PONTIFICIA PONTIFICIA UNIVERSIDAD UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ FACULTAD FACULTA D DE CIENCIA E INGENIERÍA INGENIERÍA INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA
Motores de com bustión interna – MEC299 L ABORATORIO AB ORATORIO N° 01 01 DESENSAMBLE Y ENSAMBLE DE UN MOTOR DE 4 TIEMPOS
Nombre y Apellidos: John Taco Lopez
Código:
20125125
Profesor:
Dr. Julio César Cuisano Egúsquiza
Jefe de Práctica:
Ing. Juan Diego Mendoza Nuñez
Fecha: 08/09/2017
1.
OBJETIVOS OBJETIVOS ............... ............................... ................................. .................................. .................................. .................................. ........................ ....... 3
2.
EQUIPOS E INSTRUMENTOS .............................................................................. 3
3.
DATOS MEDIDOS MEDIDOS............................................. ............................................................. ................................. .................................. ................... .. 4
4.
DATOS CALCULADOS CALCULADOS ............... ............................... ................................. .................................. ................................. ........................ ........ 4
5.
4.1
VOLUMEN VOLUMEN MUERTO MUERTO ................ ................................. .................................. ................................. ................................. ................... .. 4
4.2
VOLUMEN DESPLAZADO (UNITARIO) ......................................................... 6
4.3
RELACION DE COMPRESION ...................................................................... 6
4.4
PRESION Y TEMPERATURA INDICADA MAXIMA (SIN COMBUSTION) ..... 6
4.5
PRESION MAXIMA MEDIA EFECTIVA .......................................................... 8
RESULTADOS Y ANALISIS .................................................................................. 9 5.1
ESQUEMA DE MECANISMO CINEMATICO PISTON-BIELA-CIGUEÑAL ..... 9
5.2
PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO ......... .................. ........... ¡Error ¡Error ! Marcador Marcador no defini do.
5.3
SISTEMA DE LUBRICACION ....................................................................... 13
5.4
SISTEMA DE DISTRIBUCION...................................................................... 14
5.5
DISEÑO DEL PISTON MECH ...................................................................... 17
5.6
PÉRDIDAS DE BLOW-BY ............................................................................ 21
6.
CONCLUSIONE CONCLUSIONES S ................ ................................ ................................. ................................. ................................. ............................... .............. 22
7.
BIBLIOGRAFI BIBLIOGRAFIA A ................ ................................. .................................. .................................. ................................. ................................. ................. 23
•
•
•
•
Identificar los principales componentes que conforman un motor de combustión interna alternativo, cuatro tiempos, con encendido por chispa (MECH). Desensamblar un MECH y realizar las mediciones de las dimensiones geométricas que definen la cámara de combustión y el conjunto cinemático pistón-biela-cigüeñal. Ensamblar el MECH siguiendo las especificaciones técnicas recomendadas por el fabricante. Verificar el diagrama de distribución para determinar los instantes de aperturas y cierres de válvulas del MECH.
•
MECH marca RENAULT de cuatro tiempos, cuatro cilindros en línea.
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Juegos de llaves de boca y corona.
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Juego de dados y ratchet extensible.
•
Martillo de goma.
Micrómetro.
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Vernier.
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•
Galgas para calibrar válvulas.
•
Medidor de nivel.
•
Jeringa y liquido hidráulico.
Primeramente, lo que se hizo fue desmontar el motor con las indicaciones del Jefe de practica y del líder del grupo Melvin Sopla. Se empezó por la parte de la culata con ayuda de los dados, llaves y demás herramientas. Mientras se sacaban cada uno de los componentes del motor surgían dudas acerca de algunas partes del motor lo cual se fue explicando y descubriendo mientras se avanzaba el laboratorio. Luego se procedió a las mediciones que se muestran. Se utilizo vernier, liquido hidráulico y una jeringa para las mediciones. En la tabla dos se muestran detalladamente lo que se midió en el laboratorio. Tabla N° 1. Parámetros medidos PARAMETRO
SIMBOLO UNIDAD
Diámetro del cilindr o Carrera del pist ón Espesor de empaquetadura Longit ud de la biela Longit ud de manivela del cigüeñal Volumen de cámara de la culata Volumen de la cámara del cilindro
. . . . . . .
