Briggs & Stratton | 21000 Series | escuela politécnica del ejército proyecto de grado

ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO
ESPE - LATACUNGA
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
PROYECTO DE GRADO
“Construcción y diseño de una
cámara de combustión variable “
REALIZADO POR:
Pablo Arturo Tapia Campaña
Juan Carlos Vargas Peña
Latacunga – Ecuador
2004
-1-
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente proyecto ha sido desarrollado en su totalidad por el
Sr. Pablo Tapia y el Sr. Juan Vargas, Egresados de la Carrera de Ingeniería
Automotriz.
Ing. Guido Torres
DIRECTOR
Ing. Luis Mena
CO-DIRECTOR
-2-
DEDICATORIA
A Dios y A mis Padres:
Por darme
vida, sabiduría y darme la oportunidad de desarrollar mi
inteligencia, estando siempre a mi lado en esta etapa estudiantil apoyándome
incondicionalmente para lograr la culminación de una meta de mi vida.
-3-
DEDICATORIA
Esta tesis, no es más que el fruto de todos mis conocimientos y en especial a
los esfuerzos realizados por mi Madre, los sabios consejos de mi hermano y las
bendiciones de mi padre y de mi abuelo desde el cielo. Gracias bebe.
Juan Carlos Vargas P.
-4-
AGRADECIMIENTO
Mi sincero agradecimiento al Ing. Torres e Ing. Mena; por la ayuda prestada en
la ejecución de este proyecto.
A la Escuela Politécnica del Ejercito sede Latacunga y profesores por los
conocimientos compartidos en mi etapa estudiantil.
Y a las personas que me supieron brindar su apoyo y colaboración en el
transcurso de este proyecto.
-5-
AGRADECIMIENTO
Agradezco a todos y cada una de las personas que hicieron posible la
culminación de una de mis metas, en especial a mis profesores y a mi
compañero, amigo Pablo por sus sabios y atinados consejos dieron fruto para
ayudarme paso a paso a la finalización de mi carrera universitaria. Gracias.
Juan Carlos Vargas P.
-6-
ÍNDICE
CONTENIDO
Pag.
INTRODUCCIÓN ........................................................................................
1
CAPITULO I
GENERALIDADES
1.1 Objetivo .................................................................................................
3
1.2 Marco Teórico .......................................................................................
3
1.2.1 Funcionamiento del motor de combustión interna monocilindrico
Brigss & Straton ..........................................................................................
3
1.2.2 Parámetros de funcionamiento del motor de combustión interna
.....................................................................................................................
21
1.2.3 Ciclos Termodinámicos del motor de combustión interna .................
39
CAPITULO II
CALCULO Y DISEÑO
2.1 Características del motor Brigss & Straton ...........................................
61
2.2 Material para la construcción de la cámara y elementos ......................
62
2.3 Diseño de la cámara de combustión .....................................................
63
2.3.1 Condiciones generales antes de diseñar una cámara de
combustión ..................................................................................................
63
2.3.2 Calculo y Diseño de la cámara de combustión variable.....................
64
2.4 Diseño del Embolo.................................................................................
75
2.4.1 Calculo del Embolo ............................................................................
76
2.5 Diseño Mecanismo de Variación .........................................................
79
2.5.1 Calculo del Mecanismo de Variación ................................................
80
2.6 Diseño de Pernos de base del motor ....................................................
82
CAPITULO III
CONSTRUCCIÓN Y PUESTA A PUNTO
3.1 Construcción de la cámara de combustión variable .............................
-7-
86
CONTENIDO
Pag.
3.1.1 Materiales y Herramientas .................................................................
86
3.1.2 Procedimientos ..................................................................................
87
3.1.3 Procedimiento de Construcción .........................................................
89
3.2 Construcción del Embolo ......................................................................
96
3.2.1 Procedimiento ………………….. ........................................................
96
3.3 Construcción del mecanismo de variación ...........................................
99
3.3.1 Procedimiento de Construcción .........................................................
107
3.4 Construcción del Panel de Instrumentos...............................................
104
3.4.1 Consumo especifico de combustible .................................................
105
3.4.2 Temperatura de Admisión ..................................................................
106
3.4.3 Temperatura de Escape y Explosión ............................................. ...
108
3.4.4 Torque ................................................................................................
110
3.4.5 Revoluciones del Motor .....................................................................
112
3.4.6 Encendido arranque de motor ...........................................................
113
3.4.7 Encendido electro-ventilador .............................................................
114
3.5 Montaje y Puesta a punto del Banco de Pruebas .................................
116
3.5.1 Montaje de materiales e instrumentos ...............................................
117
CAPITULO IV
PRUEBAS
Practica N 1
Determinación de la relación de compresión y eficiencia del motor
monocilíndrico en función del desplazamiento del pistón por vuelta o
fracción de vuelta del mecanismo de variación...........................................
123
Practica N 2
Comprobación de la presión de compresión en las diferentes vueltas del
mecanismo de variación de la cámara de combustión variable..................
136
Practica N 3
Determinación de la curva de Torque y Potencia útil en función de la
revoluciones generadas por el motor en varias posiciones del mecanismo
de Variación................................................................................................
-8-
145
CONTENIDO
Pag.
Practica N 4
Determinación de Torque , Potencia Efectiva , consumo especifico de
combustible por cada vuelta del mecanismo de Variación , manteniendo
constante las RPMS....................................................................................
171
CAPITULO V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
PLANOS
ANEXOS
BIBLIOGRAFÍA
-9-
190
INTRODUCCION
OBJETIVO
Explicar en breves rasgos la finalidad de tema “Construcción y Diseño de
una cámara de combustión variable”.
El tema “Construcción y Diseño de una cámara de combustión
variable” tiene la finalidad de demostrar experimentalmente el desempeño de
un motor al variar el volumen de la cámara de combustión, mediante un Banco
de Pruebas con cámara variable, en el que podemos variar la cámara de
combustión en un rango de 21 cc a 54 cc , con lo que se dispone de una
relación de compresión de 13.9 a 5.9, y para la el registro de parámetros esta
dispuesto de instrumentos de medición de temperaturas de admisión , de
escape y del cabezote ; mediante unas probetas graduadas de 15 cc se
determinara el consumo de combustible del motor en cada volumen de la
cámara de combustión , se determina el torque mediante un freno directo al
giro del cigüeñal por medio de un circuito de frenado el cual posee un
manómetro de carátula para registrar la presión que el fluido genera para
actuar sobre el volante de inercia .
El motor monocilíndrico montado en el Banco de Pruebas tiene las mismas
características funcionales que la de un motor de vehículo, además
constructivamente es más sencillo y pequeño en dimensiones, por lo que las
adaptaciones e instrumentos deben tener un rango intermedio abaratando los
costos de construcción y montaje de todo el Banco de Pruebas.
Para el diseño de la cámara de combustión variable se considera factores
de resistencia de material, disipación de calor, maquinibilidad; y las
características de funcionamiento en relación a turbulencia de la mezcla,
posición de la bujía , abertura de válvulas tipo L y el calculo para determinar el
tipo de material a usarse para el conjunto de la cámara variable.
- 10 -
La construcción de elementos se la realiza de acuerdo al material
seleccionado en él capitulo de diseño, considerando el espacio que se dispone
y la forma original de la cámara; además de tomar en cuenta las herramientas
necesarias para la elaboración del conjunto de al cámara variable.
La comprobación del funcionamiento tanto del motor como del Banco de
Pruebas se lo realiza mediante las Pruebas en las que se determina el
aumento de relación de compresión, eficiencia del motor y potencia en cada
posición del mecanismo de variación.
- 11 -
CAPITULO I
MARCO TEORICO
1.1.
OBJETIVO
Conocer el funcionamiento de los motores de combustión interna,
específicamente del usado para la práctica.
Determinar los parámetros de los motores de combustión interna.
1.2.
MARCO TEORICO
1.2.1. FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA,
MONOCILÍNDRICO BRIGGS & STRATTON
a.- Ciclos del Motor
El motor Briggs & Straton es un motor de cuatro tiempos; en principio se
basa al ciclo de los motores de automóviles. Para cada carrera de explosión del
pistón, el cigüeñal da dos vueltas.
Admisión
La primera carrera es la de admisión. Con la válvula de escape cerrada y
la de admisión abierta, el pistón desciende y la mezcla de combustible y aire
penetra dentro del cilindro.
- 12 -
Figura 1.1. Admisión1
Compresión
A continuación, se cierra la válvula de admisión y el pistón sube durante
su carrera de compresión. La mezcla de combustible y aire se comprime más y
más en el reducido espacio que queda entre la cara superior del pistón y la
culata del cilindro.
Figura 1.2. Compresión2
1
2
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- 13 -
Explosión
Salta la chispa haciendo que la mezcla explote, y la fuerza de expansión
de los gases hace que el pistón descienda. Se trata de la carrera de explosión.
Figura 1.3. Explosión3
Escape
Se abre la válvula de escape y el movimiento hacia arriba del pistón
durante su carrera de escape expulsa los gases quemados fuera del cilindro. A
continuación, la válvula de admisión se abre, y el motor se encuentra listo para
repetir el ciclo que acabamos de describir.
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- 14 -
Figura 1.4. Explosión4
b.- Carburación
La misión principal del carburador es conseguir una mezcla combustible y
aire con la que funcione el motor, lo cual resulta relativamente sencillo. Para
conseguir un consumo bajo de combustible y mantener una marcha uniforme
del motor para una amplia gama de velocidades, se emplea en este tipo de
motor la presión atmosférica y los principios de venturi y superficies
aerodinámicas.
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Figura 1.5 Carburación5
c.- Presión Atmosférica
La presión atmosférica es una fuerza constante, que varia muy ligeramente
en función de la altitud y de la temperatura, y que tiende a equilibrarse en
cualquier punto. Es el peso del aire de la atmósfera que empuja hacia abajo y
hacia fuera en todas las direcciones y cuyo valor se toma normalmente entre
13 y 15 libras por pulgada cuadrada (0.91 y 1.05 Kilos por centímetro
cuadrado). El aire se desplaza de las zonas de alta presión a las de baja
presión.
Para utilizar esta fuerza de la presión atmosférica en el carburador, se crean
artificialmente zonas de baja presión de forma que se desplacen y el
combustible que interviene.
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- 16 -
d.- Venturí o Difusor
El venturí constituye la reducción de área de circulación de un fluido, al
tener que circular por espacios reducidos, una masa importante de aire
aumenta su velocidad para que se mantenga un flujo constante.
El venturí se coloca en el carburador de la manera que indica en la figura.
Figura 1.6 Venturi o Difusor 6
e.- Superficies aerodinámicas.
Supongamos un tubo inmerso en una corriente de aire. Cuando está en
reposo, la presión es igual en todos los puntos. En movimiento, la corriente de
aire toma una cierta forma, constituyéndose una zona de alta presión y otra de
muy baja presión.
6
Manual de Reparaciones y Servicios Briggs & Stratton
- 17 -
Figura 1.7 Superficies Aerodinámica 7
f.- Carburador Flo – jet o de alimentación por gravedad
Es un sistema por gravedad ya que el depósito esta situado por encima del
carburador y el combustible fluye por gravedad. Observar que hay un orificio de
aireación (ver figura 1. 8) en el tapón del depósito para que circule el aire a
medida que sale el combustible y un orificio de aireación (ver figura 1.9) en el
cuerpo del carburador para que circule el aire a medida que entra el
combustible. Si se tapa uno de estos orificios cesa la circulación de
combustible y el motor se para.
Figura 1.8 Orificio de Aireación Tanque Combustible8
7
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Manual de Reparaciones y Servicios Briggs & Stratton
Manual de Reparaciones y Servicios Briggs & Stratton
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Figura 1.9 Carburador 9
Al entrar en el cuerpo del carburador, el combustible ve levantando el
flotador. Este a su vez eleva la aguja de la válvula del flotador. Cuando la aguja
toca el asiento, corta el flujo de combustible, llamándose nivel de flotación a la
posición que ocupa en ese momento el flotador.
g.- Nivel de Flotación
El nivel de flotación debe ser en general lo suficientemente alto para que se
produzca un suministro de combustible fuerte a plena aceleración y lo
suficientemente bajo para que no se inunde el carburador y no se produzca
fugas.
Para determinar el nivel sobre el carburador, invertir el cuerpo superior
como indica la figura 1.9. El flotador y la tapa de cuerpo deben estar paralelos.
Si no, doblar la lengüeta del flotador hasta conseguirlo. El nivel de flotación
resulta tan crítico como en otros tipos de carburadores.
Ya tenemos el combustible dentro del cuerpo del carburador, veamos ahora
como llevarlo al interior del cilindro de combustión.
En la figura 1.9 se indica la posición del gicleur y el nivel de flotación. El
combustible, dentro del cuerpo, alcanza su nivel de equilibrio que queda
bastante por debajo de los orificios de descarga. Observar que los orificios de
descarga se encuentran dentro del venturi, que es el lugar de mayor velocidad
del aire. Cuando desciende el pistón en el cilindro, con la válvula de admisión
abierta, crea una zona baja de presión que se extiende hasta el interior del
conducto del carburador e el difusor. Con ello se inician dos procesos.
La presión del aire que se encuentra sobre el combustible hacia abajo por
dicho cuerpo y hacia arriba por el gicleur que lleva hasta los orificios de
9
Manual de Reparaciones y Servicios Briggs & Stratton
- 19 -
descarga. Al mismo tiempo el aire irrumpe en el conducto de aire y a través del
difusor en donde aumenta fuertemente su velocidad.
El gicleur que se encuentra atravesado en la corriente de aire actúa como
una superficie aerodinámica, originando una zona de aun más baja presión, en
su parte superior. Esto hace que el combustible fluya fuera del gicleur a través
de los orificios de descarga al difusor en donde se mezcla con el aire,
transformándose en una mezcla combustible lista para explotar en el cilindro.
Una pequeña cantidad de aire pasa dentro del gicleur por el conducto de
purga. Este aire compensa las diferencias de velocidad del motor e impide que
la mezcla sea demasiado rica a altas velocidades.
Ahora bien, como se desea tener un funcionamiento uniforme y económico
a distintas velocidades, hay que añadir algunos elementos más al carburador.
La mezcla combustible ideal es de 14 a 15 libras de aire, en peso, por cada
libra de gasolina. Téngase en cuenta que un motor que trabaja en condiciones
de carga elevada, necesita una mezcla más rica que cuando trabaja con poca
carga. Para regular la mezcla, se coloca en el carburador una válvula roscada
de aguja de punta cónica que llega al final del gicleur.
Para ajustar al carburador a potencia máxima, hacer funcionar el motor a
velocidad de marcha que se desee cerrar la válvula de aguja hasta que el
motor empiece a reducir su velocidad, lo que indica que la mezcla es
demasiado pobre.
Anotar la posición de la válvula aguja, y abrirla hasta que el motor se
acelere y seguidamente reduzca su velocidad lo cuál indica que la mezcla es
demasiado rica. Anotar la posición de la válvula aguja, y girar seguidamente la
válvula de aguja hasta dejarla en la posición a mitad de distancia entre las
posiciones de mezcla pobre y la de mezcla rica.
- 20 -
Ajustar la mezcla según las necesidades de cada motor. Recordar que una
mezcla pobre no es económica. Produce sobrecalentamiento, detonaciones y
reduce la vida de la válvula. Además, como no hay bomba de aceleración, la
mezcla tiene que ser lo suficientemente rica para que el motor no se pare
cuando se abra de repente la mariposa. Los motores que trabajan a velocidad
constante pueden utilizar una mezcla ligeramente más pobre que aquellas cuya
utilización exige cambios de velocidad.
El detalle de la figura 1.9
muestra lo que ocurre cuando se cierra
demasiado la válvula de aguja. Se deteriora la punta cónica. Por supuesto
también se puede regular el carburador con la válvula de aguja en estas
condiciones, pero resulta difícil, ya que un ligero desplazamiento de la misma
produce una gran diferencia en la cantidad de combustible que entra el gicleur.
Y aún cuando se haya conseguido ajustar, las vibraciones la desajustan
rápidamente
h.- Variador de Velocidad
Para conseguir las distintas velocidades se coloca en el conducto del
carburador por encima del difusor un disco plano, que se llama mariposa,
montado en un eje. Este conjunto se llama acelerador
Figura 1.10 Acelerador
Cuando la mariposa está completamente abierta no afecta en nada a la
corriente de aire. Cuando la mariposa se va cerrando, reduce el flujo de aire
que llega al cilindro disminuyendo así la potencia y velocidad del motor. Al
- 21 -
mismo tiempo éste hace que aumente la presión en la zona debajo de la
mariposa.
Esto significa que significa que la diferencia de presión entre el aire que
se encuentra en el cuerpo del carburador y el aire del difusor disminuye, con lo
que se reduce la circulación del combustible por el gicleur, de esta forma la
proporción de combustible y aire se mantiene aproximadamente constante.
A medida que la velocidad del motor se va reduciendo hasta llegar al ralentí, la
situación cambia (ver figura 1.11)
Figura 1.11 Corte Transversal Carburador10
Al ralentí la mariposa está prácticamente cerrada pasa muy poco aire por el
ducto del difusor y la presión de este y en el cuerpo del carburador viene a ser
la misma. El combustible no se ve forzado a salir por los orificios de descarga,
y la mezcla tiende a volverse demasiado pobre.
i.- Válvula de ralentí ,
Para suministrar combustible durante el ralentí, el gicleur continúa hacia
arriba hasta el interior de la cámara de válvula de ralentí . El gicleur se ajusta
exactamente al cuerpo superior para evitar que se produzcan fugas. Debido a
esta conexión tan ajustada, hay que quitar el gicleur antes de proceder a
10
Manual de Reparaciones y Servicios Briggs & Stratton
- 22 -
separar los cuerpos superior e inferior del carburador, ya que en caso contrario
se doblaría.
La cámara de la válvula de ralentí desemboca en el conducto del
carburador por encima de la mariposa. En este punto la presión es baja,
subiendo el combustible por el gicleur sobrepasando la válvula de ralentí hasta
el interior del conducto del carburador a través de la ranura de descarga. La
cantidad de combustible se regula girando la válvula de ralentí hacia adentro o
hacia fuera hasta conseguir la mezcla deseada.
La válvula de ralentí se regula igual que la válvula de aguja, pero debe
regularse siempre después de haber regulado la válvula de aguja. El ralentí no
es la velocidad más baja a la que trabaja el motor. En los motores pequeños de
1750 r.p.m.. En los motores grandes el ralentí puede bajar a 1200 r.p.m. Utilizar
un tacómetro para ajustar el ralentí.
Girar el tornillo de ajuste del ralentí (situado en el eje de la mariposa) hasta
conseguir el ralentí seseado, y mantener la mariposa cerrada. Cerrar girando la
válvula de ralentí hasta que reduzca la velocidad y seguidamente abrirla hasta
que la velocidad aumenta y más adelante vuelve a descender. Girar a
continuación la válvula de ralentí hasta dejarla en una posición a mitad de
distancia entre las dos posiciones de ajuste anteriores: Normalmente habrá que
volver a ajustar el tornillo de ajuste del ralentí a la velocidad de ralentí deseada.
El problema que se presenta seguidamente es el de arrancar el motor a
distintas temperaturas y con distintos tipos de combustible. Se coloca una
mariposa, montada sobre un eje, en el conducto de aire. Con este
estrangulador podemos cerrar, o casi cerrar, el conducto de aire con lo que
conseguimos una zona de baja presión en el difusor y el conducto del
carburador. (ver figura 1.11).
De esta forma conseguimos una avalancha de combustible que sale del
gicleur, con una cantidad relativamente pequeña de aire. Aún con un grado de
vaporización pequeño, esta mezcla muy rica consigue que el arranque se
- 23 -
produzca con facilidad. Solamente se consume una parte del combustible
mientras se utiliza el estrangulador quedando una gran parte dentro del cilindro
. Esta gasolina se diluye en el aceite del cárter y llega a provocar abrasión
debido a que elimina la película de aceite que se forma entre segmentos de
presión y la pared interior del cilindro. Por ello se debe evitar usar el
estrangulador durante un periodo limitado de tiempo.
j.- Encendido
En cierto modo, un magneto forma dos circuitos sencillos, un circuito
primario y un secundario. Ambos tienen espiras que rodean el mismo núcleo de
hierro actuando las masas polares del volante o rotor sobre ambos circuitos.
Cambiando el magnetismo en o alrededor de las bobinas del circuito se
induce corriente en cada uno de ellos.
El circuito primario tiene relativamente pocas espiras de cable grueso e
incluye un juego de platinos y un condensador.
El circuito secundario tiene una bobina con muchas espiras de cable
delgado, enrolla alrededor del bobinado primario, e incluye una bujía. Hay 60
espiras en el secundario por cada espira del primario.
En el volante o rotor va montada una masa polar permanente. A medida
que va girando el volante, se aproxima la masa polar a la bobina y el núcleo.
El nuevo sistema de encendido magnético Briggs & Straton se diferencia de
los magnéticos corrientes en que el voltaje se produce a la medida de las
necesidades del motor. (Ver figura 1.12). El imán que se utiliza en este nuevo
sistema es cerámico desarrollando una gran fuerza magnética en una distancia
muy pequeña. La longitud de este imán es de 3/8 “ (9.5 mm) contra 7/8” (22.2
mm) que tiene la magneto Alnico.
- 24 -
Figura 1.12 Encendido11
11
Manual de Reparaciones y Servicios Briggs & Stratton
- 25 -
Figura 1.13 Flujo Magnético12
La figura anterior muestra el flujo magnético a través del núcleo del
hierro del inducido a medida que el imán volante se acerca a la bobina. Las
flechas indican el sentido del flujo del campo magnético. Obsrevándose que no
hay magnetismo (o muy poco) a través de la parte superior del núcleo. Esto se
debe a que el entrehierro de la parte superior ofrece resistencia. En dicha
posición cuando se cierran los platinos.
12
Manual de Reparaciones y Servicios Briggs & Stratton
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Figura 1.14 Flujo Magnético13
El volante sigue girando hasta llegar a la posición que se muestra la
figura
1.14. El flujo magnético debido a la corriente primaria, se mantiene en
el mismo sentido contrario y magnitud a través de la parte exterior del núcleo y
a través del entrehierro, debido al cambio de posición del volante. Como el
desvío del entrehierro ofrece un camino al flujo de las mitades del inducido y
del núcleo, el flujo de corriente que se necesita en el circuito primario es
pequeño.
13
Manual de Reparaciones y Servicios Briggs & Stratton
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Figura 1.15 Flujo Magnético14
En esta posición los platinos se abren, la corriente deja pasar por el
circuito primario y por lo tanto cesa el efecto electromagnético.
