángulos
Parámetro Símbolo Dato Unidad
Angulo de adelanto de apertura de la válvula de admisión
αAAA (°) 8°
Angulo de retraso de cierre de la válvula de admisión
βRCA (°) 42°
Angulo de adelanto de apertura de la válvula de escape
αAAE (°) 48°
Angulo de retraso de cierre de la válvula de admisión
βRCE (°) 11°
Dato adicional 𝜆 = 0.26
Parámetro Símbolo Dato Unidad
Diámetro del cilindro D 7.65 Cm
Carrera del pistón S 7.35 Cm
Relación de compresión geométrica
ξ 9
Velocidad de revolución sin carga N 900 Rpm
Tabla 2.- Datos técnicos del motor DAIHATSU CB-20 Fuente: (ENGINE SECTIONAL VIEWS)
Tabla 3.- Datos de los ángulos y su simbología.
Fuente: (Ponce, 2021)
17 CÁLCULOS Y RESULTADOS
CÁLCULOS Y PARÁMETROS BÁSICOS Cilindrada Unitaria (𝑉ℎ) y Total (𝑉𝐻 )
𝑉ℎ =𝜋
4𝐷2𝑆 ∧ 𝑉𝐻= 𝑖 ∗ 𝑉ℎ Donde:
-𝑉ℎ: 𝐶𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑎𝑑𝑎𝑑 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎 , 𝑐𝑐 -𝑉𝐻: 𝐶𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑎𝑑𝑟𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 , 𝑐𝑐 -D: diámetro del cilindro, cm.
-S: carrera del émbolo, cm.
- 𝑖:número de cilindros del motor.
Sea 𝑖 en numero de cilindros del motor 𝑉ℎ =𝜋
4∗ (7.65)2∗ 7.35 = 𝟑𝟑𝟕. 𝟖𝟑 𝒄𝒄 ∧ 𝑉𝐻 = 3 ∗ 337.83 = 𝟏𝟎𝟏𝟑. 𝟒𝟗 𝒄𝒄
Calculamos el volumen muerto (𝑉𝑐 )
ξ = 1 +Vh 𝑉𝑐
Reemplazando valores
9 = 1 +337.83 𝑉𝑐 𝑽𝒄 = 𝟒𝟐. 𝟐𝟑 𝒄𝒄
Relación de comprensión geométrica (𝜉𝑔 )
𝜉𝑔 = 1 +𝑉ℎ 𝑉𝑐
𝜉𝑔 = 1 +337.83 42.23 = 𝟗
Longitud de la biela (𝑙𝑏)
𝜆 = 𝑟
𝑙𝑏 ∧ 𝑟 =𝑆 2
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Donde:
-r: radio de la manivela -lb: longitud de la biela -S: carrera del cilindro
𝑟 = 7.35
2 = 3.675 ∧ 0.26 = 3.675 𝑙𝑏 𝒍𝒃 = 𝟏𝟒. 𝟏𝟑𝟓 𝒄𝒎
Desplazamiento del pistón durante el vacío (𝑋) De la formula demostrada anteriormente se tiene:
𝑋 = 𝑟[(1 − cos(βRCA)) −𝜆
4(1 − cos(2βRCA))]
Reemplazando los valores
𝑋 = 3.65[(1 − cos (42)) −0.26
4 (1 − cos (2 ∗ 42))]
𝑿 = 𝟎. 𝟕𝟐𝟓 𝒄𝒎
Volumen desplazamiento del pistón durante el vacío (𝑉𝑥) 𝑉𝑥 =𝜋
4𝐷2𝑋 𝑉𝑥 =𝜋
4(7.652)( 0.725) = 𝟑𝟑. 𝟑𝟐 𝑐𝑐
Relación de comprensión real (𝜉𝑟) 𝜉𝑟 = 1 +𝑉ℎ− 𝑉𝑥
𝑉𝑐 → 𝜉𝑟 = 1 +337.83 − 33.32
42.23 𝝃𝒓 = 𝟖. 𝟐𝟏
DIAGRAMA POLAR DE LA DISTRIBUCIÓN DE GASES Datos de los ángulos:
Tabla 4.- Datos de los ángulos y su simbología.
Fuente: (Ponce, 2021)
Parámetro Símbolo Dato Unidad
Angulo de válvula AAA αAAA (°) 8°
Angulo de válvula RCA βRCA (°) 42°
Angulo de válvula AAE αAAE (°) 48°
Angulo de válvula RCE βRCE (°) 11°
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Duración de la admisión
𝛼𝐴𝑑𝑚= 𝛼𝐴𝐴𝐴+ 180 + 𝛽𝑅𝐶𝐴 𝛼𝐴𝑑𝑚 = 8° + 180° + 42° = 230°
Duración del proceso de Escape
𝛼𝐸𝑠𝑐 = 𝛼𝐴𝐴𝐸+ 180 + 𝛽𝑅𝐶𝐸 𝛼𝐸𝑠𝑐= 48 + 180 + 11 = 239°
Duración del traslape de válvulas
𝛼𝑇𝑟𝑎𝑠𝑙 = 𝛼𝐴𝐴𝐴 + 𝛽𝑅𝐶𝐸 𝛼𝑇𝑟𝑎𝑠𝑙 = 8 + 11 = 19°
Imagen 12.- Diagrama circular de gases reales.