VALOR 78.50 80.50 1.5 128.10 40.25 37 4
Se procedió a hallar el volumen muerto con las mediciones de la culata, el cilindro y la empaquetadura.
= …………..………………... (Ec.1)
= ×× ……………………………………..……….… (Ec.2)
1.5××78.5 = 4×1000 =7.26 Se procede a calcular el volumen de cámara de la culata y el volumen de la cámara del cilindro en .
=37 =4
Finalmente, se procede a reemplazar los valores en la ecuación 1. Con esto se obtiene:
=3747.26 =48.26 •
•
Ángulo de giro del eje cigüeñal correspondiente a la apertura y cierre de la válvula de admisión. Ángulos de giro del eje cigüeñal correspondientes a la apertura y cierre de la válvula de escape.
Estos valores de los ángulos se tomaron del manual técnico del motor Renault.
Tabla N° 2
Del grafico y la tabla se puede deducir la duracion de cada etapa Admision = AAA+180+RCA=3+180+38=221° Compresion=180-RCA=142° Expansión =180-AAE=135°
Escape=180+RCE+AAE=180+4+45=229°
Para poder determinar el volumen desplazado, se hace uso de la siguiente ecuación:
= × …………………………………………………………(Ec.3) Dónde:
: ó Para el cálculo del área del pistón se usara la ecuación 4. ×
=
…………………………………………………………..…… (Ec.4)
Con las formulas descritas, se procede a calcular el volumen desplazado unitario.
×7,85 = 4 ×8,05 =389.6
+ ………………………………………………………………... (Ec.5) = Dónde:
= Se procede a realizar el cálculo, para esto se reemplaza los valores calculados en la ecuación 5.
= 389.648.26 48.26 =9.07 Se aproxima al ciclo de Otto para motores de encendido por chispa con procesos poli trópicos. Se cumple la siguiente expresión:
= − = − = − ………..1 Los subíndices 1, 2,3 y 4 indican a los puntos básicos del ciclo ideal. A continuación, se muestra un esquema del ciclo de Otto.
Figura 1. Ciclo Otto Teórico Fuente: http://www.antonioguilherme.web.br.com/Arquivos/ciclo_otto.php
Dónde:
: : : Se procede a reducir la expresión 1 para el cálculo de la presión máxima indicada. Se obtiene lo siguiente:
4 × 1.3 = 3 ….2
Para motores comerciales se considerará como valores típicos entre 7 y 11. Además, el exponente para la compresión y expansión aproximada del libro de Heywood es . Además, (atmosférica) y,
=1,3
= 1
= 293
Con estas consideraciones se procede a hallar el valor de presión máxima con los datos experimentales.
, =9.07
=17.57 Finalmente, se procede a calcular la temperatura máxima indicada.
= − =9.07,− 293 =567.8
Se procede hacer el cálculo con el valor de la relación de compresión del manual de motor RENAULT, el valor mínimo y máximo de los motores comerciales. Tabla N° 3 Relación d e compresión
Presión (bar)
Temperatura (K)
=, =. =, =,
12.55
525.30
17.57
567.74
19.18
579,29
22.58
601,57
Gráfica 1. Presión máxima indicada vs relación de compresión
Para el cálculo de la presión media efectiva, se hará uso de la siguiente expresión matemática:
= ×4× …3 Dónde:
= 148 = 1598 Resultado:
=11.64
= 48.26 = 389.6 =80.5 =128.1 =40.25 = = = = =
Figura 2. Esquema biela-pistón-cigüeñal
Tabla: Comparación de valores medidos y valores del manual Medición
Diámetro de Cilindr o (mm) Carrera de Pistón (mm) Espesor de la Empaquetadura (mm) Volumen de la cámara de la Culata (mL) Volumen de la cámara del Cilindro (mL) Volumen total Desplazado (mL) Relación de Compresión (rc) Longit ud de la Biela (mm) Longi tud d e la Manivela del cigüeñal (mm) Ángulo de giro del eje de cigüeñal correspondiente a la apertura de la válvula admisión Ángulo de giro del eje de cigüeñal correspondiente al cierre de la válvula admisión Ángulo de giro del eje de cigüeñal correspondiente a la apertura de la válvula escape Ángulo de giro del eje de cigüeñal correspon diente al cierre de la válvula escape
Valor
Valor en manual
Medido
RENAULT
78.5 80.5 1.5 37 4 1558.4 9.07 128.1 40.25 -
79.5 80.5 1598 9.7 3°
-
38°
-
45°
-
4°
Se puede observar que los valores medidos son muy parecidos a los valores del manual marca Renault. ]Esto debido a que se realizó una buena medida de los componentes tales como el cilindro empaquetadura y demás.