Justamente cambia el magnetismo pasándose del mostrado en la figura
1.14 al de la figura 1.15. Obsérvese el sentido contrario de las flechas que
indica que el magnetismo se ha invertido totalmente, lo cuál sucede tan deprisa
que el imán del volante no tiene oportunidad de desplazarse en magnitud
apreciable.
El cambio rápido de magnetismo produce 170 voltios en el bobinado
primario. También se induce un cierto voltaje en el secundario, en proporción
con la relación del número de espiras, por ejemplo de 60 a 1 o sea 10 000
voltios. Este voltaje es suficiente para hacer saltar la chispa a través de los
electrodos de la bujía.
Esta inversión rápida del magnetismo dura muy poco por lo que el flujo
de corriente entre los electrodos de la bujía dura lo necesario, pero es lo
suficiente corta para asegurar una vida prolongada de los electrodos.
14
Manual de Reparaciones y Servicios Briggs & Stratton
- 28 -
De esta forma se consigue una gran potencia y al mismo tiempo una larga
duración y funcionamiento del sistema.
k.- Regulación
El regulador cierra la mariposa cuando disminuye la carga y la abre para
conseguir más potencia cuando aumenta la carga.
Básicamente, los reguladores son de dos tipos: neumáticos o de aleta
movida por aire, figura 1.16; mecánico o centrífugo de contrapesos, figura
1.17.
El regulador neumático de la figura 14 se acciona por aire procedente de las
aletas del volante. Cuando el motor está en marcha, el aire impulsado por las
aletas presiona contra la aleta con la mariposa de variación de velocidad. El
desplazamiento de estas piezas tiende a cerrar el carburador y por tanto a
reducir la velocidad del motor.
Figura 1.16 Regulador Neumático15
15
Manual de Reparaciones y Servicios Briggs & Stratton
- 29 -
Por otra parte el muelle del regulador se opone al movimiento descrito
anteriormente, teniendo a tirar en sentido contrario y a abrir la mariposa. Este
muelle se conecta a algún tipo de control regulable de forma que el operario
pueda variar a voluntad la tensión del muelle, aumenta la velocidad del motor.
Si se disminuye la tensión del muelle, disminuye la velocidad del motor. El
punto en que se iguala el efecto del muelle y la fuerza de la aleta movida por el
aire se llama “velocidad regulada”.
Figura 1.17 Regulador Mecánico 16
El regulador mecánico, figura 1.17 , funciona de forma análoga, salvo
que, en lugar de ser el empuje del aire contra la aleta el que se opone a la
16
Manual de Reparaciones y Servicios Briggs & Stratton
- 30 -
acción del muelle regulador, en este caso se trata de la fuerza centrífuga de
unos contrapesos.
En ambos casos el funcionamiento es el mismo. Cuando aumenta la
carga del motor, éste empieza a perder velocidad. En cuanto ocurre esto,
disminuye la fuerza centrífuga de los contrapesos. Esto hace que el muelle del
regulador tire de la mariposa abriéndola más y aumentando así la potencia,
compensando el aumento de carga y haciendo por lo tanto que se mantenga la
velocidad regulada que se desea.
Cuando disminuye la carga del motor. Éste empieza a aumentar su
velocidad. Esto aumenta la presión de la fuerza centrífuga, y tira algo más del
muelle, cerrando así la mariposa y reduciendo la potencia del motor. Un
regulador que funciona correctamente mantendrá velocidad regulada que se
desea dentro de un margen muy estrecho.
En general, todo motor que tenga una compresión, carburación y
encendido en buen estado, funciona de forma eficiente. Ahora bien, la suciedad
y el trato descuidado arruinan rápidamente el motor.
1.2.2. PARÁMETROS DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR COMBUSTIÓN
INTERNA
a.- Cilindrada Motor
Se llama así, al volumen que desplaza el pistón cuando este va del PMI al
PMS. Podríamos representar este volumen por un cilindro de diámetro igual al
del cilindro del motor y altura igual a la carrera, es decir, la base superior e
inferior formada por la cabeza del pistón en su PMS y PMI respectivamente.
Para hallar el volumen desplazado por el pistón utilizaremos las dimensiones
conocidas del diámetro D y altura o carrera L.
- 31 -
D2 L
(1.1) 17
4
cilindrada
La cilindrada tiene una importante relación con las características del motor
ya que una relación con las características del motor ya que una mayor
cilindrada puede producir una potencia superior.
b.- Relación de Compresión ( ).
La relación de compresión de un motor de un motor nos da el nivel de
compresión a que se somete la mezcla en el interior del cilindro.
Para calcularlo se divide el volumen de aire contenido en el cilindro cuando
el pistón está en el PMI por el volumen que ocupa al pasar al pistón al PMS
Se calcula mediante la siguiente expresión:
= ( Vh + Vc ) / Vc (1.2) 18
Donde:
Vc = Volumen sobre la cabeza del pistón en el P.M.S. (cámara de comb.)
Vh = Volumen desplazado por el pistón.
Valores Característicos:
Motores Otto
: 6,5 - 11
Motores Diesel : 15 - 22
17
Crouse W: Motores de Automovil,Alfaomega,Barcelona,1996.
18
Crouse W: Motores de Automovil,Alfaomega,Barcelona,1996.
- 32 -
c.- Presión Media:
Presión media efectiva (pme)
Es la presión que debería existir constantemente en el interior del cilindro
para obtener un valor dado de presión efectiva.
Puede determinarse dos clases de Presiones Medias:
Presión Media Efectiva al Freno
Presión Media Indicada
Trabajo
(1.3) 19
tiempo
Pe
Pe
Pme A L
(1.4)
t
Pe(cil )
Pme
19
Pe(total)
(1.5)
z
Pe K
(1.6)
z A L
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- 33 -
Motor de Gasolina:
Pme
74.54 10 n w k
KPa (1.7) 20
A z L
Donde
Pme :Presión media efectiva por cilindro
A : Área del pistón en m2
L : Carrera del pistón en m.
z : Número de cilindros .
Pe(total): Potencia del motor.
n : RPM.
W : Carga en el manómetro en lb-f.
K:
o 1 Para motor de dos tiempos.
2 Para motor de cuatro tiempos.
Presión Media Indicada (pmi)
Corresponde a la presión constante equivalente, que debería existir en la cámara para obtener el mismo trabajo
indicado desarrollado en un ciclo de funcionamiento del motor
d.- Potencia:
Potencia Indicada (Pi)
20
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La potencia desarrollada dentro del cilindro del motor por la expansión de
los gases de la combustión se conoce como potencia indicada y la designamos
como Pi. Parte de esta potencia es necesaria para vencer la fricción de las
partes móviles de la máquina (perdidas mecánicas), mover los elementos y
accesorios, cargar el aire fresco dentro del cilindro en la carrera de admisión y
expulsar los gases residuales en la carrera de escape (trabajo de bombeo). Por
lo tanto la potencia disponible en el eje En es inferior a la potencia desarrollada
dentro del cilindro Pi . Siendo Pf la potencia de fricción. Ni será igual a:
Pi
Pe Pf (1.8) 21
La potencia de fricción Nf es la suma de las pérdidas mecánicas y el trabajo
de bombeo. Esta potencia varía según las condiciones de operación del motor
y es difícil de estimar experimentalmente con exactitud. Un método aproximado
consiste en acoplar el motor a un dinamómetro eléctrico y considerar que Nf es
la potencia requerida para impulsar el motor apagado. Dentro de una serie de
condiciones específicas (Velocidad, Temperatura de aceite y Agua, Grado de
Apertura del Acelerador, etc.).
Potencia efectiva ó Potencia al freno
Es una medida de la energía por unidad de tiempo, disponible en el eje del
motor
Como :
21
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- 35 -
Potencia = trabajo / tiempo
Pe = Pme · Vd · Z · n ·i(1.9) 22
Se tiene :
Calculo De La Potencia Al Freno.
La potencia disponible en el eje de una máquina se conoce como la
potencia al freno y la designaremos como Pe.
Ne
Trabajo
(1.10) 23
tiempo
Ne
F d
(kw) (1.11)
t
Ne W (2
R n) Kw (1.12)
Donde :
n En revoluciones por minuto.
W Lectura del Dinamómetro en lb-f.
R Radio de palanca
Factor De Consumo De Aire Para Corrección De La Potencia.
Para un mismo motor el valor experimental de la potencia, es diferente para
diferentes condiciones ambientales locales (del lugar donde se efectúa la
prueba), por ello el fabricante indica sus características a las condiciones
22
23
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- 36 -
ambientales "standard" o nominales establecidas por la S.A.E. Society of
Automative Engineers y mostradas a continuación:
Temperatura del aire seco : 15.6ºC ( 60ºF)
Presión atmosférica : 760 mmHg (29.92 pulHg)
Para que la potencia experimental obtenida a condiciones locales, pueda
ser proyectada a otras condiciones atmosféricas diferentes, o pueda ser
comparada con datos de potencia especificados por el fabricante (bajo
condiciones "standard"), se debe efectuar la debida corrección, multiplicando la
potencia experimental obtenida en el motor a las condiciones locales, por el
coeficiente Cf. A pesar que el uso de este factor Cf no es aceptado por norma,
se constituye en una buena aproximación, y por ello que se indica en la
siguiente ecuación.
Cf
760
Pa
Ta
(1.13) 24
288 .6
Donde:
Pa : Presión barométrica local en mmHg
Ta : Temperatura absoluta local del aire seco (ºK)
e.- Consumo específico de combustible.
Consumo De Combustible B,b.
24
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- 37 -
B : Consumo horario de combustible en masa por unidad de tiempo.
b : Consumo específico másico horario de combustible en masa por potencia tiempo.
El consumo específico de combustible b es un parámetro de primer
orden que muestra la capacidad de la máquina para convertir una cantidad
determinada de combustible en trabajo. En las especificaciones nominales del
motor, este parámetro es preferido a la eficiencia térmica por estar dado en
unidades "estándar".
El método aceptado para medir la cantidad de combustible usado por un
motor es el de pesar el combustible consumido en un intervalo de tiempo,
obteniéndose el consumo medio de combustible durante el periodo de prueba.
Por medio de este método se consiguen valores muy aproximados, pero su
implementación es bastante compleja; por lo cual se prefiere una práctica más
simple pero no aceptada formalmente y que es la que está implementada en el
laboratorio, la cual consiste en la medición del volumen de combustible en un
intervalo de tiempo determinado y convertir el volumen a masa o peso,
utilizando la densidad o el peso específico.
Bajo
el
procedimiento
semiautomático,
se
admite
manualmente
combustible en un banco de buretas; el nivel baja al fluir el combustible al
motor, al encontrarse el nivel con un diodo fotosensible este activa un reloj;
posteriormente al seguir bajando el nivel, llega hasta el punto inferior donde
hay otro diodo fotosensible que detiene la marcha del reloj.
Esta operación puede realizarse de modo manual utilizando un
cronometro y verificando visualmente los pasos del nivel.
- 38 -
Figura 1.18 Banco de Buretas25
Los consumos de combustible vienen dados por las fórmulas:
b
B
B
Ne
Kg
(1.14) 26
Kw h
3.6
V
t
Kg
(1.15)
h
Donde :
Densidad del combustible en gm/cm3
V Volumen consumido medido en la bureta en cm3.
t Tiempo gastado en consumir el combustible de la bureta en segundos.
La relación entre el caudal másico de combustible y la potencia
disponible en el eje:
25
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26
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- 39 -
be = B / Pe(1.16) 27
Unidades normales para be son :
g / (CV · h) ; lb / (HP · h) ; g / (kW · h)(1.17)
Valores característicos :
Motores Otto
Motores Diesel
285 g / kW·h
{210 [ g / CV h
203 g / kW·h
{150 [ g / CV h }
f.- Rendimientos.
Rendimiento Indicado. (
i ).
Esta variable permite cuantificar la eficiencia de transferencia de energía por parte de los gases a los pistones, es
decir la relación de la energía química del combustible con la potencia indicada.
i
Rendimiento Efectivo. (
= Pi / ( mb H i )(1.18) 28
e
).
Esta variable permite cuantificar la eficiencia de transformación energética de un motor, es decir la relación de la
energía química del combustible con la disponible en el eje del motor.
e
= Pe / ( mb H i )(1.19) .29
Rendimiento Total O Efectivo
27
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29
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28
- 40 -
Se define como la relación entre la energía liberada por la combustión del
combustible y la potencia obtenida en el eje; es el parámetro que muestra la
capacidad de la máquina para convertir la energía química del combustible en
trabajo útil disponible en el eje.
tt
Rendimiento Mecánico. (
m
Pe
(1.20) 30
Hi
).
Esta variable permite cuantificar la eficiencia de transferencia de energía de los pistones al eje del motor (
cigüeñal ).
= Pe / Pi(1.21) 31
m
Considerando Pf y Pe para diferentes velocidades se puede determinar Pi
por lo tanto el rendimiento mecánico m que está definido por el factor :
m
m
m
Pe
(1.22) 32
Ni
Pi Pf
(1.23)
Pi
Pi
Pe
Pf
30
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32
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31
- 41 -
(1.24)
Rendimiento Térmico
A este rendimiento térmico también se le podrá llamar rendimiento
indicado. El trabajo máximo de una cantidad determinada de combustible
puede obtenerse a partir de la fórmula de CODY STODOLA que corresponde
con diferencias despreciables al "Poder Calorífico '' o "Efecto Térmico" que se
define como la cantidad de calor que se libera cuando se enfrían los productos
de la combustión hasta la temperatura inicial.
Solamente puede alcanzarse el aprovechamiento máximo de combustible
cuando el proceso de la combustión se realiza de manera reversible. No debe
existir proceso irreversible como estrangulación, rozamiento o transmisión de
calor a las paredes. Además el Fluido que realiza trabajo debe llevarse desde
la presión y temperatura del medio ambiente hasta las condiciones de
combustión, en procesos reversibles.
En realidad, en toda máquina de combustión interna existe una pérdida
muy grande ligada al proceso de combustión que en la práctica se realiza
irreversiblemente.
El rendimiento térmico definido termodinámicamente es la relación entre el
trabajo desarrollado por el ciclo y el calor suministrado al mismo, es en realidad
el que indica el grado de irreversibilidad con que la máquina eléctrica realiza el
proceso de combustión. En el mejor de los casos esta eficiencia alcanza el
40%; de acá, su influencia en el rendimiento total del motor.
nt = Trabajo desarrollado en el cilindro / calor suministrado
- 42 -
Si el trabajo indicado Wi (desarrollado en el cilindro) lo tomamos por
unidad de tiempo lo mismo que el calor suministrado y aplicando el factor de
conversión de trabajo en calor tendremos:
Pi
(1.25) 33
H
t
H
Hi B
Kw (1.26)
3600
Hi: Poder calorífico del combustible (Kjul/Kg)
H: Calor suministrado por el combustible en Kw.
Ni: Potencia indicada en Kw.
Pe: Potencia efectiva al freno en Kw.
B: Consumo horario de combustible en Kg/h
Pf :Potencia de fricción en Kw.
Rendimiento de llenado. (
a ).
Esta variable relaciona la cantidad másica de mezcla para el caso del motor Otto, ó con aire en un motor Diesel,
aspirada efectivamente por los pistones, con la que teóricamente podría ocupar la cámara en condiciones estáticas.
Esta variable es importante ya que permite explicar el comportamiento
característico de las curvas Pe , be.
33
34
a
= mg real / mg teo(1.27) 34
a
= mg real / ( Vd
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- 43 -
g teo
)(1.28)
Motor Otto :
mg = ma + B
Motor Diesel : mg = ma
Los motores Diesel tienen aproximadamente un
un
a
a
= 90% y los motores Otto
= 85% en condiciones óptimas de operación.
Rendimiento Volumétrico
Se define como la relación entre el volumen real de la carga de aire
fresco tomado durante la carrera de admisión y el volumen teórico del
desplazamiento total del pistón.
v
º G kg / h
(1.29) 35
º Gt kg / h
º G = masa o peso real de aire aspirado
º G t = masa o peso teórico de aire
Rendimiento De La Combustión ( c )
La combustión real no resulta tan completa como la ideal (Esta tiene lugar
cuando se quema todo el combustible), en general los gases de escape
mantienen algo de combustible sin quemar además de los productos de la
disociación; en consecuencia la cantidad de calor desprendido es inferior a Qc.
35
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- 44 -
La relación entre la cantidad de kilo-joules efectivamente desprendidos por
la combustión en el cilindro y la cantidad de Kilo-joules correspondientes al
poder calorífico inferior de la cantidad de combustible empleado se denomina
rendimiento de la combustión.
Este rendimiento de la combustión o rendimiento químico puede
determinarse por el análisis químico de los gases de escape y del combustible.
Con exceso de aire y muy buena mezcla, la ignición puede aproximarse a la
ideal de modo que es posible llegar hasta C = 1, mientras que en la práctica los
motores trabajan con un rendimiento
C = 0.95 - 0.98.
g.- Poder calorífico.
Poder calorífico superior: ( Hs ) kJ/kg o kJ/kmol
Energía calórica capaz de liberar por parte de un combustible en una reacción química de combustión.
Poder calorífico inferior: ( Hi ) kJ/kg o kJ/kmol
Corresponde al poder calorífico superior menos la energía latente de evaporación del agua y de los ácidos
producidos en la combustión.
El poder calorífico de un combustible puede darse con bastante exactitud
por las siguientes fórmulas:
Para combustibles livianos como la gasolina:
- 45 -
Hi
3000
4.186 6600
(1.31) 36
gm
cm3
Para combustibles pesados como el fuel oíl:
Hi
2.323 19600 1360
3780
2
Kjoul
Kg
(1.32) 37
Para combustibles medios como el petróleo:
Hi
2.32 1840 40 º API 10
Kjoul
(1.33) 38
kg
Con aproximación puede usarse la siguiente formula que relaciona el
poder calorífico inferior y superior:
Hi
Hs 600 2 3237 w (1.34)
Hi
Hs 1394 w
Kjoul
(1.35)
Kg
Donde w es el % de agua.
h.- EFICIENCIA TERMODINÁMICA (
G),
(calidad del proceso).
36
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38
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37
- 46 -
Relaciona la potencia indicada con la potencia del ciclo termodinámico
equivalente, normado. Razón por la cual la eficiencia termodinámica indica con
qué exactitud se puede aproximar el ciclo real con el teórico termodinámico.
g
Donde:
= P i / P v(1.36) 39
Pv : Potencia del motor ideal, normada (ciclo cerrado).
Valores característicos:
Motor Otto actual
g = 0,4 - 0,7
Motor Diesel actual
g = 0,6 - 0,8
Eficiencia Térmica Indicada O Rendimiento Indicado.
t = Trabajo del cilindro / Calor suministrado
t = Wi / Qc =Ni / Bhi
Eficiencia térmica total
tt = Trabajo en el eje / Calor suministrado
tt = Ne / Bhi
i.- Relación de Aire Lambda ( ).
Este parámetro indica la proporción entre la masa del aire realmente
utilizado en la combustión y la estequiométrico.
= ( ma / B ) / Lst
39
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- 47 -
en que: ma = masa de aire
B
= masa de combustible
Lst
= Relación de aire estequiométrica kgAI / kgcomb
Valores característicos de
utilizando combustibles comunes son:
Motores Otto
0,7<
<1,1. Con sonda : 0,99< <1,01
Motores Diesel
1,3 <
< 6.
j.- Relación Aire- Combustible ( A/C)
Al analizar el rendimiento de un motor de combustión interna es de gran
importancia determinar las cantidades relativas de aire y combustible presentes
en la mezcla suministrada.
Esta relación puede obtenerse con gran precisión mediante el análisis
químico de los gases de escape. Sin embargo también puede determinarse
efectuando las mediciones por separado del aire y del combustible
suministrado al motor en un tiempo determinado.
A/C=ºG/B
º G = consumo real de aire Kg/h B= consumo horario de combustible Kg/h
Se ha encontrado experimentalmente que es necesaria una relación
definida para obtener la máxima potencia y otra relación diferente para máxima
economía. La máxima economía del motor se obtiene cuando la liberación sea
- 48 -
máxima. Esta condición se logra cuando el combustible se quema
completamente.
La siguiente curva representa las características de un motor de
encendido por chispa en función de diferentes relaciones aire- combustible.
Figura 1.19 Relación aire combustible gasolina
Las características de un motor Diesel se especifican en la siguiente gráfica.
Figura 1.20 Relación aire combustible diesel
1.2.3. CICLOS
TERMODINAMICOS
DEL
INTERNA (CICLO OTTO)
- 49 -
MOTOR
DE
COMBUSTIÓN
a.- DESCRIPCIÓN GENÉRICA DEL CICLO:
En la figura 1 vemos el ciclo teórico de un motor Otto en un diagrama p-V.
El motor se caracteriza por aspirar una mezcla aire-combustible (típicamente
gasolina dispersa en aire). El motor Otto es un motor alternativo. Esto quiere
decir de que se trata de un sistema pistón-cilindro con válvulas de admisión y
válvulas de escape.
En los próximos párrafos describiremos el ciclo Otto de 4 tiempos. El ciclo que describiremos inicialmente es el
ciclo teórico. Posteriormente veremos las diferencias que existen en un ciclo real. Las diferentes evoluciones que
componen el ciclo son:
Admisión: evolución 0-1. El pistón se desplaza desde el PMS (punto muerto superior) al PMI (punto muerto
inferior). La válvula de admisión, VA se encuentra abierta. El pistón realiza una carrera completa. El cilindro se llena
con mezcla aire/combustible. Al final de la admisión (en el PMI) se cierra la VA. El llenado del cilindro requiere un
trabajo negativo.
Compresión: evolución 1-2. Con las dos válvulas cerradas (VA y válvula de escape, VE), el pistón se desplaza
desde el PMI al PMS. Se realiza una carrera completa. Se comprime la mezcla aire/combustible. En principio esta
compresión es adiabática. La compresión requiere trabajo negativo.
Encendido: en teoría este es un instante (evolución 2-3). Cuando el pistón llega al PMS, se enciende la chispa en
la bujía y se quema la mezcla en la cámara de combustión, aumentando la presión de 2 a 3.
Trabajo: evolución 3-4. Con las dos válvulas cerradas el pistón se desplaza desde el PMS al PMI. Se realiza una
carrera completa. En principio esta evolución es adiabática. La evolución genera trabajo positivo. De hecho es la única
evolución del total del ciclo en que se genera trabajo positivo al exterior.
Ap. Válvula de Escape: evolución 4-1. En teoría esta caída de presión de 4 a 1 es instantánea y ocurre cuando
se abre la válvula de escape.
Escape: evolución 1-0. El pistón se desplaza desde el PMI al PMS. Se realiza una carrera completa (la VE está
abierta y la VA se encuentra cerrada). En principio la presión dentro del cilindro es igual a la atmosférica, por lo cual el
trabajo requerido es cero.