Fuente propia
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GRÁFICAS DE LA CINEMÁTICA BIELA – MANIVELA
Las gráficas posición, velocidad y aceleración que podrán observar se ha realizado software Matlab, además se toma como referencia al PMS.
Código para realizar las gráficas.
close all clear;clc;
t=0:1:360;
x=3.65*((1-cos(t*2*pi/360))-0.065*(1-cos(2*t*2*pi/360)));
v=3.65*((2*pi/60)*900)*(sin(t*2*pi/360)+0.13*sin(2*t*2*pi/360));
a=3.65*(((2*pi/60)*900)^2)*(cos(t*2*pi/360)+0.26*cos(2*t*2*pi/36 0));
subplot(2,2,1) plot(t,x,'r')
title('Posición del pistón respecto a la rotación del muñón de biela')
legend('Posicion');
xlabel('Angulo \beta° ') ylabel('posicion [m]') subplot(2,2,2)
plot(t,v,'g')
title('Velocidad del pistón respecto a la rotación del muñón de biela')
legend('Velocidad');
xlabel('Angulo \beta° ') ylabel('velocidad [m/s]') subplot(2,2,3)
plot(t,a,'b')
title('Aceleración del pistón respecto a la rotación del muñón de biela')
legend('Aceleración');
xlabel('Angulo \beta° ') ylabel('Aceleracion [m/s^2]') subplot(2,2,4)
plot(t,x*40,'r',t,v,'g',t,a/100,'b')
title('Posicion,Velocidad y Aceleración escalada a los valores de posicion ')
legend('Desplazamiento','Velocidad','Aceleración');
xlabel('Angulo \beta° ')
ylabel('Posicion[m] , velocidad[m/s] ,Aceleracion[m/s^2]')
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Imagen 14.- Dependencia entre el ángulo de giro de la manivela y la velocidad Fuente: Elaboración propia
Imagen 13.- Dependencia entre el ángulo de giro de manivela y el recorrido Fuente: Elaboración propia
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Imagen 17.- Dependencia entre el ángulo de giro de la manivela y el recorrido, la velocidad, la aceleración. Para tener una mejor visualización de las gráficas la posición se ha escalado en 1:40, la
velocidad 1:1 y la aceleración 100:1.
Fuente: Elaboración propia
Imagen 14.- Dependencia entre el ángulo de giro de la manivela y la aceleración Fuente propia
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DEMOSTRACIÓN DE LA FÓRMULA DEL DESPLAZAMIENTO DEL PISTÓN RESPECTO AL PMI
𝑆𝑥 = 𝐴′𝐴 = 𝐴′𝑂 − 𝐴𝐶 − 𝐶𝑂
𝑦 = 𝐿 + 𝑅 − 𝐿𝑐𝑜𝑠(𝛽) − 𝑅𝑐𝑜𝑠(𝜃) → 𝒚 = 𝑳(𝟏 − 𝐜𝐨𝐬(𝜷)) + 𝑹(𝟏 − 𝐜𝐨𝐬 (𝜽)) … (𝟏) Del eje horizontal:
𝐿𝑠𝑒𝑛𝛽 = 𝑅𝑠𝑒𝑛𝜃 𝑠𝑒𝑛𝛽 = 𝜆𝑠𝑒𝑛𝜃
𝐜𝐨𝐬(𝜷) = √𝟏 − (𝝀𝒔𝒆𝒏(𝜽))𝟐… . (𝟐)
Reemplazando (2) en (1)
𝑆𝑥 = 𝑅(1 − 𝑐𝑜𝑠𝜃) +𝑅
𝜆(1 − √1 − (𝜆𝑠𝑒𝑛(𝜃))2) … . (𝟑) Aplicaremos Taylor
(𝑎 + 𝑏)2=𝑎𝑛 0! + 𝑛
1!𝑎𝑛−1𝑏𝑛+𝑛(𝑛 − 1)
2! 𝑎𝑛−2𝑏2+ ⋯ Imagen 18.- Esquema del mecanismo central de la manivela
Fuente: Elaboración propia
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(𝑎 + 𝑏)𝑛= (1 − (𝜆𝑠𝑒𝑛(𝜃))2)0.5
𝑎 = 1 ∧ 𝑛 = 0.5 ∧ 𝑏 = −(𝜆𝑠𝑒𝑛(𝜃))2
Reemplazaremos
(1 − (𝜆𝑠𝑒𝑛(𝜃))2)
1
2= 1 +1
2(−(𝜆𝑠𝑒𝑛(𝜃))2) + ⋯ Se desprecia desde el segundo termino
(1 − (𝜆𝑠𝑒𝑛(𝜃))2)
1
2= 1 +1
2(−(𝜆𝑠𝑒𝑛(𝜃))2) (1 − (𝜆𝑠𝑒𝑛(𝜃))2)
1
2= 1 −𝜆2
2 (1 − 𝑐𝑜𝑠2𝜃
2 ) = 1 −𝜆2
4 (1 − 𝑐𝑜𝑠2𝜃) … (𝟒) Reemplazando (3) en (4)
𝑆𝑥 = 𝑅(1 − 𝑐𝑜𝑠𝜃) +𝑅
𝜆(1 − (1 −𝜆2
4 (1 − 𝑐𝑜𝑠2𝜃)))
𝑺𝒙 = 𝑹[(𝟏 − 𝒄𝒐𝒔𝜽) +𝝀
𝟒(𝟏 − 𝒄𝒐𝒔𝟐𝜽) ] Posición
𝑺𝒙 = 𝑹[(𝟏 − 𝒄𝒐𝒔𝜽) +𝝀
𝟒(𝟏 − 𝒄𝒐𝒔𝟐𝜽) ] Velocidad
