UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FIM
DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS GEOMÉTRICOS Y CONSTRUCTIVOS DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA Profesor: Ing. Lastra Espinoza, Luis Alumno: Málaga Luyo, Federico
2011 - I
OBJETIVOS
Determinar los parámetros constructivos del motor de combustión interna e identificar sus principales componentes.
Identificar y determinar los parámetros geométricos del motor de combustión interna de 4 tiempos, siendo el motor a trabajar el Daihatsu.
Determinar los ángulos de avance y cierre tanto de las válvulas de admisión como escape.
FUNDAMENTO TEÓRICO
MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA Un motor de combustión interna es cualquier tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química producida por un combustible que arde dentro de una cámara de combustión.
COMPONENTES DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA Válvulas Fabricadas generalmente de aleaciones de acero, las válvulas, por su función, pueden ser de admisión o de escape. Accionadas por las levas a través de los buzos, las de admisión abren o cierran el paso del aire exterior hacia los cilindros. Las de escape abren o cierran la salida de gases del interior de los cilindros hacia el exterior a través del múltiple del mismo nombre.
Eje de Levas Es una barra con excéntricas accionadas por el cigüeñal por medio de una banda dentada o una cadena. Va montado en la culata del motor (a la cabeza) y su trabajo consiste en accionar las válvulas en forma sincronizada con las carreras de los pistones. Esta disposición mecánica reduce el número de componentes y elimina la necesidad de mantenimiento.
Múltiple de Admisión Unidad de conductos que dirigen el aire requerido para la combustión hasta la entrada de cilindros en la culata. Generalmente son tantos ductos como el número de cilindros del motor. Puede ser hecho de fundición gris, de aluminio ó de plástico.
MECANISMO DEL SISTEMA DE INTERCAMBIO DE LOS GASES Culata Es la pieza ubicada en la parte superior del bloque de cilindros. La culata constituye una pieza de hierro fundido (o de aluminio en algunos motores), que va colocada encima del bloque del motor. Su función es sellar la parte superior de los cilindros para
evitar pérdidas inapropiada de
de compresión y salida los gases de escape.
Cilindro Es una cavidad maquinada dentro del mono bloque que sirve de alojamiento para el pistón y dentro de la cual trabaja éste. Forma las paredes de la cámara de combustión y la superficie de trabajo para los anillos del pistón. El acabado de su superficie tiene un micro rayado para mantener el aceite (película lubricante) entre los anillos y el cilindro.
Pistón Se fabrica generalmente de aleación de aluminio y va alojado en un cilindro del monobloque; constituye la parte inferior de la cámara de combustión, recibe el empuje de la explosión y se desplaza dentro del cilindro con un movimiento rectilíneo y reciprocante. Dispone de ranuras donde van alojados los anillos y cuenta con un perno con el que se conecta con la biela.
Anillos del Pistón Son aros abiertos que una vez montados en las ranuras del pistón y a la temperatura de trabajo del motor, prácticamente quedan cerrados. Su trabajo consiste en cerrar los espacios entre el pistón y el cilindro. El primero -generalmente son tres- recibe el nombre de anillo de fuego y forma junto con la cabeza del pistón, la parte baja de la cámara de combustión. Sigue el segundo anillo que complementa la labor del primero y luego el tercero, llamado anillo rascador o de control de aceite que se encarga de dejar una película controlada de lubricante en las paredes del cilindro.
Biela Constituye el eslabón entre el pistón y el cigüeñal, transmitiendo el empuje de aquél hacia éste. Está fabricada en hierro forjado, dispone de vena de lubricación y su trabajo fundamental consiste en convertir el movimiento rectilíneo y reciprocante del pistón, en movimiento giratorio del cigüeñal. En sus extremos tiene dos "ojos"; el menor aloja el perno del pistón, y el mayor (abierto) se instala en el muñón del cigüeñal.