Cada carrera completa corresponde a media vuelta del cigueñal. Por lo tanto para realizar el ciclo completo
se requieren dos revoluciones completas en el motor de cuatro tiempos.
- 50 -
Figura 1.21 Ciclo Otto Teórico
b.- Rendimiento Del Ciclo Teórico:
Calculemos a continuación el rendimiento de este ciclo teórico. Para ello
usaremos el concepto de ciclo de aire equivalente. Con ello queremos decir
que supondremos que el fluido de trabajo es un gas perfecto (aire) que se hace
seguir el ciclo y cuyas propiedades termodinámicas se mantienen constantes a
lo largo de él. Esta es una simplificación, pues en realidad las propiedades
termodinámicas de la mezcla y gases de combustión son diferentes. Sin
embargo la simplificación permite sistematizar mejor el estudio del ciclo.
El ciclo teórico tiene las siguientes particularidades:
Evoluciones:
- 51 -
•La evolución (0-1) (admisión) y (1-0) (expulsión de gases) son teóricamente
ambas a presión atmosférica. Como se recorren en sentidos opuestos, se
anulan.
•La combustión (2-3) y la apertura válvula de escape (4-1) se suponen ambas
como evoluciones isócoras (a volumen constante).
•La compresión (1-2) y la expansión o carrera de trabajo (3-4) se suponen
adiabáticas sin roce. Es decir DQ12 = 0 y DQ34 =0.
Rendimiento:
otto 1
Qced
Qabs
40
Qced
Cv T 4 T1
Qabs
Cv T 3 T 2
donde :
T 4 T1
T3 T2
otto 1
Sacando factor común T1/T2 para referir a compresión de base :
T1
T2
otto 1
T 4 T1 1
T3 T2 1
Considerando que (1-2) y (3-4) son adiabáticas sin roce :
T 1 V 11
40
1
T 2 V 22 1 (1)
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- 52 -
T 4 V4
1
T 3 V3
1
(2)
Dividiendo (2)/(1)
1
T 4 V4
T1 V1
1
T 3 V3
T 2 V2
1
1
Como V4=V1=Vmax y V2=V2=V min., se tiene que :
T4
T1
T3
T2
de donde :
otto 1
T1
T2
1
V2
V1
1
1
1
V1
1
1
V2
1
V1/V2 = E = relación de compresión
otto 1
1
(1.38)
E 1
c.- Ciclo Real Motor Combustión Interna.
Una característica clave de los motores de combustión interna es que en
cada ciclo se aspira aire fresco, luego se adiciona el combustible y se quema
en el interior del motor. Luego los gases quemados son expulsados del sistema
y se debe aspirar nueva mezcla o aire. Por lo tanto se trata de un ciclo abierto.
- 53 -
Figura 1.22 Ciclo Otto Genérico
En la Figura anterior vemos un ciclo genérico de un motor de combustión
interna.
Este consta de las siguientes partes generales:
Existe una presión mínima en el sistema equivalente a Pa.
Desde 1 hasta 2 se realiza una compresión, en teoría adiabática sin roce.
Entre 2 y 3 se realiza la combustión, con un aporte de calor Qabs.
Entre 3 y 4 se realiza la expansión de los gases calientes. Normalmente
es en esta etapa donde se entrega la mayor parte del trabajo. Esta expansión
es también, en teoría, adiabática y sin roce.
En 4 se botan los gases quemados a la atmósfera. El ciclo es realmente
abierto, pero (para efectos de análisis) se supone que se cierra entre 4 y 1,
volviéndose el estado inicial.
- 54 -
Se introduce, por lo tanto, el concepto de Ciclo de aire equivalente. Esto
significa que suponemos que el ciclo lo describe solo aire, al cual lo hacemos
pasar por una sucesión de estados tal que se reproduce el ciclo real. Esto
implica las siguientes suposiciones y simplificaciones:
Las propiedades del aire se suponen constantes para todo el ciclo (no
varían ni Cp ni Cv, aunque en el caso real sí lo hacen por variación de
temperatura y porque en parte del ciclo se trabaja con gases quemados).
Se supone un sistema cerrado. Es decir, el aire está cerrado dentro del
sistema y se somete a las evoluciones equivalentes.
Entre 2 y 3 se supone que se aporta calor externamente para lograr la
evolución equivalente.
En forma análoga, entre 4 y 1 se supone que se enfría el aire en forma
equivalente.
Una evolución clave en este ciclo genérico es la compresión de base
1-2. En efecto, ella es característica de cada ciclo y es (relativamente)
constante.
En cambio en la operación real, la cantidad de calor Qabs puede variar
en forma importante, por lo tanto también varía la evolución 3-4. Pero la
compresión de base es relativamente estable.
Se puede demostrar fácilmente que el rendimiento de la compresión de
base queda expresado por:
V1/V2 = E = relación de compresión
1
1
E 1
- 55 -
Por lo tanto, para aumentar el rendimiento del ciclo conviene, en lo
posible, aumentar lo más que se pueda la compresión de base. Los límites a
esta compresión pueden venir de dos fuentes:
•En el caso de que solo se comprima aire (motores Diesel, turbina a gas), la
compresión máxima queda fijada solo por razones tecnológicas.
•En el caso que se comprima una mezcla aire-combustible (motor Otto), la
compresión máxima queda fijada por los límites de detonación o auto
inflamación.
d.- Condiciones para maximizar el rendimiento del Ciclo:
En este ciclo genérico tenemos varias cosas que se pueden hacer para
maximizar el trabajo obtenido. Enumerémoslas:
1. De ser posible, siempre conviene prolongar la expansión 3-4 hasta la
presión ambiente. Con ello se gana un área de trabajo adicional "sin costo".
Claro que en motores alternativos (cilindro-pistón), esto no es posible, pues
el volumen máximo está definido.
2. En el caso de que la presión máxima esté fija, conviene que la combustión
se realice a presión constante. En efecto, cuando uno comprime solo aire,
conviene que esta compresión sea la máxima posible para maximizar el
rendimiento.
3. En el caso de que la compresión máxima esté fija (caso motores Otto en
que se comprime aire-combustible), conviene que la combustión se realice
a volumen constante.
- 56 -
Figura 1.23 Prolongación de expansión hasta la Presión atmosférica
Estas tres situaciones las vemos ilustradas en las figuras 2 a 4. En ellas
vemos que siempre se trata de maximizar el área encerrada por el ciclo de
trabajo. En el caso de prolongar la expansión hasta Pa, es obvia la ganancia de
área. Así que en lo posible conviene hacerlo. Sin embargo esto no es posible
en los motores alternativos (cilindro-pistón), siendo solo posible en el caso de
las turbinas. Esto por cuanto se trata de agregar más etapas a la turbina hasta
alcanzar la presión ambiente.
Figura 1.24 Combustión a presión constante
- 57 -
En el caso de presión máxima fija (Figura 3), se trata de maximizar P2
de forma de maximizar el rendimiento. Esto porque así se tiene la máxima
compresión de base posible. Sin embargo solo podemos hacer esto en caso de
que se comprima aire.
En efecto, si se comprime una mezcla aire-combustible, existirá una
razón de compresión máxima, más allá de la cual la mezcla tiende a auto
inflamarse. Por lo tanto se maximizará p2 de forma de llegar al límite
tecnológico. En este caso conviene que la combustión se realice a presión
constante. (ver figura 3). Es obvio que no conviene que la presión disminuya
durante la combustión (disminuye el área de trabajo útil), pero tampoco puede
aumentar la presión durante la combustión.
Figura 1.25 Combustión a volumen constante
Finalmente tenemos el caso de que la compresión máxima esté fija. Esto
ocurre cuando se comprime una mezcla aire-combustible.
- 58 -
En este caso no se debe exceder una razón de compresión máxima,
pues si se hace la mezcla tiende a auto inflamarse. En este caso conviene que
la combustión se realice a volumen constante de forma de maximizar el área de
trabajo (el caso se ilustra en la figura 4).
Claro que se debe tener presente de que, de partida, se usó una razón
de compresión más baja, por lo cual se ha pagado una penalización de
rendimiento desde la partida.
Este caso se da en el Ciclo Otto.
e.- Perdidas En El Ciclo Otto Real
Cabe mencionar que el ciclo óptimo está dado para un cierto régimen de
funcionamiento, lo que quiere decir que un motor funciona mejor en ciertas
condiciones que en otras, debido a características técnicas de construcción y al
gas de trabajo.
Aspiración
Se produce un trabajo negativo mayor que el normal en la aspiración que
puede ser efecto de:
una caída de la presión en el múltiple de admisión debido al
estrangulamiento excesivo en el múltiple de admisión.
restricción del flujo debido al filtro de aire que tienen los motores para evitar
que entre material articulado al cilindro.
también se puede dar por un levante deficiente de las válvulas de admisión
causado por algún problema mecánico
- 59 -
Este trabajo negativo se puede contrarrestar en parte cambiando el filtro de
aire (posiblemente sucio y obstruido) por uno nuevo con mayor capacidad de
flujo. Mantener en buen estado mecánico el eje de levas, balancines, válvulas y
resortes de válvulas.
Cuando el flujo de aire es muy grande la mayor pérdida de presión es
producida por el roce del aire en las válvulas. Para mejorar esta limitación
técnica hay que hacer cambios grandes en el motor como lo son:
la sobrealimentación que mantiene la presión del múltiple de admisión
elevada para así disminuir el efecto de roce en las válvulas, esto como se
dijo anteriormente a gran demanda de aire por parte del motor, de ahí que
los sobrealimentados funcionen recién a partir de un cierto número de
revoluciones del motor.
cambiar las válvulas por unas más grandes para lograr un mayor flujo de
aire o cambiar balancines para obtener un mayor levante de las válvulas.
Con el fin de obtener más trabajo del ciclo en motores muy revoluciona se
atrasa el cierre de la válvula de admisión para que así por inercia ingrese más
mezcla al cilindro. El efecto del atraso de la válvula de admisión en motores
lentos es negativo ya que el pistón empuja la mezcla de vuelta al múltiple de
admisión.
Compresión
Existe un traspaso de calor desde los cilindros al gas lo que es
inevitable. Además se comprime una mezcla de aire y combustible que difiere
en sus propiedades termodinámicas de un gas ideal sumado a que la
compresión es con roce.
El motor puede tener diferentes pérdidas de compresión:
- 60 -
perdidas entre pistón y cilindro debido a anillos en mal estado, deformidad
del cilindro
perdidas en las válvulas que no cierran bien y no mantienen la presión
perdidas en la empaquetadura entre el block y la culata
Combustión
La combustión no es instantánea y no se produce a volumen constante
(lo que es el ideal y se trata de aproximarse lo más posible a esta situación). Se
sabe además que la eficiencia tiene relación directa con la razón de
compresión (a) que está dada técnicamente por cada motor.
En busca de este óptimo uno se encuentra con el problema de la
detonación, que es una inflamación violenta del combustible produciendo una
onda de choque que es capaz de destruir el motor. La detonación se produce
cuando la compresión es demasiado alta para el combustible de un octanaje
determinado.
El punto óptimo para encender la mezcla es aquel en que si se retrasa
una muy pequeña fracción se va a producir la detonación. No hay que olvidarse
de la temperatura ya que a menor temperatura hay menor presión por lo que es
conveniente tener una baja temperatura del la mezcla así como del motor.
Es al límite de la detonación donde se maximiza el rendimiento para un
motor con una compresión dada. Para evitar la detonación y maximizar el
rendimiento se enciende prematuramente la mezcla antes de que alcance una
presión demasiado elevada.
Se pueden producir diferentes fallas en el encendido (analizaremos para
motores sin inyección electrónica)
- 61 -
encendido prematuro / tardío debido a falla en el avance mecánico o por
vació
no hay encendido, falla en los cables, bujías, una mezcla fuera de los limites
de inflamación
Expansión
Aquí también hay un traspaso de calor, esta vez del gas al cilindro,
también existen perdidas por compresión debido a las mismas causas
El ideal es expandir hasta la presión ambiente pero esta expansión está
limitada por características técnicas del motor ya que el pisotón no se puede
desplazar más allá del punto muerto inferior donde el volumen es máximo.
Escape
Aquí se producen perdidas por mucho o poco avance en el múltiple de
escape, esto es una apertura prematura o tardía (con respecto al óptimo) de la
válvula de escape. Cualquiera de estas dos situaciones producen una merma
en el área de trabajo del ciclo.
Si en el múltiple de escape hay una gran contra - presión el motor va a
tener que hacer trabajo para lograr evacuar los gases de escape. En cambio
una apertura prematura produce una pérdida en el trabajo realizable. Para
lograr el óptimo hay que abrir la válvula de escape antes de que llegue al punto
muerto inferior para que no haya contrapresión en el colector (múltiple de
escape)
Una contrapresión puede deberse a un escape obstruido, doblado o a
alguna reparación incorrectamente hecha como un cambio de silenciador.
Otro efecto importante es el de el gas residual dentro del cilindro, para
minimizar esta masa de aire inerte se retrasa el cierre de la válvula de escape
- 62 -
mientras la válvula de admisión permanece abierta (se le llama cruce de
válvulas). El efecto es que los gases aun sin quemar van a desplazar a los
gases quemados. En este proceso siempre se escapa una porción de gases
sin quemar.
Otras Perdidas
Un motor real debe además vencer roces e inercias los que producen una
merma en el trabajo utilizable. Para el caso de un automóvil se pueden
nombrar: alternador, bomba de agua, bomba de aceite, ventilador, correas, eje
de levas (con válvulas, resortes, balancines), bielas, pistones, metales, volante
y muchos otros más.
f.- Diferencias Entre El Ciclo Otto Teórico Y El Real Optimo
Figura 1.26 Diferencia ciclo teórico con ciclo real41
41
www,cec.ucchile.cl.com
- 63 -
Aspiración
La válvula de admisión se abre y se aspira una carga de aire y
combustible a una presión, teóricamente, igual a la atmosférica, provocando el
descenso del pistón. La válvula de escape permanece cerrada.
En el ciclo real la presión del gas durante la aspiración es inferior a la
presión atmosférica, por lo tanto, el cierre de la válvula de admisión se produce
después que el pistón llega al extremo inferior de su carrera, es decir, se
prolonga el período de admisión y entra en el cilindro la máxima cantidad de
mezcla de aire y combustible.
Compresión
No existe intercambio de calor entre el gas y las paredes del cilindro. La
válvula de admisión y la de escape están cerradas y el pistón comienza a subir,
comprimiendo la mezcla que se vaporiza.
En el ciclo real, el gas cede calor al cilindro, por consiguiente el gas se
enfría y adquiere menos presión.
Combustión
Ambas válvulas permanecen cerradas. Al llegar el pistón a la parte
superior de su carrera, el gas comprimido se inflama por la chispa de la bujía.
La combustión de toda la masa gaseosa es instantánea, por lo tanto el volumen
no variará, y la presión aumentará rápidamente. En el ciclo real la combustión
no es instantánea y el volumen de la mezcla va variando mientras se propaga
la inflamación.
En este caso, el principal perfeccionamiento que se puede aportar, para
la obtención de un máximo trabajo, será en la elección del instante preciso en
que ha de producirse el encendido. La chispa debe saltar antes de que el
pistón haya terminado la carrera de compresión, de esta manera aumenta
- 64 -
considerablemente la presión alcanzada después de la combustión y de esta
forma el trabajo ganado será significativo.
Expansión
El gas inflamado empuja al pistón. Durante la expansión, no hay
intercambio de calor, al aumentar el volumen, la presión aumenta.
El aumento de la temperatura en el interior del cilindro durante la
combustión produce, en la expansión, que los gases cedan calor al cilindro y se
enfrían, dando como resultado una presión menor.
Escape
Cuando el pistón se encuentra en el extremo inferior de su recorrido, la
válvula de admisión permanece cerrada y se abre la de escape, disminuyendo
rápidamente la presión, sin variar el volumen interior. Luego manteniéndose la
presión igual a la atmosférica, el volumen disminuye.
En la realidad el escape no se hace instantáneamente, sino que en este
período los gases tienen aún una presión superior a la atmosférica.
Por lo tanto, en el ciclo real la válvula de escape se abre antes de que el
pistón llegue al extremo inferior de su recorrido, de este modo la presión del
gas tendrá tiempo de disminuir mientras el pistón acaba su carrera
descendente, al verificar éste su carrera ascendente sólo encontrará delante de
él gases expansionados ya casi por completo.
La válvula de admisión se abre antes de que el pistón llegue al extremo
superior de su recorrido, produciendo una cierta depresión en el cilindro que
hace que la aspiración sea más enérgica.
- 65 -
g.- Efectos Combustión de Relación de Compresión
PROCESO
DE
COMBUSTIÓN
NORMAL
Y
ANORMAL:
Las primeras reacciones químicas
se inician con el suministro de un
mínimo de energía de encendido de la chispa y constituyen, la denominada
fase de inflamación. La duración de esta fase es casi constante y sólo depende
de la composición de la mezcla. Esto significa un retraso del encendido (tiempo
entre el salto de chispa o punto de encendido y el punto de ignición, o
respuesta medible en el desarrollo de presión) que prácticamente aumenta y
varía con la relación , al aumentar el número de revoluciones del motor y con
él el movimiento del pistón.
El desarrollo de la liberación de calor viene determinado principalmente por
la forma de la cámara de combustión y por el punto de encendido; la duración
de la combustión depende esencialmente de la velocidad de propagación de la
llama (velocidad de combustión). Viene determinada por los procesos de
difusión en el frente de la llama, así como por la fuerza de la turbulencia y
además del desarrollo de la temperatura en la porción de mezcla (gas final)
todavía no quemada.
La fuerza de la turbulencia en la cámara de combustión o en el frente de
llama puede ser modificada, entre otras cosas, por la configuración de los
órganos de admisión de la mezcla, la forma de la cámara de combustión (por
ejemplo,
con
bordes
productores
de
turbulencia),
y
el
grado
de
aprovechamiento del movimiento del pistón para la denominada circulación de
compresión. También puede auto generarse por propagación de la llama y la
elevación de presión relacionada con la misma, y en todo caso depende de
parámetros del motor tales como: compresión, temperatura del aire de la
aspiración y número de revoluciones.
- 66 -
La elevación de presión durante la combustión es decisiva para la evolución
de la temperatura del gas al final del proceso
siempre que se puedan
despreciar la conductividad térmica y la radiación.
Para lograr un bajo consumo de combustible (y de ello un elevado
rendimiento), tener un tiempo de combustión corto, o sea, velocidades de
combustión elevadas, y por otro lado interesa una correcta liberación de calor
de acuerdo con el movimiento del émbolo. El punto de máxima liberación de
calor debería pues estar situado muy cerca (a unos 5º a 10º del cigüeñal como
se ve en la figura 1.28) después del PMS. Si el punto de desarrollo de
combustión máxima está demasiado avanzado, se elevan las pérdidas de calor
por las paredes y las pérdidas mecánicas (excesiva presión de combustión).
Una liberación de calor retrasada conduce a una utilización desfavorable del
calor (grado de calidad) y a elevadas temperaturas de los gases de escape.
La ubicación ideal del desarrollo de liberación de calor, es decir el salto de
la chispa, debe asegurarse con precisión mediante un punto óptimo del
encendido, teniendo en cuenta:
- La relación de aire ( )
- La dependencia de la turbulencia de los parámetros del motor, (revoluciones,
carga, etc.)
Problemas y limitaciones del encendido:
En la práctica, la seguridad de la inflamabilidad y propagación de la llama
prohíben empobrecer la mezcla hasta coeficientes de aire
>1,3 en motores
con formación de mezcla y encendido externo (motores Otto), aun cuando esto
sería ventajoso para mejorar tanto el rendimiento teórico como el intercambio
de gas (menores pérdidas en el estrangulamiento), y disminuir las pérdidas de
calor por las paredes y de disociación (disminución de la temperatura de
combustión).
- 67 -
El mejorar el rendimiento de la carga parcial con una mayor compresión
hace que aparezca una combustión anómala en donde se presenta el picado o
detonación a plena carga.
En el motor Otto tiene especial importancia este estado de funcionamiento la “detonación o picado” - caracterizado por la forma en que se desarrolla la
combustión, pues generalmente determina el límite superior de la potencia que
puede desarrollar.
La detonación se produce con grandes relaciones de compresión, con gran
sobrealimentación, con la existencia de mezclas pobres, con excesivo adelanto
de encendido y también al aumentar la temperatura del aire aspirado. Aparece
en muchos casos una marcha muy dura del motor; conjuntamente aparece un
ruido con agudas resonancias (“Cascabeleo de Válvulas”).
Los efectos de la detonación están asociados a una mayor temperatura de
los gases de escape (después de un funcionamiento bajo estas condiciones) y
a un aumento de todos los esfuerzos térmicos.
Las investigaciones realizadas revelan que mientras en una combustión
normal la velocidad de llama es 15 - 30 [m/s , la velocidad alcanzada en una
combustión con detonación es 300 - 1000 [m/s . Esto implica que en la
combustión con detonación el inicio de ésta se desarrolla con velocidad normal
y al final se realiza casi de forma instantánea.
Considerando que con la detonación arde muy rápidamente la parte de la
mezcla que todavía no se ha quemado, la temperatura y la presión local
experimentan un aumento mucho más rápido que cuando se tiene una
combustión de tipo normal; originándose así una transmisión de calor elevada
que genera una aumento excesivo de las cargas térmicas sobre el pistón y el
cilindro.
Añadiendo a lo anterior, el hecho que en el cilindro se originan grandes
diferencias de presiones; gran aumento inicial de la presión; y después ondas
- 68 -
de presión de gran amplitud; se comprenderá por qué el funcionamiento del
motor bajo condiciones de detonación es tan dañino para éste. Obsérvese que
existen aumentos de los esfuerzos mecánicos lo cual origina deterioro del
pistón, de la culata y de las válvulas.
Estudios realizados demuestran que las radiaciones en la combustión con
detonación indica que existe una proporción mayor de radiaciones de onda
larga ( de 5 a 11 ) que con funcionamiento normal. La energía de radiación
emitida con detonación es mayor; no obstante, la radiación total de los gases
de combustión son menores. La radiación infrarroja alcanza su máximo antes
que con combustión normal.
Causas y formas de control de la detonación:
Influye de manera importante, el avance al encendido, el exceso de aire, el
número de revoluciones y la configuración de la cámara de combustión.
- El avance del encendido; por cuanto un excesivo avance del encendido
aumenta el trabajo de compresión, originando un aumento de la temperatura
final de compresión de la mezcla, lo que provoca presiones y temperaturas de
combustión mayores a lo normal, favoreciendo así la ocurrencia del fenómeno.