De la geometría dada se puede deducir la siguiente ecuación:
Figura 3. Geometría de la posición de la biela
=×cosƟ ×sinƟ. Esta ecuación corresponde a la ecuación de posición del pistón en el eje X con la referencia que se da según el grafico.
Por otro lado, si se desea saber la ecuación de la velocidad lo que se hará es derivar la ecuación anterior con respecto al tiempo y con esto se puede obtener la ecuación de velocidad del pistón.
̇ ×sinƟ−. ×2× ×sinƟ ×cosƟ ×Ɵ ̇ ̇ =×sinƟ × Ɵ ̇ 0.5× Además, si se desea obtener la ecuación de aceleración del pistón lo que se hará a continuación será derivar la ecuación de velocidad con respecto al tiempo y con ello se tendrá la ecuación de aceleración.
̈ =×cos Ɵ × Ɵ ̇ ×sinƟ × Ɵ ̈ 12 × ×sinƟ−. × ( ×2sinƟ ×cosƟ ×Ɵ ̇) ×(×sinƟ ×cosƟ × Ɵ ̈)×cosƟ ×Ɵ ̇ sinƟ ×cosƟ × Ɵ ̈ sinƟ × Ɵ × Ɵ ̇× ×sinƟ. Gráfica 2. Posición del pistón con respecto al ángulo
Ɵ
Se puede observar en la gráfica 2 que la apertura de la admisión se da cerca del PMS ( =0) con un adelanto de 3 °. Por otro lado, el cierre del escape se da con un retraso de 4° con respecto al PMS. Esto trae como consecuencia que tanto la admisión como el escape están abiertos en un periodo de tiempo. Por otro lado, la apertura del escape se da con un adelanto de 45 ° con respecto al PMI. Además, el cierre del escape se da con un retraso de 38°
Ɵ
Comentarios de los valor e de presión media efectiva El valor de la presión media indicada es 17.57 bar por otro lado el valor de la presión media efectiva es 11.64 bar. La temperatura indicada sin combustión dio un valor de 567.74 K. Se puede comentar acerca de estos resultados que con los valores de potencia media indicada y efectiva se pueden hallar las perdidas mecánicas que son la resta de estos dos que vendría a ser 5.93 bar que corresponden a las perdidas mecánicas ( bombeo auxiliares y rozamiento). Por otro lado, se puede mencionar que el valor de la presión media indicada se halló con una relación de compresión de 9.07 y por lo tanto salió muy parecido al valor que se halla con los valores del fabricante (relación de compresión= 9.7). Además se puede apreciar que el valor de presión media
efectiva se encuentra en el rango de valores comunes de presión media indicada ( 12.55-22.58 bar ) que son valores calculados por los valores comunes y extremos de relación de compresión (7 y 11) Por otro lado la temperatura indicada es cercano a los valores típicos debido a que estos valores típicos han sido calculados en base a valores típicos de relación de compresión , es por ello que los valores hallados con datos experimentales son muy cercanos. La comparación cuantitativa se puede ver de forma más clara en la tabla N°3.
Se puede observar según la geometría que el valor de volumen varia con respecto a la variación de la posición del pistón. Por otro lado, la ecuación de la posición la hemos hallado anteriormente, es por ello que se reemplazará la variable x en función del ángulo teta.
= 4 × × ×sinƟ . =×cosƟ = × ××cosƟ ×sinƟ.) = ×0.0785 ×0.12810.040250.04025×cosƟ 0.1281 0.04025 ×sinƟ.)