Cigüeñal Constituye un eje con manivelas, con dos o más puntos que se apoyan en una bancada integrada en la parte superior del cárter y que queda cubierto después por el propio bloque del motor, lo que le permite poder girar con suavidad. La manivela o las manivelas (cuando existe más de un cilindro) que posee el cigüeñal, giran de forma excéntrica con respecto al eje. En cada una de las manivelas se fijan los cojinetes de las bielas que le transmiten al cigüeñal la fuerza que desarrollan los pistones durante el tiempo de explosión.
Bujía de Encendido Constituye la etapa final de cualquier sistema de encendido y su función consiste en producir la chispa que servirá para inflamar la mezcla aire combustible. Consiste en un electrodo central (+) dentro de un aislador montado a su vez en un cuerpo de metal (-) cuyo extremo roscado se atornilla en la cabeza de cilindros, una por cada cilindro. Así los electrodos, entre los cuales salta la chispa, quedan en el interior de la cámara de combustión.
como referencia uno sólo, para ver qué ocurre en su interior en cada uno de los cuatro tiempos:
1er tiempo: carrera de admisión. Se abre la válvula de admisión, el pistón baja y el cilindro se llena de aire mezclado con combustible. 2do tiempo: carrera de compresión. Se cierra la válvula de admisión, el pistón sube y comprime la mezcla de aire/gasolina. 3er tiempo: carrera de expansión. Se enciende la mezcla comprimida y el calor generado por la combustión expande los gases que ejercen presión sobre el pistón. 4to tiempo: carrera de escape. Se abre la válvula de escape, el pistón se desplaza hacia el punto muerto superior, expulsando los gases quemados.
RELACION DE COMPRESION
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN M.C.I.
Los motores de combustión interna pueden ser de dos tiempos, o de cuatro tiempos, siendo los motores de gasolina de cuatro tiempos los más comúnmente utilizados en los coches o automóviles y para muchas otras funciones en las que se emplean como motor estacionario. Es básicamente una máquina que mezcla oxígeno con combustible gasificado. Una vez mezclados íntimamente y confinados en un espacio denominado cámara de combustión, los gases son encendidos para quemarse (combustión). Debido a su diseño, el motor, utiliza el calor generado por la combustión, como energía para producir el movimiento giratorio que conocemos. Una vez que ya conocemos las partes, piezas y dispositivos que conforman un motor de combustión interna, pasamos a explicar cómo funciona uno típico de gasolina. Como el funcionamiento es igual para todos los cilindros que contiene el motor, tomaremos
La relación de compresión es el término con que se denomina a la fracción matemática que define la proporción entre el volumen de admisión y el volumen de compresión. Fórmula para Calcular la Relación de Compresión
Teórica 1 +2 1
V1 = Capacidad en centímetros cúbicos de la cámara de combustión de la culata. V2 = Capacidad del cilindro, con el pistón en su posición inferior, (punto muerto inferior). En general, la eficiencia térmica (capacidad para transformar calor en movimiento), y la potencia, dependen de la relación de compresión. Un motor gasta energía para comprimir los gases y aporta energía al quemar los gases. A medida que se aumenta la compresión, la diferencia entre gasto y aporte de energía crece. Es decir, a mayor compresión el motor es más eficiente.
SINCRONISMO DE ADMISIÓN Y ESCAPE Se relata a continuación como el sincronismo de las válvulas de un motor de pistones se adapta al comportamiento del flujo de los gases. Sincronismo de Admisión Mientras la válvula de admisión se encuentra cerrada, la mezcla aire-combustible se mantiene quieto en el pasaje de admisión. Al momento de abrir la válvula existe vacío en el cilindro, lo cual permite a la presión atmosférica empujar la mezcla hacia el interior del cilindro. Sin embargo, existe demora en el inicio del movimiento de los gases debido a la inercia. Una vez que comienza el ingreso de la mezcla, el pistón ya ha bajado una buena porción en su carrera de admisión. Como el gas se desplaza a gran velocidad lleva consigo inercia, la que se manifiesta cuando la mezcla sigue fluyendo hacia el interior aunque el pistón ya ha comenzado a subir en su carrera de compresión. Para aprovechar adecuadamente este fenómeno, existe el retraso de cierre de admisión, que mantiene la válvula abierta durante una parte de la carrera de compresión. Esta sincronización mejora el rendimiento volumétrico lo que permite generar un par de torsión mayor. Sincronismo de Escape La fuerza de un motor se obtiene en la carrera de expansión. Si la válvula de escape se abre antes que termine la carrera de trabajo se perderá una parte de la presión que ejercen los gases. Sin embargo, si se la mantiene cerrada hasta el momento que el pistón comienza a subir en su carrera de escape aun habrá presión en el cilindro que se opone al desplazamiento, lo que produce una disminución de potencia.