El avance del encendido óptimo para el motor, varía de acuerdo a las
condiciones de mezcla aire-combustible admitido. Especial consideración se
debe tener en relación al avance del encendido para cargas parciales donde la
mezcla es de tipo pobre.
En los casos de plena carga el punto de encendido que permite obtener
la mayor potencia efectiva, es aquel en que ocurre una leve detonación, por
cuanto ésta ayuda a que la combustión se desarrolle prácticamente a volumen
constante.
-Relación de Compresión; la tendencia a la detonación crece, cuando
aumenta la relación de compresión. Esto se debe a que la temperatura y
presiones alcanzadas antes de la combustión hacen posible el autoencendido.
- 69 -
-Características y condiciones de la mezcla; las variables relacionadas con
la mezcla aire-combustible, en el fenómeno de detonación son: la relación airecombustible, el rendimiento de llenado, la distribución y la turbulencia de la
mezcla en el interior del cilindro y la temperatura de la mezcla.
Las mezclas pobres presentan una alta tendencia a la detonación debido
fundamentalmente a las bajas velocidades de combustión.
Al aumentar el rendimiento de llenado crece la tendencia a detonación,
dado que al existir una mayor masa de aire-combustible en el cilindro, se
alcanzan rápidamente las condiciones de autoencendido, es decir, alta presión
y temperatura.
La distribución homogénea de la mezcla y elevada turbulencia de esta
en el interior del cilindro antes del encendido (mediante la bujía), resultan
adecuadas para controlar eficientemente la detonación, ya que es posible
obtener, aún en mezclas pobres, altas velocidades de combustión. Este efecto
también produce una mayor potencia efectiva y menor emisión de
contaminantes.
Una baja temperatura de la mezcla en la admisión (no mayor a 50ºC),
disminuye la tendencia a la detonación, por cuanto la temperatura final de
compresión que se obtiene al interior del cilindro, es menor que la
correspondiente a la condición de autoencendido del combustible.
-El número de revoluciones; cuando opera a bajas revoluciones y gran
abertura de la mariposa, puesto que se combinan un alto rendimiento de
llenado y una mezcla de tipo pobre (más tiempo para que se auto encienda la
parte aun no quemada).
- 70 -
CAPITULO II
DISEÑO DE LA CÁMARA Y SUS ELEMENTOS
Objetivo
Determinar los parámetros y características consideradas el diseño de un
conjunto cabezote con cámara de combustión variable.
Determinar material de construcción, dimensiones y rangos de variación de
la cámara de combustión variable.
Antes de diseñar un nuevo conjunto cabezote con cámara de combustión
variable determinamos las características del motor a modificarse el cabezote,
siendo esto como primer paso para empezar al diseño.
2.1.
CARACTERÍSTICAS MOTOR BRIGSS & STRATON
Potencia Máx.:
8 HP
Diámetro Cilindro:
75.30 mm
Carrera:
61.00 mm
Radio cigüeñal
30.50 mm
Cilindrada:
271.65 cc
Relación Compresión:
9:1
Refrigeración
Aire
Arranque:
Manual
Disposición Válvulas:
Block Tipo L
Material:
Aluminio
Modelo:
164411
- 71 -
16:
Cilindrada en Pulgadas cúbicas
4:
Tipo Básico, relacionado a construcción del cilindro , encendido.
4:
Horizontal ( posición cigüeñal); Flojet Regulador mecánico ( tipo
carburador)
1:
Brida Montaje , cojinetes de fricción ( Tipo de cojinetes , reductor y toma
de fuerza auxiliar)
1:
Puesta en marcha mediante cuerda (Tipo puesta en marcha)
Se selecciona este motor por la característica por ser monocilíndrico y la
posición de las válvulas en el block, dando lugar a disponer de un cabezote
sencillo, el cual esta formado por la cámara de combustión y alojamiento de la
bujía.
2.2.
MATERIAL PARA LA CONSTRUCCIÓN DE LA CÁMARA Y SUS
ELEMENTOS
Para la construcción de la cámara y elementos se debe tomar en cuenta
las siguientes características del material :
-
Transferencia de Calor del Material.
-
Resistencia al Esfuerzo
-
Resistencia al calentamiento y maquinabilidad.
- 72 -
Desde el punto de vista de la resistencia mecánica es evidente que las
aleaciones que pueden ofrecer la mayor carga de rotura son las de
mejoramiento. Entre estas la que ofrece mejores características de resistencia,
especialmente al desgaste, son las aleaciones de cobre, según las aleaciones
al magnesio (7 – 10 %) al silicio – magnesio y al zinc – magnesio estos poseen
una elevada tenacidad.
Sobre la resistencia al calentamiento, las aleaciones de mejor
comportamiento son las que contienen cobre, níquel y hierro; según las de gran
contenido de magnesio y de silicio.
Con respecto a la mecanización, las más mecanizables son las que dan
una viruta quebradiza y ofrecen escasa resistencia mecánica, desde este punto
de vista las aleaciones de cobre – aluminio son las mejores.
Teniendo en cuenta los puntos que tratamos anteriormente con respecto
al esfuerzo máximo que va a soportar la pieza en construcción y el mecanismo
de pistón móvil requerimos las tablas de las aleaciones unificadas
determinando el tipo de materiales dispuestos en las diferentes fundidoras con
las especificaciones de las aleaciones en stock.
De la Anexo 1 de Aluminio con aleaciones, escogimos el G – Al Si 5 Cu
MG que es un material para usos generales y en particular para cilindros de
motores y cuerpos de bombas tiene su base de fundición igual a la de los
pistones para su fundición base posee una alta resistencia a tracción; posee un
mecanizado bueno con desprendimiento de poca viruta; tiene un factor de
resistencia a la presión de bueno y puede soportar esfuerzos hasta 1200 Kgf.
- 73 -
2.3.
DISEÑO DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN
2.3.1. Condiciones
generales
antes
de
diseñar
una
cámara
de
combustión.
a) La presión del cilindro debe aumentar de manera que el valor máximo
sea alcanzado cuando el pistón haya sobrepasado el p.m.s. y
posteriormente, disminuir gradualmente la fase de expansión, para que
la fuerza expansiva del gas se aplique al pistón de una manera
progresivamente.
b) La superficie interna no debe presentar puntos salientes, que al ponerse
incandescentes durante la combustión y después de ella provocarían el
autoencendido o a la detonación.
c) La forma de la cámara debe ser la mas adecuada, para que el frente de
llama mantenga una velocidad lo mas elevada posible por medio de una
buena turbulencia.
En la figura siguiente se indica el efecto de la forma de la cámara de
combustión con relación al rendimiento del motor.
- 74 -
Figura 2.1. Forma de la Cámara en relación de la forma
2.3.2. Cálculo y Diseño de la cámara de combustión variable.
La cámara de combustión es el espacio en la parte superior del cilindro, en
la que se produce la combustión de la mezcla aire – gasolina, siendo este
espacio el que se debe modificar tomando en cuenta las siguientes
características.
Permitir la variación de la relación de compresión ( E )
Ser completamente sellada ( fugas de compresión nulas)
Dar turbulencia dentro de la cámara para tener una buena mezcla de
aire – gasolina.
Mantener el contorno del cabezote original para evita choques de
válvulas y pistón de motor.
- 75 -
Ahora debemos analizar los parámetros del motor que nos permiten
modificar la relación de compresión, según la formula dada teóricamente para
calcular este parámetro se obtiene que :
Vh Vc
(2.1) 42
Vc
Donde :
E
= Relación de Compresión
Vh
= Volumen desplazado por el pistón.
Vc
= Volumen sobre la cabeza del pistón en el P.M.S (cámara de
combustión)
y:
Vh
r 2 L (2.2) 43
Donde:
r = Radio del pistón del motor
L = Carrera del pistón
Con referencia a las expresiones anteriores podemos notar que si
variamos el volumen de la cámara de combustión, podemos modificar la
relación de compresión del motor, y al tener características constructivas
sencillas del cabezote original, se ve idóneo realizar el diseño que nos permita
variar el volumen de la cámara de combustión.
42
43
Crouse W: Motores de Automovil,Alfaomega,Barcelona,1996.
Manual de Reparaciones y Servicios Motor Brigss & Straton
- 76 -
Entonces lo que se quiere conseguir es que el motor Brigss & Straton
que tiene originalmente un relación de compresión de 9:1 , el operario pueda
variar modificar esta compresión , siendo lo mas común esto en carros de
competencia la operación de cepillar el cabezote , con este trabajo logramos
reducir el volumen de la cámara y aumentar la relación de compresión , y si en
otro caso queremos que esta compresión sea mayor lo que se tiene que
realizar es colocando empaques de mayor espesor para así aumentar la
cámara de combustión y alterar la relación de compresión original del motor ;
pero en el tema propuesto lo que se pretende es lograr tener relaciones altas y
bajas con relación a la originalmente dada por el fabricante del motor.
Lo que debemos diseñar es un sistema que permita aumentar y
disminuir el volumen de la cámara de combustión, pero a la vez tener en
cuenta el diseño original para evitar golpeteos de elementos internos del motor
y desgastes innecesarios.
Para lo cual se plantea el problema de la siguiente manera : del motor
Brigss & Straton con relación 9:1
se desea conseguir una relación de
compresión mas alta , relación 2 8:1 , además se desea obtener una relación
de 10:1 , quedándonos así la relación de compresión originas como intermedia
entre las propuestas.
Utilizando la formula de relación de compresión y aplicándola a los datos
del motor , empecemos a conocer el volumen de la cámara de combustión .
Despejando de la formula principal :
Vc
Vh
(2.3)
1
- 77 -
Reemplazamos datos
Vc
271.649cc
9 1
Vc = 33.95 cc
Ahora lo que tenemos modificar es este valor , en uno de mayor y otro
menor , para lo que reemplazamos las relaciones de compresión propuestas
para el diseño en la formula anterior .
Vc1
Vh
(2.3)
1
Con relación de compresión 8:1
Vc1= 38.807 cc
Ahora con relación de compresión 10:1
Vc2= 30.183 cc
Para conseguir una relación de compresión de 8:1 se debe reducir la
cámara de combustión en 4.857 cc y para conseguir una relación de
compresión de 10: 1 se debe aumentar 3.767 cc .
- 78 -
Ahora para poder modificar estos valores y cumplir con los requisitos
planteados en un principio, primero tenemos que fijarnos en la forma que
presenta la cámara de combustión original de motor, en la que observamos su
forma es irregular.
Volumen
de la CC
mínimo
Forma
irregular
Figura 2.2. Foto Cabezote Motor
Como se puede apreciar en la gráfica anterior, se observa que el diseño
es irregular, por lo que necesariamente la cámara de combustión variable debe
presentar esta misma forma.
Para escoger la forma de la cara que va a variar nos fijamos en el
cabezote original, se debe considerar la presión que va soportar ésta ; además
que no debe fugar compresión hacia el exterior , partiendo de la formula
Presión = Fuerza / Área , buscamos la zona de mayor superficie y de forma
mas regular , ya que entre mas área se disponga para realizar la cara de la
cámara la presión será menor , dando lugar a menor fatiga en los materiales y
en todo el conjunto a construirse.
De esta manera es seleccionada la sección de la gráfica de la cámara
para realizar un análisis de la forma que va a tener la cara de la cámara de
compresión.
- 79 -
Sección
Adecuada
Figura 2.3. Sección Cabezote Motor
Para el análisis se toma en cuenta los siguientes parámetros.
Forma que presenta el contorno de la cámara original , ya que la nueva
cámara debe presentar el mismo contorno
Una pieza circular se distribuye uniformemente la fuerza que se ejerce en la
cara de la misma.
Como en los motores en general, la mejor manera en el aspecto
constructivo y en costos se utiliza segmentos (rines) para retener la
compresión en la cámara.
Con los parámetros anteriores acoplamos la información y verificamos que
la sección adecuada indicada en la figura, se puede realizar un cilindro en que
va a tener una cara circular, además de un fácil ensamblaje de los rines en este
cilindro.
Anteriormente calculamos las áreas que se necesita reducir y aumentar,
ahora debemos conocer que espacio en volumen disponemos para trabajar en
el nuevo diseño.
Así en esta sección se dispone una circunferencia de 79.90 mm de
diámetro, por que se llega a cumplir los parámetros expuestos anteriormente.
- 80 -
Para conocer cuanto se va a desplazar esta circunferencia, debemos
conocer el área inicial para luego calcular la altura que debe recorrer y obtener
la relación de compresión requerida en un principio.
Ahora con el volumen que se debe modificar, que fue calculado
anteriormente debemos calcular la altura que se debe desplazar de la siguiente
manera.
Datos:
Vc i = 33.95 cc ( calculado)
Vc1= 38.80 cc
Vc2 = 30.183
Del volumen inicial debemos calcular el volumen real que se va a
obtener ya que al poner cilindro se va disminuir el volumen.
Tenemos:
Volumen de la cámara inicial
=
33.95 cc
Volumen del pistón
=
32.59
cc,
considerando
una
profundidad de 6.5 mm que es la profundidad de la cámara en la otra sección,
solo por motivo de calculo.
Volumen parcial de cámara
=
en un espacio irregular.
- 81 -
8.70 cc, el volumen que existe
El volumen que se va a obtener en la cámara es:
32.59 cc
33.95 cc
8.70 cc
Figura 2.4.Esquema de Volúmenes Cámara Combustión
Cálculos:
Si restamos 33.95 de 32.59 nos queda el área de 1.36 cc que se indica
en el gráfico siguiente, este nos sirve para determinar el volumen de la cámara
de combustión, la que imaginariamente colocamos el cilindro así.
1.36 cc
Figura 2.5. Esquema de Volumen Calculado
Ahora calculemos el volumen de la cámara de combustión, suponiendo
que el cilindro topa en el block .
El volumen es: 33.95cc – (8.70-1.36) = 26.61 cc
- 82 -
Figura 2.5. Esquema de Volumen inicial de la cámara
Ahora calculamos la altura que el pistón debe desplazarse para conseguir las
relaciones de compresión planteadas .
Como:
el volumen requerido de la cámara de compresión para obtener una relación
de 8:1, es de 38.80 cc , al cual debemos retarle el volumen de la cámara
inicial que ahora tiene 26.61 cc .
Figura 2.6. Esquema de Volumen Requerido
Entonces el volumen restante que falta para llegar al volumen de trabajo
del motor con relación 8:1 es:
38.80 cc – 26.6 cc = 12.19 cc
- 83 -
El volumen de 12.19 cc es la cantidad en centímetros cúbicos que la
circunferencia máxima en la cámara debe desplazarse hacia arriba.
Utilizamos la expresión:
Vh
r 2 L (2.2)
Para poder conocer la altura necesaria para obtener el volumen del
cilindro adecuado.
Despejando L:
L
Vh
(2.3)
r2
Donde:
L = longitud o altura que se va a desplazar la cara de la cámara de combustión.
Vh = volumen necesario para conseguir la relación propuesta.
R = radio de la circunferencia que esta dispuesta en la cámara de combustión
Remplazando Datos:
h
12 .19 cc
(2.4)
(3.995 ) 2
h = 0.24311 cm = 2.43 mm
- 84 -
El valor de 2.43 mm se debe desplazar la cara de la cámara hacia arriba
para obtener la relación de compresión de 8:1.
Ahora para conseguir una relación de compresión propuesta de 10:1
realizamos el mismo procedimiento así:
Para una relación de compresión de 10:1 se requiere un volumen de
30.18 cc , pero al que debemos resta el volumen inicial de la cámara de 26.6 cc
, obtendríamos el volumen restante de 3.57 cc .
Figura 2.7. Esquema Volumen Requerido
Remplazando datos en la formula nos quedaría:
h
3.57 cc
(3.995 ) 2
h=0.0712 cm.=0.712 mm
Entonces la cara de la cámara debe desplazarse 0.712 mm desde su
estado inicial .
Con el análisis que se expone se realiza una tabla de las alturas que se
debe tener para las relaciones de compresión, y utilizando las formulas de la
altura con respecto al volumen necesario.
- 85 -
Tabla 2.1.
Calculo de alturas en función de la relación de compresión requerida
Relación de
Volumen de
Altura h
Compresión
desplazamiento
6:1
27.72 cc
5.52 mm
7:1
18.67cc
3.72mm
8:1
12.20cc
2.43mm
9:1
7.35cc
1.46mm
10:1
3.58cc
0.71mm
11:1
0.564cc
0.11mm
Volumen de desplazamiento: Es el volumen necesario para obtener la
relación de compresión requerida , menos el volumen inicial de 26.6 cc
Se puede observar la altura mínima y máxima que la cara de cámara debe
desplazarse en la columna de la altura.
En resumen el diseño de la cámara de combustión es de la siguiente
manera:
La distancia total de desplazamiento es 5.52 mm como valor
La forma geométrica del contorno de la cámara de combustión variable es
similar a la de la cámara original.
La cara de la cámara de combustión que va a variar es de un diámetro de
79.90 mm
- 86 -
La profundidad es similar de la cámara original, ya que los cálculos se los
realizo con una profundidad de 6.5 mm.
El ancho de la cámara es igual a 17.70 mm que es el ancho del empaque
del cabezote original.
Las perforaciones de los pernos para la sujeción del cabezote son
dimensionalmente iguales ya que no es necesario modificar esto
El gráfico dimensional es indicado en el plano 1.
2.4.
DISEÑO DEL ÉMBOLO
Tomado en cuenta el diámetro máximo que se dispone en el contorno de la
cámara de compresión, tenemos la base del émbolo a construirse, ahora lo que
se debe es conocer la altura que éste debe tener.
Características iniciales que se debe tomar en cuenta antes de dimensionar
el émbolo que tiene como objetivo formar la cara superior de la cámara de
compresión variable.
Hermetizar la presión que se ejerce en la cámara de compresión.
Tener resistencia a la fuerza que va ejercer la presión máxima del ciclo.
Tener superficie de rozamiento mínima entre el embolo y el cilindro para
que no exista juego al subir y bajar dicho embolo ( cabeceo)
Espacio suficiente para colocar los rines que ayudaran a retener la
compresión en la cámara, espacio entre rines 1.5 mm.
Además es recomendable dejar 1/16” entre la cabeza del pistón y el primer
segmento de compresión
- 87 -
Tener una sección donde puedan los gases realizar turbulencia para una
mejor mezcla de aire – gasolina.
Tener limitación en el recorrido por medio de un tope que tenga un recorrido
de 5.52 mm que es la altura máxima para variar la cámara de combustión
Disponer espacio suficiente para alojar el mecanismo de unión entre el
émbolo y el mecanismo de variación
El gráfico dimensional es indicado en el plano 2.
2.4.1. Cálculo de Embolo.
Para el calculo disponemos de datos como:
Diámetro máximo:
78.07 mm
Como primer paso nos disponemos a calcular la presión máxima que va
a existir en el interior de la cámara de combustión variable, para lo que
utilizaremos los siguientes datos conocidos.
Diámetro del pistón:
75.30 mm
Presión atmosférica:
0.10132 Mpa
K:
1.4
La relación de compresión máxima obtenida de la Tabla 2.1 es de 11:1 ,
que será la que utilizaremos en este calculo.
Solución:
- 88 -
Presión Máxima
Mediante la formula:
Pc = Pa x E k 44
Remplazamos datos:
Pc= 0.10132 Mpa x 11 1.4
Pc máx. = 2.90833 Mpa
Ahora procedemos a calcular la Fuerza máxima generada en el interior
de la cámara de combustión variable.
Fuerza Máxima
F = Presión Máxima x Área de embolo 45
AEMBOLO
AEMBOLO
78.072
4
4786.9428mm
F máx. = 2.90833 Mpa x 4786.9428
F máx. = 13922.0094 N
44
45
Faires, Virgil Moring; Termodinámica ; México Limusa C 1993
Mott, Robert L; Diseño de elemntos de maquinas, 2 ed , México , C 1995
- 89 -
Área de Corte
As = Perímetro x Altura
x h46
As =
x
As =
x 78.07mm x 35 mm
EMBOLO
As = 8584.2 mm2
F
As
13922.0094N
8584.2mm2
1.621Mpa
47
Resistencia al Punto cedente
N 48
Sy
N = Factor de seguridad
Sy = 1.621Mpa x 3
Sy = 4.83 Mpa
46
Mott, Robert L; Diseño de elemntos de maquinas, 2 ed , México , C 1995
47
Mott, Robert L; Diseño de elemntos de maquinas, 2 ed , México , C 1995
Mott, Robert L; Diseño de elemntos de maquinas, 2 ed , México , C 1995
48
- 90 -
Con este valor de la resistencia al punto cedente seleccionamos el
material con la Tabla del Anexo 2 .
El valor mas aproximado a este valor, y tomando en cuenta factores de
temperatura y mecánicos, seleccionamos un valor de Sy mas elevado, de esta
manera tenemos:
Aluminio 1060-O
2.5.
DISEÑO DE MECANISMO DE VARIACIÓN
El mecanismo de variación de todo el conjunto debe tener las siguientes
características.
Aplicar un fuerza de igual magnitud al émbolo para que no exista
movimiento y por ende variación involuntaria del volumen de la cámara de
compresión.
Debe realizar un movimiento suave y periódico para la variación de las
diferentes relaciones de compresión.
Disponer de un mecanismo que permita el manejo y operación desde el
exterior del motor.
Acoplarse fijamente al émbolo de la cámara de combustión.
El gráfico dimensional es indicado en el plano 2
- 91 -
2.5.1. Cálculo Mecanismo de Variación.
Para el calculo utilizamos la presión máxima en la cámara de
combustión ya que es la misma que actúa sobre el embolo y el mecanismo de
variación a una relación máxima calculada de 11:1.
Presión Máxima : 2.909 Mpa
Considerando el diámetro máximo que se dispone para construir y el
roscado de 1.25 mm con una altura rosca de 0.395 mm que se va a disponer el
diámetro del mecanismo de variación es de:
Diámetro Mecanismo de Variación: 78.86 mm
Solución:
Fuerza Máxima
Fuerza = Presión Máxima x Área del Mecanismo de Variación.
AMEC.VARIACION
AMEC.VARIACION
AMEC.VARIACION
d2
4
78.862
4
4884.312mm2
F máx. = P máx. x AMEC.VARIACIÓN
- 92 -
F máx. = 2.909 Mpa x 4884.312 mm2
F máx. = 14208.46 N
Área de Corte
As = Perímetro x altura
La altura se determino considerando la suma de las secciones de corte
por cada rosca, en 11.5 hilos del mecanismo de variación.
As =
x
As=
x 78.86 mm x 17.5 mm
MEC.VARIACIÓN
As = 4335.56 mm 2
F
As
14208.46 N
4335.56mm2
3.277Mpa
Resistencia al punto cedente
- 93 -
x altura
Sy
N
Sy
N
Sy
3.277Mpa 3
Sy
9.8315Mpa
Con este valor seleccionamos en la tabla de materiales del Anexo 2, y
relacionando con el valor obtenido del cálculo del embolo verificamos el
material optimo para la construcción de estos elementos.
