UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PANAMÁ FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA MECANISMOS Gu í a de L ab o rat o rio No .1 M e c an an i s m o d e l M o t o r d e G a s o l i n a C u a tr t r o T i em em p o s u n C i l i n d r o
1. Descripción Esta experiencia permitirá comprender los conceptos básicos de los mecanismos de un motor de gasolina de cuatro tiempos y un solo cilindro. Incluye el mecanismo de biela-manivela-corrediza y el mecanismo de accionamiento de las válvulas de admisión y escape.
2. Objetivos Generales 2.1. Identificar los eslabones y pares que componen los mecanismos de un motor de gasolina de cuatro tiempos y un solo cilindro. 2.2. Dibujar el mecanismo biela-manivela-corrediza biela-manivela -corrediza manualmente y utilizando el programa INVENTOR. 2.3. Analizar gráficamente el mecanismo mecanism o biela-manivela-corrediza biela-m anivela-corrediza mostrando su configuración en distintas fases para un ciclo termodinámico (admisión, compresión, potencia y escape). Incluir en el análisis el mecanismo de accionamiento de las válvulas de admisión y escape.
3. Objetivos Específicos 3.1 Identificar los eslabones y pares que componen los mecanismos m ecanismos de un motor de gasolina de cuatro tiempos. 3.2 Analizar el funcionamiento de un motor de gasolina de cuatro tiempos de un solo cilindro. Comprender los términos ciclo termodinámico y ciclo mecánico. 3.3 Identificar los mecanismos mecanism os que componen un motor de gasolina de un cilindro y cuatro tiempos. Mecanismo biela-manivela-corrediza y el mecanismo de accionamiento de las válvulas de admisión y escape. 3.4 Desarrollar los diagramas cinemáticos cinem áticos de los mecanismos m ecanismos de un motor m otor de gasolina de un solo cilindro. 3.5 Describir el movimiento de cada eslabón en cada uno de los mecanismos. 3.6 Identificar el ciclo termodinámico, el ciclo del cigüeñal y el ciclo del árbol de levas. El primero debe mostrar la posición del pistón en función del ángulo de giro del cigüeñal, el otro la posición de las válvulas en función del ángulo de giro del cigüeñal. 3.7 Utilizar el programa INVENTOR para pa ra analizar anal izar el movimiento de un mecanismo biela-manivela-corrediza. 3.8 Desarrollar el diagrama cinemático del prototipo estudiado en el laboratorio. 1
4. Equipos y materiales a utilizar 4.1 Modelo didáctico de un motor de gasolina de cuatro tiempos de un solo cilindro. 4.2 Regla graduada en mm 4.3 Papel 8 ½”X11” 4.4 Juego de geometría 4.5 Programa INVENTOR
5. Metodología 5.1 Mediciones mediante observación directa, comparación y pruebas. 5.2 Identificación de los pares y eslabones de cada mecanismo. 5.3 Discusión de las experiencias y resultados. 5.4 Desarrollo de diagramas cinemáticos, manualmente y mediante INVENTOR. 5.5 Análisis cualitativo y cuantitativo. Sistema Internacional (SI). 5.6 Investigación complementaria. 5.7 Evaluación: asistencia, participación, aporte individual y de grupo. 5.8 Entrega y evaluación del reporte. El estudiante presentará resultados grupales y conclusiones individuales.
6. Procedimiento 6.1 Ponga en movimiento el modelo didáctico del motor de gasolina de cuatro tiempos de un cilindro y analice visualmente el funcionamiento de cada uno de los mecanismos que lo componen. Inicie con la carrera de admisión. 6.2 Identifique cada uno de los eslabones y pares del sistema y haga una lista enumerada. 6.3 Desarrolle dibujos esquemáticos, manualmente, de los mecanismos individuales y uno del sistema completo. 6.4 Desarrolle un dibujo esquemático del mecanismo biela-manivela-corredera mediante INVENTOR.
7. Preguntas y Resultados 7.1 Desarrollar el diagrama cinemático del mecanismo de un motor de gasolina de cuatro tiempos de un solo cilindro. Mecanismo bielamanivela-corrediza. 7.1.1 Identificar los eslabones y pares. 7.1.2 Determinar el número de grados de libertad. 7.1.3 Definir el movimiento de cada eslabón en el mecanismo. 7.1.4 Determinar la longitud de la carrera del pistón. 7.1.5 Dibuje el mecanismo biela-manivela-corrediza mediante INVENTOR y simule el funcionamiento del mismo. 7.2 Desarrollar, manualmente, el diagrama cinemático del mecanismo de accionamiento de las válvulas de admisión y escape. 7.2.1 Identificar los eslabones y pares. 7.2.2 Determinar el número de grados de libertad. 2
7.2.3 Definir el movimiento de cada eslabón en el mecanismo. 7.2.4 ¿Cuál es la relación de velocidad entre el árbol de levas y el cigüeñal? 7.3 Acoplar ambos mecanismos, manualmente, indicar claramente la posición de las levas en el árbol de levas. 7.4 Determinar la relación de velocidad entre el cigüeñal y el árbol de levas. 7.5 Tomando como referencia el inicio de la carrera de admisión, ponga en movimiento el modelo y llene la siguiente tabla. Grados del cigüeñal 0 – π Π - 2π 2π - 3π 3π - 4π
Carrera del Pistón
Grados del árbol de levas
Válvula de Adminsión
Válvula de Escape
7.6 Dibuje dos diagramas para un ciclo termodinámico (dos ciclos del cigüeñal, un ciclo del árbol de levas). El primero debe mostrar la carrera en función del ángulo de giro del cigüeñal, el otro la posición de las válvulas en función del ángulo de giro del cigüeñal. 7.7 Dibuje el árbol de levas en la posición de 0° (justo antes del inicio de la carrera de admisión). Muestre la posición relativa entre las levas.