Por otra parte es preferible atrasar el cierre de
escape para que el cilindro presente una presión baja al momento de la apertura de admisión y además aprovechar la inercia de los gases que aun salen del cilindro para mejorar el acceso de mezcla fresca (barrido). Cruce de Válvulas La válvula de admisión se abre anticipadamente
durante la carrera de escape y la de escape se cierra
tardíamente
durante
la
carrera
de
admisión. El lapso de tiempo durante el cual se encuentran ambas válvulas abiertas se denomina: cruce de válvulas. Afortunadamente la inercia de los gases que salen del cilindro impide que la mezcla fresca se devuelva por la admisión cuando el motor gira a velocidades medias y altas.
CUBICACIÓN DE MOTOR La relación de compresión es un concepto de máxima importancia en la preparación de motores. La precisión con que se miden los volúmenes para el cálculo de la relación de compresión es algo que se debe tener muy presente cuando se instala un eje de levas de competencia. Si la válvula de admisión retrasa su cierre la presión de compresión disminuye. En orden de compensar esto es necesario disminuir el volumen de la cámara de combustión.
Medición de Volúmenes Actualmente, mediante una tomografía, se pueden cubicar los volúmenes para obtener mediciones de exactitud exuberante. Sin embargo también existe un sistema artesanal que proporciona medidas de calidad suficiente. Este método consiste en llenar las cavidades con aceite hidráulico y medir los volúmenes empleados para hacerlo.
EQUIPOS E INSTRUMENTOS 1.- Motor Daihatsu IDENTIFICACIÓN DEL MOTOR : N° de cilindros
3
Diámetro del cilindro
76.35 mm
CARRERA
72.55 mm
VOLUMEN MUERTO
27 ml
DIENTES DE LA VOLANTE
108
Angulo de adelanto de apertura de la válvula de escape
19
(Φ2)
Angulo de adelanto de apertura de la válvula de admisión
8
(Φ1)
Angulo de retraso de cierre de la válvula de escape (Φ4)
8
Angulo de retraso de cierre de la válvula de admisión
28
(Φ3)
2.- Llaves mixtas 3.- Llave doble boca 4.- Nivel 5.- Vernier 6.- Dados 7.- Desarmador plano 8.- Palanca soldada 9.- Probeta
PROCEDIMIENTO 1. Desajustar los pernos de de la tapa de balancines. 2. Retirar la tapa de balancines. 3. Desajustar lo pernos del eje de balancines y los pernos de la c ulata 4. Destapar la culata del bloque de cilindros. 5. Girar el cigüeñal hasta que el émbolo del primer cilindro ocupe su posición del PMS. 6. Voltear la culata, nivelarlo previamente para proceder del mismo modo con el llenado del volumen muerto con aceite, para tener el total del volumen muerto del cilindro. 7. Continuar girando el cigüeñal hasta que el ém bolo ocupe su posición del PMI. 8. Con el vernier se mide el diámetro interior del primer cilindro del motor. motor. 9. Medir la longitud de la carrera de l émbolo desde el PMS hasta el PMI. 10. Contar el número de dientes de la volante de inercia. 11. Calibrar los balancines para la posterior toma de datos de apertura y cierre de la válvula de admisión y escape. 12. Volver a gira el cigüeñal y observar el momento en que se abre la válvula de admisión, medir el ángulo de avance de la apertura de la válvula de admisión. 13. Proceder del mismo modo para determinar el ángulo de retraso del cierre de la válvula de admisión. 14. Constatar mediante el giro del cigüeñal el cumplimiento de los procesos de compresión (las válvulas de admisión y de escape deberán estar cerr adas) y de expansión. 15. Estando el émbolo del primer cilindro en su carrera de expansión observar el momento en que se abre la válvula de escape; me dir el adelanto de dicha apertura respecto al PMI. 16. Continuar el giro del cigüeñal siguiendo el proceso de escape (la válvula de escape debe permanecer abierta); observar el momento en que se abre la válvula de escape; medir el adelanto de dicha apertura respecto al PMS. 17. Girar el cigüeñal de tal modo que el primer émbolo llegue a su posición del PMS; a partir de allí, hacer girar e l cigüeñal dos vueltas en el tr anscurso de las cuales, observando que se cumpla en los demás cilindros el encendido se da cuando se produce la carrera de expansión).