Aluminio 1060-O
2.6.
DISEÑO PERNOS DE BASE DE MOTOR
Para sujetar el motor a la base del banco de pruebas es necesario
colocar pernos, los cuales se diseñan a continuación de acuerdo a las
características estructurales del motor.
DATOS
Peso Motor = 22.05 Kg.
Peso Motor
volante de inercia
motor de arranque = 32.272 Kg.
Solución:49
1. Carga por esfuerzo de corte
P = 33.272 Kg.
2. Carga Aplicada
49
Diseño de Maquinas y Herramientas , Mott
- 94 -
Fs
Fs
Fs
p
4
32.272kg
4
8.06kg
3. Momento producido por la fuerza aplicada
M
P d
M
(316 .272 kg 9.8 m
M
39 .53 Nm
s2
4. Radio de Giro
r1
552
2
125
r1 136.56mm
5. Sumatoria de radio de Giro
- 95 -
) 0.125
r2
4(r1) 2
r2
0.07459 m 2
6. Fuerza Longitudinal
Mr1
r2
Fi
Fi
Fi
39.53Nm 0.136m
0.07459m 2
72.075N
7. Descomposición de Fuerzas
tg
tg
55
125
0.44
tg 1 0.44
23.75
90
90
23.75
66.25
- 96 -
Fix = Fi x sen
Fix = 72.075 N x sen 23.75
F1x =69.62 N
F1y = Fi x cos
F1y = 72.075N x cos 23.75
F1y = 65.97 N
8. Sumatoria de fuerzas en el eje Y
Fyt = Fiy
Fs
Fyt = 65.97N
78.988 N
Fyt = 144.95 N
9. Sumatoria de radio de Giro
R1
F 2 yt
R1
145.256 2
R1
F 2 ix
69.92 2
160.81N
10. Selección de material Tabla 19-1 , Anexo 3
Acero ASTM A325 para tornillos cuya tensión permisible ante esfuerzo de corte
121 Mpa
11. Determinación área de corte
R = 160.81 N
- 97 -
As
As
R1
a
160.81N
121Mpa
As 1.329mm 2
12. Determinación del diámetro de perno
D
D
4 As
4 1.329
D 1.300mm
D 0.0512 pu lg
Equivalente a ½ de pulgada de diámetro de perno comercial.
- 98 -
CAPITULO III
CONSTRUCCIÓN Y MONTAJE DE LOS ELEMENTOS
OBJETIVO
El presente capitulo tiene como finalidad dar a conocer el procedimiento de
construcción o elaboración de una cámara de combustión variable.
Para empezar a construir debemos conocer los materiales, herramientas y
los procedimientos mas idóneos para la realización de todo el conjunto
cabezote con cámara de combustión variable. A continuación describimos los
materiales y procesos utilizados.
3.1.
CONSTRUCCIÓN DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN VARIABLE
3.1.1. Materiales Y Herramientas
Aluminio
Cobre
Torno
Contrapunto
Cuchilla ( interiores, exteriores)
Calibrador de Roscas
Calibrador Pie de Rey
Moleteadora
- 99 -
Fresadora CNC
Elementos de Sujeción en Fresadora
Sistemas computalizados CAD/CAM
Red Informática o Disckets
Terraja
Acero ( varilla )
3.1.2. Procedimientos
Transformación de datos de A – CAD a un sistema CAM de
coordenadas
Transmisión de coordenadas a maquina herramienta CNC
Fresado por Control Numérico Computalizado
Cilindrado Torno
Roscado Torno
Moletado Torno
Para elaborar la cámara de combustión se debe tener en cuenta los
parámetros que limitan su diseño, como se indica en el capitulo II.
Para la fabricación de la cámara de combustión variable , tomando en
cuenta que es un elemento que necesita precisión y de diseño complejo , es
viable utilizar sistemas computarizados que nos ayudaran a conseguir el diseño
con menor margen de error dimensional y un proceso de maquinización del
material rápido .
- 100 -
Los sistemas son utilizados conjuntamente para su mejor comprensión
se detalla la utilización generalizada de los mismos
CAD/CAM, proceso en el cual se utilizan los ordenadores o
computadoras para mejorar la fabricación, desarrollo y diseño de los productos.
Éstos pueden fabricarse más rápido, con mayor precisión o a menor precio,
con la aplicación adecuada de tecnología informática.
Los sistemas de Diseño Asistido por Ordenador (CAD, acrónimo de
Computer Aided Design) pueden utilizarse para generar modelos con muchas,
si no todas, de las características de un determinado producto. Estas
características podrían ser el tamaño, el contorno y las formas de cada
componente, almacenadas como dibujos bi y tridimensionales. Una vez que
estos datos dimensionales han sido introducidos y almacenados en el sistema
informático, el diseñador puede manipularlos o modificar las ideas del diseño
con mayor facilidad para avanzar en el desarrollo del producto.
Además, pueden compartirse e integrarse las ideas combinadas de
varios diseñadores, ya que es posible mover los datos dentro de redes
informáticas, con lo que los diseñadores e ingenieros situados en lugares
distantes entre sí pueden trabajar como un equipo. Los sistemas CAD también
permiten simular el funcionamiento de un producto. Hacen posible verificar si
un circuito electrónico propuesto funcionará tal y como está previsto, si un
puente será capaz de soportar las cargas pronosticadas sin peligros e incluso
si una salsa de tomate fluirá adecuadamente desde un envase de nuevo
diseño.
Cuando los sistemas CAD se conectan a equipos de fabricación también
controlados por ordenador conforman un sistema integrado CAD/CAM (CAM,
acrónimo de Computer Aided Manufacturing).
La Fabricación Asistida por Ordenador ofrece significativas ventajas con
respecto a los métodos más tradicionales de controlar equipos de fabricación
- 101 -
con ordenadores en lugar de hacerlo con operadores humanos. Por lo general,
los equipos CAM conllevan la eliminación de los errores del operador y la
reducción de los costes de mano de obra. Sin embargo, la precisión constante
y el uso óptimo previsto del equipo representan ventajas aún mayores. Por
ejemplo, las cuchillas y herramientas de corte se desgastarán más lentamente
y se estropearían con menos frecuencia, lo que reduciría todavía más los
costes de fabricación. Frente a este ahorro pueden aducirse los mayores
costes de bienes de capital o las posibles implicaciones sociales de mantener
la productividad con una reducción de la fuerza de trabajo. Los equipos CAM
se basan en una serie de códigos numéricos, almacenados en archivos
informáticos, para controlar las tareas de fabricación. Este Control Numérico
por Computadora (CNC) se obtiene describiendo las operaciones de la
máquina en términos de los códigos especiales y de la geometría de formas de
los componentes, creando archivos informáticos especializados o programas
de piezas. La creación de estos programas de piezas es una tarea que, en gran
medida, se realiza hoy día por software informático especial que crea el vínculo
entre los sistemas CAD y CAM.
Conociendo los sistemas computarizados utilizados, se describe los
pasos que se debe realizar para la elaboración de un elemento en una
herramienta que esta comandada por un sistema CNC.
3.1.3. Procedimiento de Construcción
a.- Primer Paso
Dibujo de la pieza en 3D
Elaborar el diseño de la cámara en un sistema A- CAD 3D en el que se
debe dibujar con los datos dimensiónales del mismo, utilizando opciones que
permitan obtener un sólido en tres dimensiones.
- 102 -
b.- Segundo Paso
Transformación de datos dimensionales a coordenadas xyz.
Este proceso se lo realizo con la colaboración
del propietario de la Fresadora CNC (control
numérico computarizado), para transformar los datos
se necesita en sistema CAM el cual transforma los
datos dimensionales que fueron dibujados en el
paso uno para convertirlos en un programa que
permitirá a la Fresadora CNC empezar su trabajo.
Un ejemplo sencillo de elaboración de este tipo de piezas , es indicarle a
la máquina que mueva la herramienta describiendo un cuadrado de 10 mm por
lado se le darían los siguientes códigos:
G90 G71
G00 X0.0 Y0.0
G01 X10.0
G01 Y10.0
G01 X0.0
G01 Y0.0
- 103 -
Estos códigos anteriores son los que limitaran el contorno, profundidad
de la pieza y gracias al sistema CAD/CAM se logro una lista de códigos que
nos permitieron elaborar la cámara de combustión variable.
El programa ejecutado en coordenadas para la construcción del
cabezote es el siguiente:
PROGRAMA
BEGIN
TOOL
PGN
CALL
2
MM
1
(Número de)
Z
TOOL
S = 600
DEF
1
L=0
R=5
LX
38,702 Y
O
RO – F 250 Mo3
LZ – 35 mm
LX 101,790 YO
CC X 106
YO
CX
74,273
Y
108,898
LX
55,228
Y
116,934
CC X 46,050
Y
75,950
CX
8,632
CC X 45,350
Final C X 38,702
Y
56,872
Y
39,900
YO – R +
- 104 -
c.- Tercer Paso
Llevar los datos en coordenadas que se realizo en CAM y llevarlos por medio
de un disco o red a la maquina CNC y poder hacer correr el programa para la
elaboración de la pieza en este caso la cámara de combustión variable .
En la figura siguiente se indica el panel de control de una maquina CNC , en la
cual se puede modificar medidas antes de elaborar la pieza reconfigurando en
programa del sólido a construir.
1. Pantalla
2. Control de la Maquina Manual
3. Sistema de Parada
- 105 -
Figura 3.1 Pantalla de Control Fresadora CNC
d.- Cuarto Paso
El programa o secuencia para la elaboración de la pieza esta listo, ahora
debemos empezar a preparar el material tomando en consideración las
dimensiones del diseño a construir, de esta manera se procede a Fundir
Aluminio y elaborar un bloque que tenga el espacio suficiente para el
maquinado de la cámara de combustión.
El bloque de aluminio que debe elaborarse debe ser con dimensiones
mayores al alto, ancho, largo del diseño de esta manera este debe ser mayor a:
Alto:
98 mm
Ancho:
17 mm
Largo:
160 mm
Considerando estas medidas se procede a Fundir el materia ( Aluminio ) :

Elaboración molde de arena
Para fundir el aluminio se debe tener listo en molde en el cual se va a
depositar el material, se procede a realizar un molde en arena con las medidas
que se tomaron como punto de partida en este paso.
- 106 -
Molde en
Arena
Caja
Madera
Figura 3.2 Molde de Arena
En la caja de arena se limita las dimensiones del bloque de aluminio que
posteriormente se va a trabajar.

Fundir Aluminio
Para este proceso se requiere utilizar la Fragua
la cual esta dispuesta de un mecanismo de gas que
permite elevar el metal a temperaturas superiores a
los 1000 º C, donde se deposita material de aluminio
para llegar a obtener de estos cuerpos una masa
liquida de aluminio.
Debido a la elevada temperatura que existe el aluminio pasa de estado
sólido a un estado liquido, la calidad de la fundición de aluminio depende de la
calidad de metal se coloco a fundir , es por eso que se debe tener la
- 107 -
precaución de colocar material de calidad de a cuerdo a las piezas y el trabajo
que va a desarrollar esta.

Colocar material en molde
Después del proceso de fundición del aluminio en la fragua y tener en
estado liquido el material se procede cuidadosamente a depositar el aluminio
en liquido en el molde de arena que se elaboro anteriormente, y gracias a la
propiedad de la arena de hermeticidad el aluminio se estabiliza y se vuelve a
un estado sólido como característica inicial del material.
fragua
Figura 3.3 Fragua

Obtención de material para maquinización
El material que se obtuvo según las especificaciones de dimensión
dadas en el primer paso, la pieza o cubo nos queda de la siguiente manera .
- 108 -
Bloque
aluminio
Figura 3.4 Material Base
e.- Quinto paso
Llevar el bloque de aluminio a la Fresadora CNC , centrar y fijar la pieza
en la bancada principal , para luego correr el programa y obtener es diseño que
anteriormente se los dibujo en el programa A-CAD 3D .
1
2
Figura 3.5 Trabajo Inicial
1: Herramientas de Fijación de la pieza en bancada principal
2: Bancada Fresadora; tiene un dispositivo que posee un imán que fija
las piezas en la bancada .
- 109 -
f.- Sexto Paso
Una vez que la Fresadora CNC realiza su trabajo la pieza elaborada
presenta el siguiente aspecto como se indica en la figura siguiente, inclusive los
agujeros para los pernos de sujeción fueron elaborados por la Fresadora.
Cámara
variable
Cámara
Fija
Figura 3.6 Cámara Terminada
g.- Séptimo Paso
Como se puede observar en el gráfico anterior se tiene solo una parte de
la cámara de combustión, aquí esta la sección de la cámara que va a ser fija y
en la otra en la que se va a colocar un pistón que tiene como finalidad recorrer
el cilindro, consiguiendo de esta manera variar el volumen de la cámara ce
combustión, la construcción del embolo se la describe el siguiente Tema
(Construcción del embolo)
Nota: Las dimensiones del cuerpo son indicadas en el Plano 1 referente al
mecanizado del cabezote con las del estudio realizado.
3.2. CONSTRUCCIÓN DEL EMBOLO
- 110 -
Siguiendo las consideraciones tomadas en el
diseño del embolo o pistón, a continuación se
describe en pasos que se siguieron para la
construcción de esta pieza
3.2.1. Procedimiento
a.- Primer Paso
Como se explico en el tema de construcción de la cámara de
combustión, el procedimiento que se sigue como inicio es la utilizar los
sistemas computarizado CAD/CAM que es de gran ayuda para la elaboración
de esta pieza de una manera precisa, para luego realizar el programa que se
ejecutara para realizar el embolo.
b.- Segundo Paso
Ahora se obtuvo el material base para proceder a trabajar, siguiendo los
mismos procedimientos del tema anterior, es así que debemos: elaborar el
molde en arena, para luego fundir el aluminio en la fragua obteniendo aluminio
en estado liquido el cual será depositado en el molde previamente construido,
ya obtenido el material se centrara en la Fresadora CNC para ejecutar el
programa que seguirá construyendo la pieza cilíndrica.
Cabe acotar que el cilindro debe poseer una perforación en forma de
chaveta que servirá para la limitación del desplazamiento del pistón y de esta
manera limitar el volumen que se va a variar en la cámara de combustión, el
cual estará a 27mm de la base del embolo y con una longitud de 13.05 mm,
espesor 6.05 mm y una profundidad de 2.03 mm
- 111 -
c.- Tercer Paso
Una vez obtenido el cuerpo cilíndrico se procede a realizar el chaflán
que estará en proporción con la altura de la cámara fija ( 6.5 mm ) y a un
ángulo de (x) 135 º lo que permitirá un mejor turbulencia de los gases dentro de
la cámara de combustión.
Limita la
carrera
del embolo
Embolo
Chaflán
Figura 3.7 Chaflán y Limitador de Carrera
El chaflán se lo realiza en la Fresadora CNC , limitando su perímetro ya
que no se realiza en todo el perímetro de la circunferencia ya que los gases
van a chocar en el embolo en 165 º de los 360 º de la circunferencia .
Angulo
165º
Chaflán
Figura 3.8. Chaflán a 135 º
- 112 -
e.- Cuarto Paso
Como recordaremos el embolo tiene la misión de hermetizar la presión
generada en la cámara de combustión, es por eso que se dispone de dos rines
de vehículo (Chevrolet Corsa 1.4 MPFI) los cuales son de un pistón que tiene el
diámetro similar al embolo mecanizado, para los que se va colocar en el
embolo con una abertura entre puntas de 6.2 mm.
Al poseer una altura del segmento de 1.2 mm , se construye dos canales
en el embolo para alojar sus respectivos rines , este trabajo se lo realiza en un
torno paralelo , tomando en cuenta el espacio que existe entre la cabeza del
pistón con chaflán , el recorrido máximo y mínimo del embolo y la perforación
del chavetero de esta manera se coloca los segmentos con una separación de
1.5 mm ya que el espacio que se dispone para colocar los segmentos es de
7.45 mm de altura ,de los cuales 1.56 mm ( 1/16” ) corresponde a la distancia
comprendida entre la cabeza del pistón y el primer segmento ( H Crouse ,
Motores Automóvil Pág. 135 ) , mas la altura de los rines de 1.2 mm , con estos
valores y recomendaciones los segmentos quedan uniformemente distribuidos .
Una vez señalados las alturas correspondientes para realizar los canales
de los segmentos se procede a centrar el embolo en el mandril del torno
paralelo, de esta manera una vez sujeta la pieza se procede a prepara la
cuchilla la que debe ser para dejar una superficie rectangular; así se procede a
tornear estos canales con una profundidad no mayor a 1/3 del espesor del
segmento.
De esta manera se concluye la elaboración del pistón y sus mecanismos
de hermetización de fugas de compresión y de la limitación de la carrera para
variar el volumen en la cámara de compresión variable, quedando como se
indica en la figura siguiente.
- 113 -
Segmentos
Figura 3.9 Embolo Terminado
Nota El grafico dimensional con referencia al embolo esta indicado en el
Plano 2.
3.3. CONSTRUCCIÓN DEL MECANISMO DE VARIACIÓN DE LA
CÁMARA
En este tema se vuelve a usar la pieza elaborada en el tema
“construcción de la cámara de combustión variable” en el cual se encuentra un
cilindro hueco en el que una parte esta ocupada por el embolo y la otra que va
a ser el mecanismo de variación en este caso el mecanismo es por medio de
una rosca triangular.
La rosca que debemos fabricar es de 1.75 en un espacio de 20 mm ,
para lo que debemos proceder a realizar los siguientes pasos :
3.3.1. Procedimiento de Construcción
a.- Primer Paso
Centrar el cabezote en el mandril del torno, sujetarlo y verificar el eje del
contrapunto este el centro del cilindro hueco .
Colocar la cuchilla para trabajos de interiores y preparar la maquina para
realizar una rosca de 1.75 mm
- 114 -
Encender el torno y verificar a cada pasada de la cuchilla la profundidad
de la rosca , realizar varias pasadas hasta que la profundidad de la rosca sea la
adecuada , verificando con el calibrador de roscas (rosca 1.75 )
En la construcción de este mecanismo se vuelve a repetir los pasos de
obtención del material y construcción del molde en arena para poder trabajar el
mecanismo de variación; se describe a continuación los pasos necesarios para
realizar esta pieza.
b.- Segundo Paso
Obtener un cuerpo cilíndrico tomando en cuenta las consideraciones
acotadas en el capitulo anterior, en esta pieza la parte que va a sobresalir del
cabezote, no tiene especificación de altura , motivo por el cual no existe calculo
especifico para esta pieza; cabe señalar que el molde en arena para la
realización de este cuerpo no tiene las dimensiones que se necesita , además
la fundición se la realizo conjuntamente con la de embolo que conforma el
mecanismo.
c.- Tercer Paso
Con el material listo para ser trabajado en el torno se procede a :
Centrar y sujetar la pieza en el mandril del torno, utilizando además el
contrapunto ya que al realizar roscas se necesita una alta precisión en el
trabajo.
Cilindrar la pieza ya que después de la fundición no se obtuvo dimensiones
exactas , verificando que el diámetro exterior sea igual al diámetro del
cilindro mas 1.51 mm que corresponde a la altura h de la rosca que se
realizo en el cabezote .
- 115 -
Colocar la herramienta de corte para trabajos exteriores (cuchilla) centrarla
a la pieza cilíndrica.
Tener en cuenta que el espacio diseñado para realizar el roscado se limita a
20mm de la pieza cilíndrica .
Preparar el torno y dar comienzo al roscado exterior ; verificar la
profundidad de la rosca con el calibrador de roscas ( rosca 1.75)
d.- Cuarto Paso
Al disponer de la herramienta de moleteado y la pieza centrada y lista para
el trabajo se procede a moletear .
Del paso tres dejamos centrada la pieza cilíndrica, sacamos la herramienta
de corte (cuchilla) para colocar la herramienta de moletear en la bancada
móvil.
Preparamos el torno quitando las posiciones para roscar y colocando en las
posiciones de cilindrar.
Encendemos el torno y acercamos la herramienta de moletear a la pieza, la
altura de trabajo es a partir del último hilo de la rosca hasta que se termine
la longitud de la pieza cilíndrica.
- 116 -
Figura 3.10 Moleteado 50
En la figura anterior se indica como trabaja el moleteadora con relación a
la pieza cilíndrica.
Dentro del mecanismo de variación el embolo, debemos dotar a este
sistema un mecanismo de sujeción entre ambos cuerpos, manera por la cual se
construye un perno de ajuste entre estos dos elementos.
El perno va dispuesto de una parte roscada y de otra cilíndrica, la
cabeza del mismo es hexagonal ya que es el mecanismo mas apropiado para
este apriete, la finalidad de este es apretar el embolo y mantenerse fijo al
movimiento de rotación del mecanismo de rosca y asegurar el desplazamiento
del embolo, para la construcción de este perno debemos utilizar el torno para
cilindrar, roscar y moletear como en los pasos anteriores.
50
Mecánica de Taller, CULTURAL SA
- 117 -
Además que se debe trabaja nuevamente en el embolo y en el mecanismo
de variación así:
Perforar el embolo con una profundidad 27 mm , con un diámetro de 7.94
mm
Realizar la rosca interna es el orificio anterior, usando una terraja ya que el
diámetro es muy limitado y no se puede trabajar cómodamente en el torno ,
la rosca es de 3/8” .
Luego en el mecanismo de variación se realiza una perforación que pasa
por toda la longitud del mecanismo la cual se debe perforar completamente
con un diámetro de 13 mm y posteriormente la sección del moleteado se
perfora en su centro un diámetro de 26 m con una profundidad de 21.05 mm
Siendo los alojamiento del perno que se construirá posteriormente.
Es así que debemos realizar los siguientes pasos para realizar el perno.
Seleccionar un tubo sólido de ¾” para realizar el perno.
Montar en el torno, centrar y colocar la herramienta de corte para proceder
a cilindrar la varilla.
Con las dimensiones indicadas en el plano 2 , se realiza el cilindrado de 28
mm de longitud , dejando el espacio de la cabeza hexagonal de 19 mm de
diámetro .
Por ultimo realizar el roscado de 3/8” en una longitud de 16 mm
Realizar la cabeza hexagonal.
- 118 -
Perno de
ajuste
Roscado
exterior ( 1.75)
Zona
moleteada
Figura 3.11 Mecanismo de Variación
En la gráfica anterior se indica el trabajo elaborado en la pieza cilíndrica ,
su moleteado , su rosca y el respectivo perno de apriete de todo el mecanismo
de variación.
Nota El gráfico dimensional con referencia al mecanismo de variación
esta indicado en el Plano 2.