Gráfica 3. Volumen desplazado con respecto al ángulo
Ɵ
En la gráfica dos se puede observar que tomamos como punto de inicio el ángulo -360° en el cual el volumen desplazado es 0 y la apertura de admisión y cierre de escape se da con los ángulos mencionados de adelanto y retraso respectivamente cuando el pistón se encuentra cerca del PMS. Por otro lado, se puede apreciar en la gráfica según la referencia dada que en el PMI se tiene un pico de volumen desplazado (0.00038 metros cúbicos) Luego de este pico con se aprecia en la gráfica se da el cierre de la apertura cerca del punto muerto inferior. Posterior a esto luego de la compresión y la expansión se da la apertura del escape cerca del PMI como se puede apreciar en la gráfica con su respectivo ángulo de apertura que se menciono
El sistema de lubricación permite que los componentes metálicos del motor alarguen su vida debido a que el lubricante evita en cierta medida el rozamiento entre metal- metal. Hay diversas formas de lubricar los componentes del motor. Una de ellas es que el lubricante llegue por medio de bomba y un circuito interno en los componentes. Por otro lado, se puede hacer por salpicadura por medio del movimiento del cigüeñal y el aceite que se encuentra en el Carter. Como se puede apreciar en la figura 4 existen ciertos componentes principales en el sistema de lubricación: -Carter -Bomba - Sistema de refrigeración
- Filtro
El lubricante pasas por cada uno de los ítems mencionados para luego ir (por medio de conductos internos) a los elementos a lubricar como el cigüeñal o el pistón.
Figura 4. Sistema de lubricación del motor Fuente: http://laspalmastecnologica.blogspot.pe/2015/03/motores-tema-53-sistemasde-lubricacion.html
El sistema de distribución es el encargado de que las válvulas de admisión y de escape se cierren o se abran con el debido sincronismo con el cigüeñal y con el movimiento de los pistones. Como se puede apreciar en la figura 5 el eje de levas va conectado al cigüeñal por medio de fajas y poleas. En consecuencia, se tiene cierto sincronismo con el cigüeñal como ya se mencionó. En el motor Renault que se desarmó se pudo observar que se tenían dos ejes de levas los cuales correspondían al eje de levas para las
válvulas de admisión y el eje de levas para las válvulas de escape. E
Figura 5. Sistema de distribución del motor Fuente: https://es.slideshare.net/sufuruncia/sistema-de-distribucion-50610647
Figura 6. Sistema de distribución del motor Renault
Debido al sincronismo y a las revoluciones que da la leva con respecto al cigüeñal se tiene ciertos angulos de adelanto y atraso de la admisión y del escape. Por otro lado se puede apreciar estos retrasos y adelantos en la figura 7.
Figura 7: Grafica de distribución de un motor de combustion interna (Payri, 2010) Del grafico se puede deducir la duracion de cada etapa Admision = AAA+180+RCA=3+180+38=221° Compresion=180-RCA=142° Expansión =180-AAE=135° Escape=180+RCE+AAE=180+4+45=229°
Diseño de un pistón.Se puede obervar las siguientes partes del piston en la figura 2.1 Falda Zona de segmentos Alojamiento de bullon Cabeza de pistón
• • • •
Figura 8: Partes principales de una biela (Payri, 2010)
Para el diseño geometrico del piston del MECH tomaremos en cuenta las siguientes reocmendaciones geometricas del libro payri.
Figura 9: Medidas recomendadas de una biela (Payri, 2010)
Tabla 4 : Recomendaciones para piston (Payri, 2010)
Como se puede obervar la geometria que se muestra en la figura queda definida con el diamtro del piston. En el caso de el motor analizado el diametro tiene como medida 78.5 mm con lo cual quedan definidas las medidas siguientes : Tabla 5 : Medidas calculadas (Payri, 2010)
DIMENSIONES
SIMBOLO
MEDIDA(mm)
ALTURA
H
82
H-H1
35
DISTANCIA BULONCABEZA LONGITUD DE FALDA
43
DIAMETRO EXTERIOR DEL BULON
dc
24
ESTANQUEIDAD
h
1.8
RASCADORES
H-H2
3.3
JUEGO DIAMETRAL
EN CABEZA
0.31
EN FALDA
0.12
Por otro lado para e ldiseño de el alojamiento del -Bullon tomaremos las siguientes recomendaciones del payri.