DATOS TOMADOS EN EL LABORATORIO
IDENTIFICACIÓN DEL MOTOR : N° de cilindros
3
Diámetro del cilindro
76.35 mm
CARRERA
72.55 mm
VOLUMEN MUERTO
27 ml
DIENTES DE LA VOLANTE
108
Angulo de adelanto de apertura de la válvula de escape (Φ2)
19
Angulo de adelanto de apertura de la válvula de admisión (Φ1)
8
Angulo de retraso de cierre de la válvula de escape (Φ4)
8
Angulo de retraso de cierre de la válvula de admisión (Φ3)
28
CALCULOS Y RESULTADOS Motor Daihatsu, 3 cilindros, 4 tiempos Carrera del émbolo
S = 72.55 mm
Diámetro del cilindro
Ф =76.35 mm
Cilindrada Volumen muerto = 27 ml (por diferencia de volúmenes en la probeta) Cilindrada unitaria: Vh =
2
D S 4
Vh = 332.16 ml.
Cilindrada Total = 332.16 x 3 = 996.48 m l
Relación Geométrica de de compresión compresión ε =
Va = Vh + Vc = 1+ Vh Vc Vc Vc
ε= 1+ 332.16 27
ε = 13.30
Distribución de Válvulas Diagrama Circular de apertura y cierre de válvulas Número total de dientes = 108 Angulo de adelanto de apertura de la válvula de escape (Φ2): 19
Φ2= 63.33°
Angulo de adelanto de apertura de la válvula de admisión (Φ1): 8
Φ1= 26.67°
Angulo de retraso de cierre de la válvula de escape (Φ4): 8
Φ4= 26.67°
Angulo de retraso de cierre de la válvula de admisión (Φ3): 28
Φ3 = 93.33°
OBSERVACIONES, CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Gracias al pequeño volumen muerto comparado con el volumen desplazado y a la hendidura que presenta el pistón en su parte superior, se puede realizar la compresión de tal manera que por el pequeño relativo volumen muerto se generen las condiciones necesarias para el encendido del combustible.
El pistón presenta en su parte superior relieves, siendo estos de gran ayuda para una mejor combustión.
La relación de compresión (ξ=1 3.30), está en el rango de los motores Diesel.
Para hacer las mediciones del volumen, esta se hizo indirectamente, utilizando utilizando para este fin diferencia de volúmenes de aceite.
Para hacer las mediciones del volumen, se utilizo un nivelador de burbuja para una mayor precisión.
Al realizar las mediciones con vernier, este tiene una precisión estándar, la cual posee cierto grado de error, además del error del ojo humano.
Al medir el volumen muerto debemos tener cuidado de no rebalsar el volumen que estamos midiendo puesto que ese es muy pequeño. pequeño.
Debemos tener cuidado al momento de ensamblar el motor pues puede ser que estén mal puesto las válvulas y doblemos las varillas que levantan los balancines.