Una vez concluido estos trabajos se procede a ensamblar los cuerpos
construidos para luego poder ensamblar en el motor monocilíndrico.
Figura 3.12 Cabezote con cámara variable
- 119 -
En la gráfica anterior se ilustra en conjunto armado del mecanismo
cabezote con cámara de combustión variable.
El conjunto armado del cabezote con cámara de combustión
variable esta indicado en el Plano 3.
3.4. CONSTRUCCIÓN DEL PANEL DE INSTRUMENTOS
Antes de construir un panel de instrumentos para el banco de pruebas,
se tomo en cuenta los parámetros a registrarse con relación a los instrumentos
necesarios y que se dispongan en el mercado a precio accesible.
Con lo que se toma en consideración los siguientes parámetros a medir,
también los instrumentos de operación.
Consumo especifico de combustible.
Temperatura de Admisión.
Temperatura de Escape.
Temperatura de Explosión.
Torque.
Revoluciones de Motor
Encendido arranque de motor
Encendido electro ventilador
3.4.1. Consumo especifico de combustible
Para la medición de este parámetro se utiliza una bureta graduada,
llaves de paso, filtro que en conjunto formamos un circuito de alimentación de
combustible que el cual con la ayuda de un cronometro podemos registrar el
consumo de combustible (centímetro cúbicos o mililitros) en relación del tiempo
(segundos) que se lo determinara en las practicas a realizarse.
- 120 -
ESQUEMA :
Figura 3.13 Circuito de Combustible
- 121 -
3.4.2. Temperatura de Admisión
La temperatura de admisión es registrada por un termómetro digital el
cual se encuentra ensamblado con una termocupla de –50 º C a + 50º C ,
rango suficiente para la temperatura a tomar.
La termocupla es colocada en el ducto de admisión y el reloj digital en el
panel de instrumentos.
ESQUEMA:
Vista Frontal Termocupla
- 122 -
Vista posterior termocupla
Figura 3.14 Circuito Temperatura Admisión
3.4.3. Temperatura de escape y explosión
Para registrar temperaturas mas altas como son las de escape y de
explosión se utiliza dos termocuplas tipo K acopladas en el ducto de escape y
en el cabezote respectivamente ; el registro se lo realiza por medio de un reloj
digital industrial que registra temperaturas de –1200 º C a + 1200 º C , rango
optimo para temperaturas aproximadas de 350 a 400 º C del escape y
cabezote , este instrumento necesita alimentación de corriente alterna con una
rango de 80 a 250 voltios para lo cual se conecta un interruptor para 110
Voltios CA .
El instrumento según fabricante debe ser usado para el registro de
temperatura para una sola termocupla, pero por el costo de la misma se
modifico el circuito de entrada de señales de temperatura, colocando un
conmutador que nos ayudara a registrar la temperatura de dos lugares
- 123 -
diferentes con la termocupla (T1) colocada en el ducto de escape y la (T2)
colocada en el cabezote.
Esquema :
Conexión Termocuplas
- 124 -
Reloj Digital Temperatura
Figura 3.15 Circuito Temperaturas Escape y Cabezote
3.4.4. Torque
La medición de este parámetro es importante para comprender el
funcionamiento del motor para lo cual se provee al banco de pruebas un freno
mecánico de mordaza pastilla aplicada al volante de inercia lo cual permitirá la
disminución de giros o revoluciones directamente al cigüeñal ; la medición de
esta fuerza se la realiza mediante la colocación de un manómetro de presión
de 0 a 350 PSI en la línea de paso de liquido hidráulico entre la bomba de ¾” y
la mordaza de freno , con esta disposición se registrara la presión que se
ejerce en la palanca o pedal de freno que es aplicada manualmente ; con este
dato y conociendo las dimensiones de los émbolos de tanto de la bomba como
de la mordaza se convierte la presión del manómetro en fuerza aplicada en el
volante de inercia .
Ahora se multiplicara por la distancia del brazo de palanca que en este
caso es el pedal de freno y obtendremos el torque del motor del banco de
pruebas .
- 125 -
Esquema:
Brazo de Palanca y Bomba
- 126 -
Manómetro de Presión
Mordaza de Frenado
- 127 -
Figura 3.16 Circuito de Frenado
3.4.5. Revoluciones de Motor
Para el registro de revoluciones en este tipo de motores se requiere de
equipos especiales en la comprobación de los mismos , motivo por el cual se
busco y analizo otros sistemas de registro de revoluciones , para lo cual se
designo colocar un tacómetro mecánico el cual es accionado por medio una
cadena que gira en sentido contrario al motor ; este sistema se lo encuentra
conectado en motocicletas, la colocación de este fue directamente al eje de
cigüeñal un lado de la cadena y al otro un tacómetro mecánico que nos registra
las revoluciones del motor .
Por el sentido de giro del cigüeñal e instrumento es colocado en la parte
anterior del motor en el banco de pruebas , ya que al contrario el tacómetro no
funcionaria.
Esquema:
Figura 3.17 Tacómetro Revoluciones
- 128 -
3.4.6. Encendido Arranque de Motor
Se coloca un swich de encendido para vehículos encendidos por una
fuente de alimentación de 12 voltios (batería) en el panel de instrumentos,
originalmente el motor Briggs & Stratton en este modelo el encendido es
manual por acción de una cuerda , por motivos de facilicitacion del encendido
se coloco un motor de arranque en la parte posterior del eje del cigüeñal ,
cuidando siempre del sentido de giro del motor y de acoplar los engranes del
bendix y del volante de inercia.
Esquema:
3.18 Circuito Swich Encendido y electro ventilador
- 129 -
3.4.7. Encendido Electro ventilador
Se provee de un electro ventilador debido a que el motor originalmente
se refrigera por medio de aletas y una carcasa que direcciona el flujo de aire ,
por la construcción de el cabezote esta carcasa fue suspendida y fue motivo de
la aplicación de un mecanismo externo para el enfriamiento del conjunto motor
, el interruptor de dos posiciones es conectado de la salida del swich de
encendido ( accesorios ) para el funcionamiento del electro ventilador como se
indica en el esquema anterior.
3.19 Electro ventilador
- 130 -
Ahora conociendo todos los instrumentos a utilizar en el banco de
pruebas se procede a distribuir en el tablero como se indica en el gráfico
siguiente
Figura 3.19 Tablero de instrumentos
3.5. Montaje y puesta a punto del banco de pruebas
La finalidad de construir el banco de pruebas es el de visualizar cada
uno de los instrumentos de medida, y demás controladores para el óptimo
funcionamiento del cabezote; para lo cual debemos estudiar la construcción de
un armazón o estructura metálica para soportar el motor en si más los
instrumentos de medida.
- 131 -
Una vez que ya hemos realizado el estudio de la estructura metálica
como las bases en la cual se alojará el motor es necesario determinar unos
pasos necesarios tanto para el montaje como la puesta a punto del banco de
pruebas.
3.5.1. Montaje de materiales e instrumentos
1. Montar los instrumentos y sistemas adicionales para el funcionamiento
del banco de pruebas , como el sistema de escape, admisión , de
frenado y de refrigeración.
Figura 3.21 Montaje de Sistemas Adicionales
2. Montar el motor armado con el motor de arranque, sobre las bases que
según el constructor envía con cuatro orificios a los extremos teniendo
- 132 -
en cuenta el estudio de pernos que realizamos en el capítulo II, sección
2.6 que son cuatro pernos de cabeza ½ ´´ x 1 ½ ´´.
Figura 3.21 Montaje de base de Motor
3. Colocamos el motor sobre las bases de caucho debido a que queremos
disminuir vibraciones en el banco de pruebas y debemos dar un torque
máximo de 20 psi para asegurar los pernos a esta base.
- 133 -
Figura 3.22 Montaje de motor sobre bases
4. Para afianza la base de la estructura que servirá de apoyo para todo el
conjunto debemos utilizar pernos de la misma cabeza tal cual como nos
indica el estudio de pernos ½ ´´ y 1 ½ ´´ colocamos según la disposición
de huecos y demás.
5. Construiremos una caja metálica para evitar que alambres, cañerías,
llaves y acoples queden sueltos en la parte posterior para lo cual lo
realizaremos de tol esto con el fin de hacer inviolable cada uno de los
instrumentos de medidas y demás
- 134 -
6. Para la ubicación de cada instrumento de medida debemos cuidar la
distribución en el tablero para que cada cable y cañería corresponda al
lado del cual se obtendrá la muestra o medida que influye en datos para
la obtención de resultados.
7. Según la distribución de instrumentos que hemos realizado tendremos la
disponibilidad de poner los instrumentos de medidas.
Figura 3.23 Caja metálica con los instrumentos de medición
- 135 -
8. Puesta a punto.-
1. Verificar las conexiones eléctricas y de mangueras como también
niveles de fluidos de combustibles y carga de batería.
2. Calibrar las agujas del carburador.
3. Verificar el swich de parada
4. Verificar el sangrado del sistema de frenado
5. Abrir las llaves de combustibles
6. Arrancar el motor.
- 136 -
CAPITULO IV
PRUEBAS
Objetivo:
El presente capitulo tiene como finalidad explicar experimentalmente el
funcionamiento del Banco de Pruebas con cámara variable y determinar el
comportamiento del motor Brigss & Stratton en las diversas posiciones del
mecanismo de variación de la cámara.
Las pruebas que se describen a continuación están detalladas en guías de
laboratorio para una mejor comprensión del funcionamiento del motor y de los
instrumentos de comprobación.
- 137 -
PRACTICA MOTORES
PRACTICA Nº 1
TEMA: Determinación de la relación de compresión y eficiencia del motor
monocilíndrico en función del desplazamiento del pistón por vuelta o fracción
de vuelta del mecanismo de variación.
OBJETIVO
Encontrar la relación de compresión máxima y mínima; además de determinar
la eficiencia del motor de acuerdo a la variación del mecanismo por vuelta.
TEORIA.
RELACIÓN DE COMPRESIÓN
La relación de compresión de un motor nos da el nivel de compresión que se
somete la mezcla en el interior del cilindro.
Para calcularlo se divide el volumen de aire contenido en el cilindro cuando el
pistón esta en el PMI por el volumen que ocupa al pasar el pistón en el PMS.
Es así que :
Vh Vc
Vc
- 138 -
de donde :
Vh = volumen de cilindro del PMS al PMI ( cilindrada motor)
Vc= volumen de la cámara de combustión
EFICIENCIA MOTOR
La eficiencia es la cantidad en porcentaje que un motor desempeña
de acuerdo a la relación de compresión de un motor.
Para su calculo observemos la gráfica característica P-V
Calculemos a continuación el rendimiento de este ciclo teórico. Para ello
usaremos el concepto de ciclo de aire equivalente. Con ello queremos decir
que supondremos que el fluido de trabajo es un gas perfecto (aire) que se hace
seguir el ciclo y cuyas propiedades termodinámicas se mantienen constantes a
lo largo de él. Esta es una simplificación, pues en realidad las propiedades
termodinámicas de la mezcla y gases de combustión son diferentes. Sin
embargo la simplificación permite sistematizar mejor el estudio del ciclo.
- 139 -
El ciclo teórico tiene las siguientes particularidades:
Evoluciones:
• La evolución (0-1) (admisión) y (1-0) (expulsión de gases) son teóricamente
ambas a presión atmosférica. Como se recorren en sentidos opuestos, se
anulan.
• La combustión (2-3) y la apertura válvula de escape (4-1) se suponen ambas
como evoluciones isócoras (a volumen constante).
• La compresión (1-2) y la expansión o carrera de trabajo (3-4) se suponen
adiabáticas sin roce. Es decir DQ12 = 0 y DQ34 =0.
Rendimiento:
otto 1
Qced
Qabs
Qced
Cv T 4 T1
Qabs
Cv T 3 T 2
donde :
otto 1
T 4 T1
T3 T2
- 140 -
Sacando factor común T1/T2 para referir a compresión de base :
T1
T2
otto 1
T 4 T1 1
T3 T2 1
Considerando que (1-2) y (3-4) son adiabáticas sin roce :
1
T 1 V 11
T 4 V4
1
T 2 V 22 1 (1)
T 3 V3
1
(2)
Dividiendo (2)/(1)
1
T 4 V4
T1 V1
1
T 3 V3
T 2 V2
1
1
Como V4=V1=Vmax y V2=V2=V min., se tiene que :
T4
T1
T3
T2
de donde :
otto 1
T1
T2
1
V2
V1
1
1
V1/V2 = E = relación de compresión
R = constante es igual que K
- 141 -
1
V1
1
1
V2
1
otto 1
1
E 1
EQUIPO UTILIZADO.
BANCO DE PRUEBAS:
MONOCILINDRICO CÁMARA
VARIABLE
MOTOR:
INSTRUMENTOS
Nº Cilindros
=1
Diámetro
= 75.30 mm
Carrera
= 61.00 mm
Cilindrada
= 271.65 cc
Diámetro embolo
= 79.90 mm
Paso Rosca
= 1.75
Jeringuilla Graduada
Aceite motor ¼
PROCEDIMIENTO.
1) Desmontaje de cabezote con cámara de combustión variable del motor .
2) Poner el cabezote en una superficie plana y nivelada
3) Señalar la el mecanismo de variación, dividiendo la circunferencia que este
mecanismo genere en cuatro partes iguales, además de señalar un punto
fijo en el cabezote el cual nos servirá como referencia.
4) Colocar el émbolo en el punto inferior, girando el mecanismo de variación
hasta que todo el conjunto este en la parte mas baja.
- 142 -
5) Ahora utilizando una jeringuilla graduada , conjuntamente con el aceite del
motor , verter el aceite hasta que la cámara de combustión quede
completamente llena .
6) Tabular el volumen que esta en la cámara de combustión variable en la
posición mas baja del mecanismo.
7) Girar el perno o mecanismo hasta alinear las marcas en un cuarto de vuelta
.
8) Medir el volumen nuevamente y tabular estos datos
9) Repetir este procedimiento hasta llegar al punto muerto superior del perno o
mecanismo de variación .
10) Tabular los datos tomados de la practica anterior
11) Montaje del cabezote en el motor
TABULACION DE DATOS
Vh = 271.649 cc
K = Constante de aire Cp/Cv ( 1.4)
- 143 -
TABULACION DE DATOS
- 144 -
Nº
Vuelta
Vol
Cámara
( cm3)
E
elevado (
rel compr
K-1)
1
1
K
1
%
0
0
21
13.936
2.868
0.6514
65.14
1
¼
22
13.348
2.819
0.6453
64.53
2
½
24
12.319
2.730
0.6338
63.38
3
¾
26
11.448
2.652
0.6229
62.29
4
1
28
10.702
2.581
0.6125
61.25
5
1¼
31
9.763
2.488
0.5981
59.81
6
1½
33
9.232
2.433
0.5890
58.90
7
1¾
35
8.761
2.382
0.5803
58.03
8
2
37
8.342
2.336
0.5719
57.19
9
2¼
39
7.965
2.293
0.5640
56.40
10
2½
43
7.317
2.217
0.5489
54.89
11
2¾
45
7.037
2.182
0.5418
54.18
12
3
47
6.780
2.150
0.5349
53.49
13
3¼
48
6.659
2.135
0.5316
53.16
14
3½
50
6.433
2.106
0.5251
52.51
15
3¾
53
6.125
2.065
0.5157
51.57
16
4
55
5.939
2.039
0.5096
50.96
17
4¼
56
5.851
2.027
0.5067
50.67
18
4½
57
5.766
2.015
0.5038
50.38
34
8.990
2.407
0.5846
58.46
O RI ST D
EJEMPLO PARA TEST N º 5
Posición:
Vuelta:
Nº 5
1¼
1. Relación de compresión
Vh Vc
Vc
- 145 -
Reemplazamos:
271.649 31
31
9.763
2. Eficiencia Motor
1
1
k 1
1
9.7631.4
0.5981
1
1
59.81%
GRAFICOS
1) Vuelta vs Volumen Cámara.
2) Vuelta vs Relación de Compresión.
3) Relación
de
Compresión
- 146 -
vs
Eficiencia
Motor
.
Curva Vuelta vs Vcc
70
60
Volumen variable cc
50
40
30
20
10
0
0
¼
½
¾
- 147 -
1
1¼
1½
1¾
2
2¼
2½
Vuelta o fraccion
2¾
3
3¼
3½
3¾
4
4¼
4½
Curva vuelta vs relacion de compresion
16,0
14,0
Relacion de Compresion
12,0
10,0
8,0
6,0
4,0
2,0
,0
0
¼
½
¾
1
- 148 -
1¼
1½
1¾
2
2¼
Vuelta
2½
2¾
3
3¼
3½
3¾
4
4¼
4½
curva relacion de compresion vs eficiencia
70,00
60,00
50,00
eficiencia
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
relacion de compresion
- 149 -
ANALISIS DE RESULTADOS.
1) Volumen De cámara de combustión.
El volumen de la cámara aumenta en relación del número de vueltas o fracción,
es decir que a mas vueltas giremos el mecanismo de variación se obtendrá
mayor volumen en unidades cúbicas en la cámara variable.
El valor mínimo de volumen en la cámara de combustión variable es 21
centímetros cúbicos a cero (0) vueltas del mecanismo de variación; el valor
máximo es 57 centímetros cúbicos a 4 vueltas y media del mecanismo de
variación.
2) Relación de Compresión.
La relación de compresión decrece de acuerdo al numero de vueltas o fracción,
es decir a mas vueltas giremos el mecanismo de variación obtendremos una
relación de compresión mas baja.
El valor mínimo es de 5.766: 1 cuando el mecanismo de variación esta a cuatro
vueltas y media; el máximo valor es de 13.936 :1 , cuando el mecanismo de
variación esta es su punto inicial cero (0 ) .
3) Eficiencia de Motor.
La eficiencia del motor es proporcional al aumento de la relación de compresión
, lo que quiere decir a mayor relación de compresión se obtendrá una mejor
eficiencia del motor expresada en porcentaje.
El valor mínimo es de 5.766: 1 con un eficiencia de 50.38 %; y el valor máximo
es 13.936 con una eficiencia de 65.14%.
- 150 -
CONCLUSIONES
Con esta práctica se demuestra que a mayor numero de vueltas que se
realice en el mecanismo de variación, se obtiene mayor volumen de la
cámara de combustión, lo que repercute a que la relación de compresión y
la eficiencia del motor disminuya.
Se observa que a cada giro del mecanismo se tiene una variación en el
volumen de la cámara de combustión ya que por medio del mecanismo
rosca perno podemos variar la altura de la cara del embolo.
Se compara las curvas elaboradas con datos reales (color azul) con las
teóricas (color rojo) en cada grafica, demostrando la similitud de estas.
RECOMENDACIONES
Desmontar cuidadosamente el cabezote con cámara de combustión
variable del banco de pruebas
Medir adecuadamente, girando el mecanismo alineando los puntos entre el
cabezote y mecanismo de variación.
Tapar el block del motor, ya que se puede ingresar materias extrañas que
dañarían los componentes internos del motor.
Realizar esta prueba cuando el motor esta frío.
- 151 -
PRACTICA DE MOTORES
PRACTICA N 2
TEMA: Comprobación de la presión de compresión en las diferentes vueltas
del mecanismo de variación de la cámara de combustión variable.
OBJETIVO
Determinar la presión de compresión en cada posición de la cámara de
combustión variable y comparar los datos obtenidos experimentalmente con los
obtenidos teóricamente.
TEORIA
La comprobación de la compresión en la cámara de combustión de un motor es
la realización de un test o ensayo, con el que se puede determinar y localizar
de modo barato y sencillo las discrepancias que pueda presentar con respecto
a los valores especificados por el fabricante.
Para la comprobación se emplea un comprobador de presión de compresión ,
con este aparto se toma mediciones comparativas de compresión de cada una
de las cámaras de compresión .
PRESION DE CMPRESION
Es la presión que se ejerce por la fuerza del pistón del motor al subir del PMI al
PMS comprimiendo la mezcla en la cámara de combustión.
- 152 -
EQUIPO UTILIZADO.
BANCO DE PRUEBAS:
MONOCILINDRICO CÁMARA
VARIABLE
MOTOR:
INSTRUMENTOS
Nº Cilindros
=1
Diámetro
= 75.30 mm
Carrera
= 61.00 mm
Cilindrada
= 271.65 cc
Diámetro embolo
= 79.90 mm
Paso Rosca
= 1.75
Comprobador de presión de Compresión
PROCEDIMIENTO.
a) Desconectar el cable de bujía
b) Desenroscar la bujía del cabezote con cámara de combustión variable
c) Enroscar el comprobador de presión en el alojamiento de la bujía en le
cabezote.
d) Encerar el comprobador de presión de compresión
e) Colocar el mecanismo de variación de la cámara de combustión en es punto
inferior, alineando las marcas en cero.
f) Hacer girar el motor brevemente con el arrancador, con la posición del
acelerador abierta
g) Tomar los datos de compresión y anotarlos en la tabla correspondiente.
h) Girar el mecanismo de variación, un cuarto de vuelta, medir y anotar el
resultado.
i) Hacer girar el mecanismo hasta llegar al punto superior , tomando los datos
de compresión para su análisis
j) Tabular los datos.
k) Desconectar el medidor de presión, colocar la bujía y cable respectivo.
- 153 -
TABULACION DE DATOS
- 154 -
C A L C UL O Y M ED IC ION D E PRESIONES
Volumen
Nº
1
2
P O M pa
VUELT A
P 1 M pa
1
P 2 M pa
1
P 3 M pa
2
P 4 M pa
EXPERIM ENT AL
PC medida Perdida pC
0
0
13.936
0.0866
0.0866
3.462
9.930
0.248
3.760
0.298
1
1/4
13.348
0.0866
0.0866
3.259
9.189
0.244
3.000
0.259
2
1/2
12.319
0.0866
0.0866
2.913
7.953
0.236
3.000
0.087
3
3/4
11.448
0.0866
0.0866
2.629
6.970
0.230
2.900
0.271
4
1
10.702
0.0866
0.0866
2.392
6.174
0.224
2.800
0.408
5
1 1/4
9.763
0.0866
0.0866
2.103
5.233
0.215
2.500
0.397
6
1 1/2
9.232
0.0866
0.0866
1.945
4.732
0.211
2.300
0.355
7
1 3/4
8.761
0.0866
0.0866
1.808
4.307
0.206
2.300
0.492
8
2
8.342
0.0866
0.0866
1.688
3.943
0.202
2.300
0.612
9
2 1/4
7.965
0.0866
0.0866
1.582
3.628
0.199
2.100
0.518
10
2 1/2
7.317
0.0866
0.0866
1.405
3.114
0.192
2.000
0.595
11
2 3/4
7.037
0.0866
0.0866
1.330
2.903
0.189
1.800
0.470
12
3
6.780
0.0866
0.0866
1.262
2.715
0.186
1.800
0.538
13
3 1/4
6.659
0.0866
0.0866
1.231
2.628
0.185
1.600
0.369
14
3 1/2
6.433
0.0866
0.0866
1.173
2.470
0.182
1.500
0.327
15
3 3/4
6.125
0.0866
0.0866
1.095
2.261
0.179
1.500
0.405
16
4
5.939
0.0866
0.0866
1.049
2.139
0.177
1.500
0.451
- 155 -
GRAFICOS
Vuelta vs relación de compresión.