Figura 9: Bullon (Payri, 2010)
Tabla 6 : Recomendaciones para bullon (Payri, 2010)
Tomaremos la recomendación para el motor encendido por chispa. Por lo tanto d=18 mm e=3 mm Materiales.Con respecto a los materiales lo mas conveniente a escoger para los motores de encendido por chispa según el libro de payri es una aleacion combinada debido a que estas aleaciones pueden albergar propeidades como buena resistenca mecanica, elevado coeficiente de conductividad y coeficientes de dilatacion termica moderados. En la siguiente tabla se mostrará la aleacion escogida para el diseño de nuestro piston que es una aleacion tipica para motores MECH. Tabla 6 : Materiales para piston de motor MECH (Payri, 2010)
Las perdidas blow bly son aquellos gases (aire e hidrocarburos) que no se llegan a quemar en el fenómeno de la combustión. Es por ello que estos gases escapan y pasan al cárter. Luego que estos gases pasan al cárter generan una contrapresión que genera que el aceite que se encuentra en el cárter no llegue con la presión ideal a los conductos de distribución para la lubricación de la biela. Por otro lado, para solucionar el problema con estos gases lo que se hace es darle un retorno a la cámara de combustión. En consecuencia, estos gases ingresan junto con el aire y se queman en el fenómeno de combustión. Estos gases contienen combustible y es por ello que tienen que ser retornado porque guardan energía que no se puede perder. En la experiencia de laboratorio se vio claramente los orificios de retorno de los gases blow-by los cuales reingresaban a la cámara de combustión para aprovechar la energía que tiene almacenada.
Figura 10: Motor de combustion interna
Se puede observar en la figura con la flecha indicada que en el laboratorio se observó claramente por donde retornaban los gases Blow- Bly
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Se concluye que el valor de relación de compresión experimental es de 9.07 y está dentro de los valores usuales de relación de compresión que varían de 7 a 11. Por otro lado, el valor hallado a partir de medidas se aproxima mucho al valor dado en los catálogos que es 9.7, esta diferencia se debe a que los en los valores experimentales hay cierto error debido a las mediciones. Se concluye que los valores del grafico volumen desplazado vs Angulo concuerdan con la tendencia teórica de volumen desplazado vs Angulo. Se puede observar en la gráfica que el valor mínimo del volumen desplazado es 0 en el Angulo 0°. Por otro lado, para el Angulo de aproximadamente 180 ° se encuentra el volumen desplazado máximo que sale 0.00038 metros cúbicos. Esto se da cuando el pistón se encuentra en el punto muerto superior. Todo l anterior concuerda con el modelo teórico según el libro de Payri que muestra una tendencia muy parecida a la gráfica sacada de los valores del laboratorio. Se puede concluir a partir de la presión media efectiva máxima calculada (11.64 bar) concuerda con los valores típicos dados por el libro de Payri para motores MECH de 4 cilindros que son de aproximadamente 13 bares. Se concluye que el valor de la presión media indicada calculada con valores experimentales es parecido al valor calculado con valores de catálogo. El valor de la presión indicada experimental es de 17.57 bar y el valor sacado con valores de catalogo19.58 bar. Por lo tanto, comparando estos valores se tiene un valor porcentaje de error relativo de 10% el cual es debido a los pequeños errores de mediciones debido a que el modo que se midió el volumen muerto (jeringas y lubricante) es una forma inexacta de hacerlo y por otro lado los instrumentos de medición y aproximación influyen en la relación de compresión. El valor de compresión es el que se tomó para hallar el valor de presión media efectiva y es por ellos que los errores en mediciones mencionados afectan a lel valor de presión media indicada. El valor de la temperatura indicada que corresponde a la máxima en el ciclo termodinámico fue de 567.74. Este valor hallado a partir de datos experimentales comparado con el valor calculado a partir de datos de catálogo (579.29K) da un error relativo de 19.9 %. Esto debido a los errores de medición tanto de volumen muerto como diámetro de pistón y carrera. Se puede concluir a partir del grafico uno que la relación presión media indicada vs relación de compresión es lineal. A más relación de compresión se tendrá una mayor presión media indicada y aumentaran linealmente entre ellos. Esto debido a que al tener un mayor volumen desplazado ( que aumentaría la relación de compresión a un volumen muerto constante) hará que una mayor cantidad de mezcla reaccione y que esto genere una mayor presión en el pistón debido a que hay una mayor liberación de energía en el fenómeno de la combustión. .
Heywood, J. (1988). The Internal Combustion Engine Fundamentals. First Edition. New York: McGraw-Hill. Cuisano, J. (2017). Motores de combustión interna . Lima: Pontificia Universidad Católica del Perú (PUCP) . Payri, F. Desantes, J. M. (Ed.). (2010). Motores de combustión interna alternativos. Barcelona, España: Editorial Reverte S.A.