8. Análisis y conclusiones (respuesta individuales) 8.1 ¿Qué suposiciones son necesarias para la simplificación del diagrama cinemático estudiado en el laboratorio? 8.2 Investigue sobre otros mecanismos para accionar las válvulas de admisión y escape. 8.3 ¿Qué diferencias existen entre un motor de gasolina y un motor Diesel de cuatro tiempos y un solo cilindro? 8.4 ¿Qué importancia ha tenido el desarrollo de los motores de combustión interna al progreso de la humanidad? 8.5 ¿Cuál es el mayor aporte que esta experiencia ha tenido en usted?
9. Bibliografía (individual por estudiante) Indicar la bibliografía utilizada para desarrollar esta experiencia de laboratorio.
10. Teoría Un mecanismo es una cadena cinemática formada por elementos “rígidos”, unidos entre sí, cuya función es transmitir movimiento. Una máquina es un mecanismo que transmite fuerza y movimiento. Un motor es una máquina que transforma energía. 3
Una junta o par es la conexión articulada entre los eslabones o elementos rígidos que forman un mecanismo. Existe un par inferior cuando los eslabones tienen contacto de superficie y un par superior cuando los eslabones tienen contacto de línea o punto. La posición de un mecanismo en cualquier instante está definida por sus grados de libertad (número de variables independientes necesarias). Para un mecanismo planar, los GDL están dados por la ecuación de Gruebler modificada : ( )
Donde: N = No. de eslabones j´= No. de pares inferiores j” = No. de pares superiores Un motor de gasolina de cuatro tiempos es una máquina de combustión interna, donde se acoplan elementos simples, para integrar un sistema capaz de aprovechar la energía producida por la combustión de una mezcla de airecombustible, dentro de un cilindro y crear movimiento. El ciclo termodinámico completo en un motor de combustión, como el estudiado en este laboratorio, se realiza en cuatro carreras del pistón: admisión, compresión, potencia y escape. Durante este periodo de tiempo tienen lugar dos ciclos mecánicos. La válvula de admisión permite la entrada de la mezcla aire gasolina al cilindro y la válvula de escape permite la salida de los gases de escape. El eje del cigüeñal esta acoplado al árbol de levas mediante engranes, bandas o cadenas de transmisión. Un modelo didáctico de un motor de gasolina de un cilindro se muestra en la Figura 1.1.
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Figura 1.1 Motor de gasolina de un cilindro – cuatro tiempos En un ciclo termodinámico, el fluido de trabajo sufre una transformación a lo largo del ciclo, pero en el punto de partida vuelve a tener las mismas propiedades iniciales. El ciclo del motor de gasolina en realidad, no es un ciclo termodinámico aunque se considera así, ya que al finalizar la última carrera (escape), siempre entrará mezcla nueva a la cámara (admisión). Por cada dos revoluciones o ciclo mecánico del sistema biela-manivelacorrediza, habrá un ciclo termodinámico y un ciclo del mecanismo de accionamiento de las válvulas. La Figura 1.2 muestra un diagrama cinemático simplificado del mecanismo biela-manivela-corredera y de mecanismo de accionamiento de una de las válvulas.
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Figura 1.2 Mecanismos de un motor de gasolina de un cilindro y cuatro ciclos
La Figura 1.3 muestra las carreras de admisión, compresión, potencia y escape. Puede observarse la carrera donde abre la válvula de admisión y la carrera donde abre la válvula de escape. Igualmente, se muestra el momento en que se activa la bujía. La comprensión del funcionamiento de un motor de gasolina de un cilindro y cuatro tiempos nos permitirá entender el funcionamiento de motores de cuatro y mas cilindros.
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Figura 1.3 Dos ciclos mecánicos y un ciclo termodinámico
11. Referencias: 11.1 Kinematics and Dynamics of Machinery. Charles E. Wilson, J.P. Sadler y W.J. Michels. Quinta edición. Harper&Row, Publeshers, New york, 1983.
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