Presión vs Volumen
- 156 -
Grafico Vuelta vs Pc (mediada)
4
3,5
Presion compresión medida
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
2
4
6
8
10
Vuelta o Fraccion
- 157 -
12
14
16
18
20
Curva Presion vs Volumen
12
10
Presion MPa
8
6
4
2
0
0,5
0,9
1,3
1,7
-2
Volumen 1 y 2
Curva Rc 15.9
- 159 -
Curva Rc 5.9
Curva Rc STD
2,1
Ejemplo de Calculo
Para los cálculos de las presiones en los puntos de admisión, compresión,
explosión y escape se toma como dato inicial la Presión Atmosférica igual a la
presión de admisión.
Po = 0.0866 Mpa
P1 = 0.0866 Mpa
Rc = 13.936
K = 1.4
P2 = P1*Ek
P2 = 0.0866 * 13.936 1.4
P2 = 3.465 Mpa
P3 = P2*Ek-1
P3 = 3.465 * 13.936 1.4-1
P3 = 9.930 Mpa
P4 = P3 / Ek
P4 = 9.930 / 13.936 1.4
P4= 0.248 Mpa
- 160 -
ANALISIS DE REULTADOS
1) Presión De Compresión
Como se puede observar en el gráfico la presión de compresión va
decreciendo de acuerdo al numero de vueltas que se de en el tornillo de la
parte superior, esto se debe a que al girar el mecanismo de variación el
volumen de la cámara de combustión va aumentando, decreciendo de esta
manera la relación de compresión.
Se compara las curvas elaboradas con datos reales (color azul)
con las
teóricas (color rojo) en cada grafica, demostrando la similitud de estas.
2) Curva Presión Volumen
Las curvas de presión en función del volumen van desde una presión baja o
atmosférica en un volumen mínimo, a un volumen máximo manteniéndose la
presión , empezando desde este punto a comprimir el cilindro la mezcla aire
combustible elevándose la presión hasta empezar la explosión donde se
produce la máxima presión, decreciendo al momento que el pistón regresa al
volumen máximo en la etapa de expulsión de gases.
- 161 -
CONCLUCIONES
Se comprueba experimentalmente que la compresión de un motor es
afectada directamente por el volumen de la cámara de combustión.
Según la tabla y gráfico se puede notar que la compresión se eleva bajando
el mecanismo de variación de la cámara de combustión variable .
La presión de compresión mediada y calculada decrece a medida que la
relación de compresión disminuye.
El error entre la presión mediada y calculada se debe a que al medir no se
considera que el motor funciona a condiciones optimas y al 100 % de su
capacidad.
RECOMENDACIONES
Realizar esta prueba a temperatura régimen del motor con objeto de que se
tenga mayor estanqueidad.
Tratar de dar arrancones proporcionales para tener lecturas uniformes .
Enroscar perfectamente el comprobador para no tener fugas
Realizar dos o mas mediciones en cada posición para tener un margen de
error mínimo.
- 162 -
PRACTICA DE MOTORES
PRACTICA N 3
TEMA: Determinación de la curva de Torque y Potencia útil en función de la
revoluciones generadas por el motor en varias posiciones del mecanismo de
Variación.
OBJETIVO.
Graficar la curva de Torque y Potencia útil del motor de acuerdo a las
revoluciones generadas por acción del freno del volante de inercia ,
haciendo una comparación en las posiciones mas relevantes de la cámara
de combustión variable.
Explicar el método empleado para empleado para llegar a registrar el valor
de Torque en el motor.
TEORIA
TORQUE O PAR MOTOR.
A continuación algunas definiciones de Torque o Par motor
Torque es:
Es un esfuerzo de Giro .
Es el producto de la fuerza ejercida por la distancia al centro de giro .
- 163 -
El par motor es la acción de la fuerza tangencial en el brazo del cigüeñal o
radio de giro .
El motor de combustión no tiene un par de valor constante sino que depende
en cada momento del numero de revoluciones . Se representa en la curva de
momentos del motor .
C urva par m otor
140
Torque ( Nm )
130
120
110
100
90
80
70
0
2000
4000
6000
8000
R evoluciones ( rpm s )
Formula :
Tq
F d
De donde :
Tq
= Torque
F
= Fuerza aplicada
D
= Distancia del brazo de palanca
Potencia efectiva ( potencia útil)
La potencia es la rapidez a la cual realiza trabajo el motor , ésta depende del
numero de revoluciones del motor para su cuantificación.
- 164 -
La potencia efectiva es la que llega al cigüeñal y se mide en el volante de
impulsión .
Potencia vs R evoluciones
Potencia efectiva
120
100
80
60
40
20
0
0
1000
2000
3000
R evoluciones
Formula
F s
F v
Kw
1000 t 1000
Tq Ft r Nm
p
d
2
Tq
Ft
d
2
d
Vt
r
Pe
Pe
Pe
Pe
Tq 2
d
n m
60
s
Ft Vt
1000
Tq 2 d
n
d
60 30
1000
Tq
n
1000
Tq n
Kw
9550
- 165 -
4000
5000
Calculo del Torque mediante fuerzas y presión de frenado .
En el banco de pruebas la manera de obtener el torque es aplicando fuerza en
el pedal de freno, la cual se transforma en presión que es registrada por el
manómetro y a su vez ésta se transforma en fuerza aplicada por el pistón del
cilindro del volante, ésta fuerza del cilindro que es aplicada sobre la pastilla de
freno produce una fuerza de rozamiento contra el volante y da origen a otra
fuerza tangencial con el brazo de palanca, dando así el Torque que se aplica
en el volante de inercia.
Partimos de la expresión de Presión = Fuerza / Área y del circuito de frenado
del motor para realizar los cálculos para la obtención del Torque.
Presión: Es la presión del liquido, en este caso es la registrada por el
manómetro.
Fuerza: Es la que actúa sobre el pistón del cilindro principal o secundario
para que este pueda moverse.
Área : Superficie del cilindro principal o secundario
- 166 -
F1 = Fuerza que se aplica en la palanca de freno.
D1 = Diámetro del cilindro principal
PL = Presión del Liquido
F2 = Fuerza que ejerce el cilindro al volante de inercia.
A2 = Área del cilindro del volante
Nota: El banco de pruebas dispone de un solo cilindro de frenado como
se indica en el gráfico.
FT = Fuerza Tangencial.
F2 = Fuerza que ejerce el cilindro al volante de inercia.
Ud = Coeficiente de rozamiento dinámico ( 0.3 a 0.5)
Rm = Brazo de palanca
Ahora notamos que la Fuerza 2 o de apriete como se explico anteriormente
produce una fuerza tangencial conjuntamente con el radio de giro del volante
,que en este caso es el brazo de palanca que actúa directamente al giro del
motor ; con estos datos podemos calcular el Torque utilizando las formulas
siguientes:
Datos conocidos:
A1 = 2.85 cm2 ( diámetro de 19.05 mm)
A2 = 11.52 cm2 ( diámetro de 38.29 mm)
- 167 -
Ud = 0.45
PL = ok ( Variable )
F2
A2
Despejamos, F 2
F 2 PL N 2 A2 cm2
cm
14PSI 1Bar 10 N / cm2
Ft
D
F2 N
N
Tq Ft N Rm m
Nm
PL
N
Para el calculo directo del Torque que se esta aplicando se utilizara la siguiente
formula:
Tq = PL x 0.4814 ( PL en Psi)
Tq= PL x 0.04814 ( PL en Bar )
PL = Es la presión registrada en el manómetro
Nota : Como ya se obtiene directamente el valor de la Presión del Liquido
no es necesario conocer la fuerza del cilindro principal , motivo por el
cual se calcula la fuerza del pistón de freno y la fuerza tangencial.
En la práctica se aplica cargas en la palanca de freno como se indica en la
siguiente tabla , con fines de demostración, se calcula la fuerza en el cilindro ,
la fuerza tangencial y el torque.
- 168 -
Test
Medicion Manometro
Fuerza en
Fuerza Tangencial en
Torque en
Bar
Nº Psi
cilindro freno(N)
Volante(N)
Volante(Nm)
1
10
0.714
82.286
37.029
4.814
2
20
1.429
164.571
74.057
9.627
3
30
2.143
246.857
111.086
14.441
4
40
2.857
329.143
148.114
19.255
5
50
3.571
411.429
185.143
24.069
6
60
4.286
493.714
222.171
28.882
7
70
5.000
576.000
259.200
33.696
8
80
5.714
658.286
296.229
38.510
9
90
6.429
740.571
333.257
43.323
10
100
7.143
822.857
370.286
48.137
11
110
7.857
905.143
407.314
52.951
12
120
8.571
987.429
444.343
57.765
13
130
9.286
1069.714
481.371
62.578
14
140
10.000
1152.000
518.400
67.392
15
150
10.714
1234.286
555.429
72.206
16
160
11.429
1316.571
592.457
77.019
17
170
12.143
1398.857
629.486
81.833
18
180
12.857
1481.143
666.514
86.647
19
190
13.571
1563.429
703.543
91.461
20
200
14.286
1645.714
740.571
96.274
EQUIPO UTILIZADO.
BANCO DE PRUEBAS:
MONOCILINDRICO CÁMARA
VARIABLE
MOTOR:
INSTRUMENTOS
Nº Cilindros
=1
Diámetro
= 75.30 mm
Carrera
= 61.00 mm
Cilindrada
= 271.65 cc
Diámetro embolo
= 79.90 mm
Paso Rosca
= 1.75
Manómetro de Presión de 0 a 350 Psi
Tacómetro Digital
Circuito de Freno Banco de Prueba
- 169 -
PROCEDIMIENTO.
a) Verificar niveles de combustible y liquido de frenos.
b) Abrir la llave de paso de combustible al motor
c) Colocar el mecanismo de variación en una posición media (dos vuelta y un
cuarto) para encender el motor y mantenerlo encendido para realizar las
pruebas a temperaturas de funcionamiento .
d) Encender el motor sin carga en el freno del volante de inercia
e) Apagar el motor para cambiar de posición el mecanismo de variación
colocarlo en la posición (4 vueltas), encender el motor.
f) Colocar paulatinamente cargas al volante, aconsejablemente en intervalos
de 10 PSI y tomar la lectura de la revoluciones que se generan en con cada
carga.
g) Aplicar cargas hasta que el motor se pare ( aproximadamente 150 PSI)
h) Tabular estos datos, apagar el motor y colocar el mecanismo de variación
en la posición de tres vueltas .
i) Repetir el procedimiento aplicar el mismo rango de presión en el manómetro
j) Tabular los datos, apagar el motor y Repetir el procedimiento para las
posiciones 2, 1 y 0 vueltas.
k) Apagar el motor, cerrar la llave de paso de combustible.
TABULACION DE DATOS
- 170 -
Test Nº
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
Torque en
Volante(Nm) PSI
4.814
9.627
14.441
19.255
24.069
28.882
33.696
38.510
43.323
48.137
52.951
57.765
62.578
67.392
72.206
77.019
81.833
86.647
91.461
- 171 -
Presion
BAR
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
0.714
1.429
2.143
2.857
3.571
4.286
5.000
5.714
6.429
7.143
7.857
8.571
9.286
10.000
10.714
11.429
12.143
12.857
13.571
13.936
2670
2620
2600
2580
2540
2430
2360
2350
2340
2310
2260
2150
2090
1600
Revoluciones en funcion de la Rc
10.702
8.342
6.780
2500
2360
2050
2490
2330
2030
2380
2300
2040
2320
2215
2025
2290
2200
2010
2260
2180
1980
2200
2160
1970
2100
2100
1890
2070
2080
1750
2060
2050
1680
2000
2020
1630
1930
1960
1590
1750
1710
1550
1490
1615
1510
1470
1500
1470
1300
1470
1430
1380
1410
1200
1380
1200
5.939
1970
1960
1940
1930
1915
1800
1740
1670
1640
1620
1580
1550
1525
1470
1440
1415
1350
1250
1150
Test Torque en
Nº Volante(Nm)
1
4.814
2
9.627
3
14.441
4
19.255
5
24.069
6
28.882
7
33.696
8
38.510
9
43.323
10
48.137
11
52.951
12
57.765
13
62.578
14
67.392
15
72.206
16
77.019
17
81.833
18
86.647
19
91.461
Revoluciones en funcion de la Rc
13.936
10.702
8.342
6.780
5.939
2670
2500
2360
2050
1970
2620
2490
2330
2030
1960
2600
2380
2300
2040
1940
2580
2320
2215
2025
1930
2540
2290
2200
2010
1915
2430
2260
2180
1980
1800
2360
2200
2160
1970
1740
2350
2100
2100
1890
1670
2340
2070
2080
1750
1640
2310
2060
2050
1680
1620
2260
2000
2020
1630
1580
2150
1930
1960
1590
1550
2090
1750
1710
1550
1525
1600
1490
1615
1510
1470
1470
1500
1470
1440
1300
1470
1430
1415
1380
1410
1350
1200
1380
1250
1200
1150
- 172 -
13.936
1.805
3.542
5.272
6.976
8.585
9.855
11.167
12.708
14.235
15.614
16.804
17.439
18.365
15.141
Potencia Efectiva Pe ( hp)
10.702
8.342
6.780
1.690
1.595
1.386
3.366
3.150
2.744
4.826
4.664
4.137
6.273
5.989
5.475
7.740
7.435
6.793
9.166
8.841
8.030
10.410
10.220
9.321
11.356
11.356
10.220
12.593
12.654
10.646
13.925
13.857
11.356
14.871
15.020
12.120
15.655
15.898
12.897
15.378
15.026
13.620
14.100
15.283
14.290
14.905
15.209
14.905
14.060
15.898
15.466
15.858
16.202
14.600
16.791
15.412
5.939
1.332
2.650
3.934
5.218
6.472
7.300
8.233
9.031
9.977
10.950
11.748
12.573
13.401
13.911
14.600
15.303
15.513
15.209
14.769
Ejemplo de calculo para el Test Nº 4
Utilizando las siguientes expresiones se calcula la potencia efectiva en HP para
cada una de las posiciones de Prueba .
Tq n
Kw
9550
1Watt 1.341 10 3 hp
1kw 1000Watts
Tq n
Pe
1.341021859
9550
Pe
HP
En Test N 4 se aplica un torque de 19.255 Nm , en la posición 0, con una
relación de compresión de 13.936 , esto genera 2580 rpms .
Aplicamos la formula anterior :
Pe
Pe
19.255 2580
1.3410 HP
9550
6.946 HP
Ahora reemplazamos los datos de la tabla para cada posición de prueba de la
siguiente manera :
- 173 -
Posición 1 , Rc 10.702
Pe
Pe
19.255 2320
1.3410 HP
9550
6.273 HP
Posición 2, Rc 8.342
Pe
Pe
19.255 2215
1.3410 HP
9550
5.989 HP
Posición 3 , Rc 6.780
Pe
Pe
19.255 2025
1.3410 HP
9550
5.475 HP
Posición 4 , Rc 5.939
Pe
Pe
19.255 1930
1.3410 HP
9550
5.218 HP
Gráficos .
1) Torque en función de las Rpms , por cada posición de prueba .
2) Potencia útil en función de las Rpms , por cada posición de prueba.
- 174 -
- 175 -
Torque vs Rpms
80,000
70,000
60,000
Torque
50,000
40,000
30,000
20,000
10,000
0,000
0
500
1000
1500
Rpms Posicion 0
- 176 -
2000
2500
3000
Torque vs Rpms
90,000
80,000
70,000
60,000
Torque
50,000
40,000
30,000
20,000
10,000
0,000
0
500
1000
1500
Rpms Posicion 1
- 177 -
2000
2500
3000
Torque vs Rpms
90,000
80,000
70,000
60,000
Torque
50,000
40,000
30,000
20,000
10,000
0,000
0
500
1000
1500
Rpms Posicion 2
- 178 -
2000
2500
3000
Torque Vs Rpms
100,000
90,000
80,000
70,000
Toruque
60,000
50,000
40,000
30,000
20,000
10,000
0,000
0
500
1000
1500
Rpms Posicion 3
- 179 -
2000
2500
Torque Vs Rpms
120,000
100,000
Torque
80,000
60,000
40,000
20,000
0,000
0
500
- 180 -
1000
1500
Rpms Posicion 4
2000
2500
Potencia efetiva vs revoluciones
20,000
18,000
16,000
Potencia efectiva
14,000
12,000
10,000
8,000
6,000
4,000
2,000
0,000
0
500
1000
1500
Revoluciones Posicion 0
- 181 -
2000
2500
3000
Potencia efectiva vs Rpms
18,000
16,000
14,000
Potencia efectiva
12,000
10,000
8,000
6,000
4,000
2,000
0,000
0
500
1000
1500
Revoluciones Posicion 1
- 182 -
2000
2500
3000
Potencia efectiva vs Revoluciones
20,000
18,000
16,000
Potencia efectiva
14,000
12,000
10,000
8,000
6,000
4,000
2,000
0,000
0
500
- 183 -
1000
1500
Rpms Posicion 2
2000
2500
Potencia efectiva vs Revoluciones
18,000
16,000
14,000
Potencia efectiva
12,000
10,000
8,000
6,000
4,000
2,000
0,000
0
500
- 184 -
1000
1500
Rpms Posicion 3
2000
2500
Potencia efectiva vs Revoluciones
18,000
16,000
14,000
Potencia efectiva
12,000
10,000
8,000
6,000
4,000
2,000
0,000
0
500
1000
1500
Rpms Posicion 4
- 185 -
2000
2500
ANALISIS DE RESULTADOS
1) Torque en función de Revoluciones
El torque que se aplica al motor genera un numero de revoluciones en cada
posición de la prueba, como se en la gráfica en las cuatro posiciones de prueba
se nota que la curva tiende a decrecer, debido a que si se aplica una carga
débil se aumenta el numero de revoluciones y a mayor torque o carga aplicada
al motor las revoluciones aumentan.
De esta manera los Torques máximos que se producen en las posiciones de
prueba son los siguientes:
En la Posición 0
Torque Máx. :
67.392 a 1600 rpms
En la posición 1
Torque Máx. :
77.019 a 1300 rpms
En la posición 2
Torque Máx. :
77.019 a 1300 rpms
En la posición 3
Torque Máx.
:
91.461 a 2050 rpms
- 186 -
En la posición 4
Torque Máx. :
91.461 a 1150 rpms
Como se puede apreciar en la gráfica se necesita mayor carga o torque cuando
el mecanismo de variación esta en una relación elevada, existe una mayor
compresión y por ende existe una mayor fuerza en el pistón motivo por el cual
se necesita mas carga en el volante para mantener las revoluciones o frenar el
giro del motor.
2) Potencia efectiva en función de la Revoluciones.
La potencia efectiva es proporcional al numero de revoluciones, lo que quiere
decir que a mayor numero de revoluciones se obtendrá una mayor potencia ,
como se observa en la curva que se obtiene mayores revoluciones en la
posición 0 o de mayor relación de compresión y es el la que se obtiene un
mayor valor de Potencia .
La tendencia de la curva en las posiciones de prueba indican que la potencia
llega a su punto máximo en revoluciones intermedias de prueba y luego
decrece por motivo de que el torque es menor y no existe trabajo o esfuerzo
en el motor por eso las revoluciones son altas .
- 187 -
De esta manera se obtiene La potencia máxima en las posiciones de prueba
así:
Posición 0
Potencia Máx.:
18.365 hp a 2090 rpms
Posición 1
Potencia Máx.:
15.655 hp a 1930 rpms
Posición 2
Potencia Máx.:
15.898 hp a1960 rpms
Posición 3
Potencia Máx.:
16.791 hp a 1380 rpms
Posición 4
Potencia Máx.:
15.303 hp a 1415 rpms
- 188 -
Se observa que se obtiene una mayor potencia efectiva en la posición 0 del
mecanismo de variación del banco de pruebas.
CONCLUCIONES
Las revoluciones del motor se controlan con el freno del volante de inercia,
y en la presente practica se grafico las curvas de para motor , siendo
similares entre si pero se distinguen ya que en las diferentes posiciones se
obtienen datos distintos .
El motor tiene un mejor desempeño en posiciones intermedias del
mecanismo de variación de la cámara obteniendo valores máximos en
Torque Y Potencia efectiva.
Los datos de las pruebas son en ocasiones irreales ya que al ser un motor
monocilíndrico el comportamiento de este es inestable.
Se compara las curvas elaboradas con datos reales (color azul) con las
teóricas (color rojo) en cada grafica, demostrando la similitud de estas.
RECOMENDACIONES
Verificar los niveles y fugas tanto de combustible como de liquido de frenos ,
para obtener datos mas precisos .
Antes de las pruebas encender el motor de 8 a 15 minutos en una posición
intermedia del mecanismo de variación, para tener temperaturas apropiadas
de funcionamiento.
Apagar el motor para cambiar de posición o de relación de compresión .
- 189 -
Utilizar guantes para girar el mecanismo de variación ya que por el
funcionamiento del motor la temperatura es elevada.
Si existe una anomalía en el funcionamiento apagar el motor y verificar los
posibles daños.
Para un mejor desempeño del motor utilizar gasolina super.
PRACTICA DE MOTORES
PRACTICA N 4
TEMA: Determinación de Torque , Potencia Efectiva , consumo especifico de
combustible por cada vuelta del mecanismo de Variación , manteniendo
constante las RPMS.
OBJETIVO
Determinar el Torque a 2000 rpms para cada vuelta del mecanismo de
variación de la cámara, y calcular la potencia efectiva para cada registro de
Torque.
Determinar el consumo especifico de combustible a 2000 rpms en cada
posición del mecanismo de variación.
Conocer el comportamiento de las temperaturas de en el escape , en la
admisión y en el cabezote , en cada vuelta del mecanismo de variación.
TEORIA
TORQUE.- El torque es una fuerza contraria al giro del motor por la distancia o
radio necesario para producir dicha fuerza .
Formula:
- 190 -
Tq
F d
De donde:
Tq
= Torque
F
= Fuerza aplicada
D
= Distancia o radio del brazo de palanca
POTENCIA EFECTIVA .- Es la rapidez que tiene el motor para realizar un
trabajo , ésta depende de las revoluciones a las que gira el motor .