𝒗𝒑 =𝒅𝑺𝒙 𝒅𝒕 = 𝒅𝒔
𝒅𝜽∗𝒅𝜽
𝒅𝒕 = 𝑹𝒘 [𝒔𝒆𝒏𝜽 +𝝀
𝟐𝒔𝒆𝒏𝟐𝜽]
Aceleración
𝒂 =𝒅𝒗𝒑 𝒅𝒕 =𝒅𝒗𝒑
𝒅𝜽 ∗𝒅𝜽
𝒅𝒕 = 𝒓𝒘𝟐[𝒄𝒐𝒔𝜽 + 𝝀𝒄𝒐𝒔𝟐𝜽]
25 ANÁLISIS
Análisis del diagrama polar
El diagrama polar presenta una buena muestra de la duración de los ciclos presentes en el motor de combustión interna.
Los valores de los ángulos obtenidos en el diagrama circular significan:
Que la válvula de admisión se adelanta, en su apertura unos 8° respecto a PMS mientras que para su cierre se retrasa 42° respecto al PMI. Que la válvula de escape se adelanta, en su apertura 48° respecto al punto PMI mientras que para su cierre se retrasa 11° respecto al PMS.
El ángulo donde ambas válvulas de admisión y escape están abiertos al mismo tiempo llamado traslape es 19°.
Análisis de la cinemática del pistón respecto al PMI
Cuando se realiza respecto al punto muerto inferior en un mecanismo biela -manivela debería ser más de 90° en la gráfica de la posición y cuando se analiza respecto al punto muerto superior debe ser menos de 90°.
26 CONCLUSIONES
• Los modelos de los gráficos de posición, velocidad y aceleración tienen similitud con los modelos teóricos, por lo que fue operado correctamente.
• La relación de compresión teórica se asemeja a la de la ficha técnica produciéndose un error 8.77%, lo cual se podría deducir que la ficha técnica indica la relación de compresión teórica mas no la real.
• Se observa que el valor de la relación de compresión real es de 8.21 que corresponde a un motor de combustión por chispa.
• Todo motor para que opere lo más eficientemente posible debe realizar adelantos y atrasos en la apertura y cierre respectivamente de las válvulas tanto de admisión como de escape, lo cual se pudo comprobar con la medición de dichos ángulos.
• La velocidad máxima del pistón ocurrirá entre los grados 76°
• La aceleración máxima se dará cuando el ángulo sea 0°
• El desplazamiento máximo ocurre en 180°
• Los valores salieron elevados debido al dato de la velocidad angular, pues se asignó trabajar con 900 rad/s.
• Se concluye que la cilindrada del motor es 1013.49 𝑐𝑚3 (motor Daihatsu) lo cual es un valor mayor al de la ficha técnica (993 𝑐𝑚3), una explicación de este fenómeno es el desgaste de la superficie del cilindro aumentando así el volumen.
27 REFERENCIAS
• [CYNTER B Y S]. (s.f.). Obtenido de Biela: https://cinterbs.com/producto/bielas/
• [Guia de laborartio]. (s.f.). En L. ,. Lastra, Experimentación y calculos de motores de combustión.
• [MakeItFrom]. (s.f.). Obtenido de Aluminio 4032: https://www.makeitfrom.com/material- properties/4032-4032-T6-AlSi12.5MgCuNi-Aluminum
• [Máquinas Eléctricas Estáticas – Teoría y problemas]. (s.f.). Obtenido de MONOBLOCK LINEAL y V: https://mgallegosantos.files.wordpress.com/2015/01/mot-8-el-bloque-motor-15- 16.pdf
• [mecanicaacap]. (s.f.). Obtenido de Sistema de refrigeracion de aire:
http://www.geocities.ws/mecanicainacap/refrigeracion.html
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29 ANEXOS
Ficha técnica de Daithatsu CB-20