Formula
Tq n
kw
9550
Pe
De donde
Pe =
Potencia efectiva
Tq =
Torque
N=
numero de revoluciones
9550 =
Factor de conversión de unidades
Consumo específico de combustible.
CONSUMO DE COMBUSTIBLE B,b
B : Consumo horario de combustible en masa por unidad de tiempo.
b : Consumo específico másico horario de combustible en masa por potencia tiempo.
- 191 -
El consumo específico de combustible b es un parámetro de primer orden que
muestra la capacidad de la máquina para convertir una cantidad determinada
de combustible en trabajo. En las especificaciones nominales del motor, este
parámetro es preferido a la eficiencia térmica por estar dado en unidades
"estándar".
El método aceptado para medir la cantidad de combustible usado por un motor
es el de pesar el combustible consumido en un intervalo de tiempo,
obteniéndose el consumo medio de combustible durante el periodo de prueba.
Por medio de este método se consiguen valores muy aproximados, pero su
implementación es bastante compleja; por lo cual se prefiere una práctica más
simple pero no aceptada formalmente y que es la que está implementada en el
laboratorio, la cual consiste en la medición del volumen de combustible en un
intervalo de tiempo determinado y convertir el volumen a masa o peso,
utilizando la
densidad
o
el
peso
específico.
Bajo
el
procedimiento
semiautomático, se admite manualmente combustible en un banco de buretas;
el nivel baja al fluir el combustible al motor, al encontrarse el nivel con un diodo
fotosensible este activa un reloj; posteriormente al seguir bajando el nivel, llega
hasta el punto inferior donde hay otro diodo fotosensible que detiene la marcha
del reloj. Esta operación puede realizarse de modo manual utilizando un
cronometro y verificando visualmente los pasos del nivel.
Los consumos de combustible vienen dados por las fórmulas:
- 192 -
B
Pe
b
B
g
Kw h
k
3600
t
g
h
Donde :
b = consumo especifico de combustible.
B = Consumo por hora.
Pe = Potencia del motor.
K = cantidad de combustible consumido
D = densidad del combustible
T = tiempo
EQUIPO UTILIZADO.
BANCO DE PRUEBAS:
MONOCILINDRICO CÁMARA
VARIABLE
MOTOR:
Nº Cilindros
=1
Diámetro
= 75.30 mm
Carrera
= 61.00 mm
- 193 -
INSTRUMENTOS
Cilindrada
= 271.65 cc
Diámetro embolo
= 79.90 mm
Paso Rosca
= 1.75
Manómetro de Presión de 0 a 350 Psi
Tacómetro Digital
Circuito de Freno Banco de Prueba
Bureta graduada de 15 cc
Cronometro
Termómetros digitales
PROCEDIMIENTO.
a. Verificar niveles de combustible y liquido de frenos.
b. Abrir la llave de paso de combustible al motor
c. Colocar el mecanismo de variación en una posición media (dos vuelta y un
cuarto) para encender el motor y mantenerlo encendido para realizar las
pruebas a temperaturas de funcionamiento.
d. Encender el motor sin carga en el freno del volante de inercia
e. Apagar el motor para cambiar de posición el mecanismo de variación
colocarlo en la posición (4 vueltas), encender el motor.
f. Controlar las revoluciones del motor con el tacómetro digital , aplicando
cargas en el volante de inercia hasta mantener las revoluciones requeridas (
2000 rpms )
g. Tabular los datos de la lectura del de manómetro, la temperatura en el
cabezote, en el sistema de escape y en la admisión.
h. En la misma posición del mecanismo y a 2000 rpms, utilizando la bureta
graduada y un cronometro, tomar el tiempo (segundos) en que se consume
una cantidad de gasolina de prueba (5 cc).
i. Apagar el motor del banco de pruebas, cambiar de posición del mecanismo
de variación girando ¼ de vuelta a la derecha, cerrando o disminuyendo el
volumen de la cámara de combustión. Posición 3 ¾
- 194 -
j.
Encender el motor de banco de pruebas , controlar mediante el freno las
revoluciones requeridas ( 2000 rpms )
k. En esta posición tabular los datos del manómetro , la temperatura en el
cabezote , en el sistema de escape y en la admisión .
l. En la misma posición del mecanismo y a 2000 rpms, utilizando la bureta
graduada y un cronometro, tomar el tiempo (segundos) en que se consume
una cantidad de gasolina de prueba ( 5 cc ).
m. Apagar el motor del banco de pruebas, cambiar de posición del mecanismo
de variación girando ¼ de vuelta a la derecha, cerrando o disminuyendo el
volumen de la cámara de combustión. Posición 3 ½
n. Encender y tomar datos , repetir el procedimiento , girar el mecanismo en
fracciones de vuelta de ¼ hasta llegar a la posición 0.
o. Apagar el motor , cerrar la llave de paso de combustible
- 195 -
TABULACION DE DATOS
Nº
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
VUELTA
0
1/4
1/2
3/4
1
1 1/4
1 1/2
1 3/4
2
2 1/4
2 1/2
2 3/4
3
3 1/4
3 1/2
3 3/4
4
Lectura Manometro
Temperatura Temperatura Temperatura
Bar
RPMS
Admision ºC
Camara ºC
Escape ºC Psi
2000
40
180
184
120
8.571
2000
42
191
203
120
8.571
2000
39
184
217
110
7.857
2000
48
186
220
105
7.500
2000
48
190
237
100
7.143
2000
44
188
240
90
6.429
2000
45
182
244
80
5.714
2000
46
185
254
75
5.357
2000
42
185
251
63
4.500
2000
48
193
261
60
4.286
2000
53
200
281
60
4.286
2000
47
207
295
52
3.714
2000
50
194
292
60
4.286
2000
47
201
295
43
3.071
2000
48
210
288
40
2.857
2000
50
228
295
18
1.286
2000
45
240
307
10
0.714
- 196 -
Manometro
Consumo
Consumo
Bar
Nº VUELTA RPMS Ta ºC Tc ºC Te ºC Psi
Torque ( Nm) ( cc ) tiempo (s)
B(g/h)
0
0
2000
40
180
184 120
8.571
57.765
5
23
571.304
1
1/4
2000
42
191
203 120
8.571
57.765
5
23.2
566.379
2
1/2
2000
39
184
217 110
7.857
52.951
5
24.5
536.327
3
3/4
2000
48
186
220 105
7.500
50.544
5
22.7
578.855
4
1
2000
48
190
237 100
7.143
48.137
5
28.4
462.676
5
1 1/4
2000
44
188
240
90
6.429
43.323
5
26.8
490.299
6
1 1/2
2000
45
182
244
80
5.714
38.510
5
24.2
542.975
7
1 3/4
2000
46
185
254
75
5.357
36.103
5
24.3
540.741
8
2
2000
42
185
251
63
4.500
30.326
5
23.8
552.101
9
2 1/4
2000
48
193
261
60
4.286
28.882
5
22.8
576.316
10
2 1/2
2000
53
200
281
60
4.286
28.882
5
25.5
515.294
11
2 3/4
2000
47
207
295
52
3.714
25.031
5
23.8
552.101
12
3
2000
50
194
292
60
4.286
28.882
5
28.4
462.676
13
3 1/4
2000
47
201
295
43
3.071
20.699
5
36.9
356.098
14
3 1/2
2000
48
210
288
40
2.857
19.255
5
21.3
616.901
15
3 3/4
2000
50
228
295
18
1.286
8.665
5
24.5
536.327
16
4
2000
45
240
307
10
0.714
4.814
5
26.5
495.849
- 197 -
C Especifico
Pe (kw)
Pe ( hp) b ( g/kwh )
12.097
16.223
47.226
12.097
16.223
46.819
11.089
14.871
48.365
10.585
14.195
54.686
10.081
13.519
45.895
9.073
12.167
54.039
8.065
10.815
67.326
7.561
10.139
71.519
6.351
8.517
86.930
6.049
8.111
95.280
6.049
8.111
85.192
5.242
7.030
105.319
6.049
8.111
76.492
4.335
5.813
82.147
4.032
5.408
152.985
1.815
2.433
295.563
1.008
1.352
491.861
Ejemplo de Cálculo
Test N 1
En la posición 0 , para mantener 2000 revoluciones se necesito aplicar una
carga en el pedal de freno que genero 120 PSI .
Aplicamos las formulas :
Primero transformamos la lectura del manómetro en Torque .
Tq = 0.4814 x PL
Tq = 0.4814 x 120
Tq = 57.768 Nm
Luego calculamos la Potencia efectiva .
Tq n
kw
9550
57.768 2000
Pe
1.341021 HP
9550
Pe 16.223 hp
Pe
Ahora calculemos el consumo especifico de combustible :
B
B
B
k
3600
t
g
h
0.73 kg / dcm3
23
571.304 g / h
5cm
3
- 199 -
3600
g/h
b
b
b
B
g
Pe Kw h
571.304
12.097
g
47.226
Kw h
Nota: Usar la potencia efectiva en Kw. .
Gráficos.
1) Torque en función de cada vuelta o fracción de vuelta.
2) Potencia efectiva en función de cada vuelta o fracción de vuelta.
3) Consumo especifico en función de cada vuelta o fracción de vuelta.
4) Temperatura de admisión en función de cada vuelta o fracción de
vuelta.
5) Temperatura del cabezote en función de cada vuelta o fracción de
vuelta.
6) Temperatura de escape en función de cada vuelta o fracción de vuelta.
- 200 -
Torque vs vuelta
70,000
60,000
Torque ( Nm )
50,000
40,000
30,000
20,000
10,000
0,000
0
1/2
1
1 1/2
2
Vuelta o Fraccion
- 201 -
2 1/2
3
3 1/2
4
4 1/2
Potencia efectiva vs Vuelta
18,000
16,000
Potencia Efectiva ( HP )
14,000
12,000
10,000
8,000
6,000
4,000
2,000
0,000
0
1/2
1
1 1/2
2
Vuelta o Fraccion
- 202 -
2 1/2
3
3 1/2
4
4 1/2
Consumo especifico vs vuelta
600,000
500,000
Comsumo especifico
400,000
300,000
200,000
100,000
0,000
0
1/2
1
1 1/2
2
Vuelta o Fraccion
- 203 -
2 1/2
3
3 1/2
4
4 1/2
Temp Admision vs vuelta
60
50
Temp Admision ºC
40
30
20
10
0
0
1/2
1
1 1/2
2
Vuelta o Fraccion
- 204 -
2 1/2
3
3 1/2
4
4 1/2
Tempe cabezote vs vuelta
250
Tempe cabezote ºC
200
150
100
50
0
0
1/2
1
1 1/2
2
vuelta o fraccion
- 205 -
2 1/2
3
3 1/2
4
4 1/2
Temp escape vs vuelta
350
300
Temp escape ºC
250
200
150
100
50
0
0
1/2
1
1 1/2
2
vuelta o fraccion
- 206 -
2 1/2
3
3 1/2
4
4 1/2
1) Torque
En la gráfica se observa que cuando la relación de compresión es elevada ,
con un volumen de cámara mínimo se necesita aplicar una mayor fuerza de
frenado lo que se transforma en un torque mayor en esta posición y va
decreciendo cuando la relación de compresión va disminuyendo , motivo por el
que se necesita aplicar cargas mas ligeras para mantener el mismo numero de
revoluciones en todas las posiciones .
2) Potencia Efectiva
Esta depende directamente del torque y el numero de revoluciones , motivo
por el que la curva decrece de una máximo valor en la posición 0 a una
posición 4 .
El motor en condiciones estándares la potencia es de 8 HP , y con las
modificaciones realizadas se a conseguido potencias de 16.22 HP como
máximo y de 1.35 HP como mínima.
3) Consumo Especifico de Combustible
La cantidad de combustible que ingresa en la cámara del motor depende
del volumen de la cámara , la cual con el mecanismo de variación la
modificamos , motivo por el cual se observa en la gráfica que se necesita
mayor cantidad de combustible a menor relación de combustión por la
existencia de un volumen mayor en la cámara de combustión además en estas
posiciones se obtiene menor potencia del motor .
4) Temperatura de Admisión.
- 207 -
La temperatura de admisión se mantiene casi estable en un
rango de 39 a 53 ºC lo cual indica que no tiene mucha influencia en
el aumento de compresión en un motor.
5) Temperatura del Cabezote.
La temperatura es elevada cuando existe una relación de compresión
elevada y va decreciendo cuando variamos el mecanismo hacia una relación
baja .
6) Temperatura de Escape.
Esta tiende a elevarse a una relación elevada por condiciones de extremo
funcionamiento del motor y esfuerzo que éste realiza . pero decrece a manera
que la relación de compresión disminuye .
CONCLUCIONES
Se demuestra experimentalmente el aumento de Potencia en los motores ,
con relación a la variación del volumen de la cámara de combustión .
La fuerza de frenado es menor a menor relación de compresión y se debe
aumentar considerablemente al aumentar la relación de compresión .
Existe mayor esfuerzo en el funcionamiento del motor motivo por el que se
registra mayores temperaturas tanto en el cabezote, como en el escape.
Al aumentar la cámara de combustión existe un volumen mayor que debe
ser llenado por la mezcla de combustible aire, esto produce un mayor
consumo de combustible.
Se compara las curvas elaboradas con datos reales (color azul) con las
teóricas (color rojo) en cada grafica, demostrando la similitud de estas.
- 208 -
RECOMENDACIONES
Se recomienda verificar conexiones de cañerías y los niveles de
combustible y liquido de frenos.
Realizar las prácticas con guantes para no sufrir quemaduras en las manos
al mover el mecanismo de variación de la cámara.
Mantener constante las revoluciones con el tacómetro digital, con una
tolerancia de 20 revoluciones, ya que no se puede mantener exactamente
las revoluciones deseados por la inestabilidad de un motor monocilíndrico.
CAPITULO V
CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES
- 209 -
CONCLUCIONES
Los parámetros estándares de funcionamiento del motor monocilíndrico,
son valores intermedios de los registrados y calculados en los punto
superior e inferior del mecanismo de variación, teniendo de esta manera
una gama de valores entre los que se destacan los máximos y mínimos.
Parámetros estándares.
Cilindrada :
271.65 cc
Relación de Compresión:
8.9:1
Eficiencia :
58 %
Presión de Compresión:
2.4 Bar
Temperatura de Compresión:
705 º K
Torque a 2000 rpms:
28.7 N m
Potencia :
8 HP
Temperatura de Escape:
230 º C
Revoluciones Ralentí:
1750 r pms
Parámetros Máximos.
Cilindrada:
292.65 cc
Relación de Compresión:
13.9:1
Eficiencia:
65 %
Presión de Compresión:
3.7 Bar
Temperatura de Compresión:
840 º K
Torque a 2000 rpms:
57.8 N m
Potencia :
16.2 HP
Temperatura de Escape:
307 º C
Revoluciones Ralentí:
2670
Parámetros Mínimos.
- 210 -
Cilindrada:
326.65 cc
Relación de Compresión:
5:91
Eficiencia:
50 %
Presión de Compresión:
1.5 Bar
Temperatura de Compresión:
597 º K
Torque a 2000 rpms:
4.8 N m
Potencia:
1.4 HP
Temperatura de Escape:
203 º C
Revoluciones Ralentí:
1150
Los valores que están expuestos demuestran que los motores de
combustión interna aumentan su compresión, eficiencia y torque modificando
el volumen de la cámara de combustión, pero a su vez las temperaturas de
funcionamiento son mas elevadas por lo que es necesario colocar dispositivos
de enfriamiento externos, además por la existencia de mayor fuerza en el
pistón los mecanismos internos del motor se desgastan rápidamente, en
consecuencia la vida útil del motor es menor.
El consumo especifico de combustible se ve afectado por el aumento de la
cilindrada en las posiciones mínimos, ya que al tener mayor volumen de
compresión, y producirme menor trabajo por no existir fuerza, ni presión de
compresión existe una menor potencia, lo que conlleva a que la relación
consumo de combustible por unidad de potencia sea mas elevado.
Los materiales seleccionados en la construcción de la cámara son óptimos
para soportar las presiones que genera el pistón en los puntos critos de
funcionamiento, además de tener la propiedad de disipar mas rápidamente
el calor de la combustión , y al tener la facilidad de maquinibilidad el diseño
de la cámara es sencillo y funcional.
El diseño del mecanismo de sujeción y variación es optimo para este tipo de
motores ya que por la presencia de las válvulas en el block facilita el
- 211 -
trabajo, permitiendo elaborar un tornillo de presión que al girar la rosca en ¼
de vuelta se consigue variar el volumen de la cámara y en consecuencia los
la relación de compresión, la eficiencia y potencia. La variación de la altura
esta limitada por un perno guía colocado en el cabezote por lo cual se
puede girar este mecanismo hasta cuatro vueltas y media.
El banco de pruebas esta dotado de instrumentos de medición para el
análisis del comportamiento del motor como es un termómetro digital para el
registro de la temperatura de admisión, un termómetro con termocuplas
para la lectura de las temperaturas del cabezote y de escape , un
manómetro para controlar la presión de frenado y determinar el torque del
motor , una probeta graduada para conocer el consumo especifico de
combustible de combustible ; todo esto montado en un tablero de
instrumentos , además se provee de swich de encendido , de apagado , del
ventilador y selector de temperatura para el reloj digital.
Se realizo cinco guías de laboratorio donde se a podido comparar en
funcionamiento teórico del motor con el funcionamiento real del mismo ,
determinando así que se consigue una mayor eficiencia del motor a mayor
relación de compresión.
RECOMENDACIONES
Se recomienda realizar las practicas de laboratorio verificando el estado
de las conexiones eléctricas, de combustible y de fluido, constando el
nivel de los mismos, además de la utilización de guantes para calor
para evitar quemaduras por las temperaturas elevadas que se generan
en el cabezote por lo que es necesario apagar el motor para el cambio
de posición del mecanismo de variación.
- 212 -
Verificar periódicamente el ajuste de los pernos del cabezote,
mecanismo de seguridad, bases del motor. Además de fugas del las
mangueras de fluido y de combustible.
Siempre encender el motor sin carga para que no exista mucho esfuerzo
del motor de arranque y una pronta descarga de la batería.
Cargar la batería después de cada práctica ya que no existe un
dispositivo de carga como es el alternador
Limpiar las aletas del block del motor que sirven para la que la corriente
de aire que circula para la refrigeración sea más eficiente.
RECOMENDACIONES PARA EL MEJORAMIENTO DEL BANCO DE
PRUEBAS CON CÁMARA VARIABLE.
Fundir el cabezote diseñado en un aluminio importado, de esta manera
se aumentara la vida útil y se obtendrá resultados mucho mas exactos.
Colocar un tacómetro digital en el tablero de instrumentos, para obtener
datos mas precisos en la elaboración de practicas en el Banco de
Pruebas .
Optimizar el circuito de freno colocando dispositivos hidráulicos
controlando electrónicamente la posición del pedal freno.
Optimizar el mecanismo de variación colocando un instrumento eléctrico
que tenga la capacidad de girar en ¼ 0 ½ de vuelta para poder realizar
las practicas sin necesidad de apagar el motor.
- 213 -
Colocar un alternador diseñando la polea y adaptando en el eje de motor
para tener carga suficiente en la batería.
Añadir un recipiente de gasolina para realizar pruebas con distinto tipo
de gasolina y verificar el comportamiento del motor.
- 214 -
ANEXOS
- 215 -
- 216 -
- 217 -
ANEXO 2
PROPIEDADES TIPICAS DEL ALUMINIO
Resistencia
traction
Resistencia a Con aleacion
punto cedente
ytemplado
Ksi
1060-O
1060-H14
1060-H18
1350-O
1350-H14
1350-H19
2014-O
2014-T4
2014-T6
2024-O
2024-T4
2024-T361
2219-O
2219-T62
2219-T87
3003-O
3003-H14
3003-H18
5052-O
5052-H34
5052-H38
6061-O
6061-T4
6061-T6
6063-O
6063-T4
6063-T6
7001-0
7001-T6
7075-O
7075-T6
10
14
19
12
16
27
27
, .- 62
70
; 27
' 68
72
25
60
69
16
22
• . 29
' 28
38
42
18
35
45
13
25
35
37
98
33
' 83
.
Ductibilidad
(elongation
porcentual
Resisteneid at corte Resistencia por
durabilidad
MPa
Ksi
MPa
en 2 pulg)
Ksi
MPa
Ksi
MPa
69
4
28
43
1
48
3
21
97
131
83
110
186
186
427
483
186
469
496
172
414
476
110
152
200
193
262
290
124
241
310
90
172
241
255
676
228
572
11
76
124
28
97
165
97
290
414
76
324
393
76
290 '
393
41
145
186
90
214
255
55
145
276
48
90
214
152
627
103
503
12
6
28
\—
"—
18
20
13
2219
12
18
10
10
40
16
10
30
14
8
30
25
17
—
22
12
14
9
16
11
9
11
8
10
15
18
38
42
18
41
42
—
—
—
11
14
16
18
21
24
12
24
30
10
—
22
—
—
22
48
62
121
55
69
103
124
262
290
124
283
290
—
—
—
121
97
110
124
145
165
83
165
207
69
—
152
—
—
152
331
5
6
—
—
7
13
20
18
13
20
18
—
15
15
7
9
10
16
18
20
9
14
14
8
—
10
—
22
—
23
34
41
_
—
48
90
138
124
90
138
124
—
18
4
14
24
14
42
60
11
47
57
11
42
57
6
21
27
13
31
37
8
21
40
7
13
31
22
91
15
73
Nota: propiedades comunes
Densidad: 0.095 a 0.102 Ib/pulg3 (2635-2829
Kg/m3 )
Modulo de eiasticidad: 10 a 10.6 x 10* psi (69-73 GPa).
Resistencia por durabilidad a
5 x 10'ciclos
- 218 -
103
103
48
62
69
110
124
138
62
97
97
55
—
69
—
152
—
159
ANEXO 3
TENSIONES PERMISIBLES PARA PERNOS
Grado ASTM
Tensión por esfuerzo de
Tensión por esfuerzo de
corte permisible
tracción permisible
A307
10 ksi (69 Mpa)
20 ksi (138 Mpa)
A325 Y A449
17.5 ksi (21 Mpa)
44 ksi (303 Mpa)
A490
22 ksi (152 Mpa)
54 ksi (372 Mpa)
- 219 -
LATACUNGA, OCTUBRE DEL 2004
AUTORES
----------------------------------------PABLO ARTURO TAPIA CAMPAÑA
----------------------------------------JUAN CARLOS VARGAS PEÑA
DIRECTOR DE LA CARRERA
INGENIERIA AUTOMOTRIZ
----------------------------------------ING. JUAN CASTRO
EL SECRETARIO
----------------------------------------DR. MARIO LOZADA PAREDES
- 220 -
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