Marco teorico.docx

1. RESUMEN En este presente laboratorio de motores a combustión interna, se realizara una de la prueba más fundamentales que debe de tener en conocimiento cualquier persona que quiera llevar un curso de motores a combustión interna, ya que este es de especial importancia en el mundo globalizado en que vivimos, procuramos en este laboratorio reconocer todas las partes principales que comprende un motor a combustión interna mediante la observación y la manipulación de esta parte para logra familiarizarnos con ellas, así como también realizar mediciones con el fin de determinar ciertos parámetros que caracterizan a un motor de combustión interna.

2. OBJETIVOS  

Reconocer las partes principales del motor a combustión interna Determinar los parámetros constructivos del motor a combustión interna

19 de septiembre de 2017

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3. MARCO TEORICO Partes del motor En el motor de combustión interna, tanto en los motores de 2 tiempos y 4 tiempos, la finalidad de cada sistema general de alimentación, distribución, encendido, refrigeración y lubricación es acabar en una de las 3 partes siguientes:   

Bloque del motor Culata Cárter

Estas tres partes del motor, son las partes vitales, porque como ya hemos dicho antes, cualquier sistema su objetivo es acabar aquí para realizar su función. Bloque del motor El bloque es la parte más grande del motor, en el se instalan los cilindros donde aquí los pistones suben y bajan. También por aquí se instalan los espárragos de unión con la culata y pasa el circuito de lubricación y el circuito de refrigeración. Los materiales utilizados para la construcción del bloque han de ser materiales capaces de resistir las altas temperaturas, ya que aquí se realizan también los procesos de expansión y escape de gases. Generalmente el bloque motor está construido en aleaciones de hierro con aluminio, con pequeñas porciones de cromo y níquel. Con esta aleación conseguimos un material de los cilindros nada poroso y muy resistente al calor y al desgaste.


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Partes del bloque del motor En el bloque motor se encuentran los distintos componentes:      

Junta de culata Cilindros Pistones Anillos Bulones Bielas

Junta de culata La junta de culata es la encargada de sellar la unión entre la culata y el bloque de cilindros. Es una lámina muy fina fabricada generalmente de acero aunque también se le unen diversos materiales como el asbesto, latón, caucho y bronce. La junta de culata posee las mismas perforaciones que el bloque motor, la de los pistones, los espárragos de sujeción con la culata y los conductos de refrigeración y lubricación, para poder enviar a éstos a la culata.

Cilindros En los cilindros es donde los pistones realizan todas sus carreras de admisión, compresión, expansión y escape. Es una cavidad de forma cilíndrica. En el interior de los cilindros las paredes son totalmente lisas y se fabrican con fundiciones de acero aleadas con níquel, molibdeno y cobre. En algunos casos se les alea con cromo para una mayor resistencia al desgaste. En el cilindro se adaptan unas camisas colocadas a presión entre el bloque y el cilindro, la cual es elemento de recambio o modificación en caso de una reparación. De esta manera conseguimos que el bloque este más separado del calor y podemos utilizar materiales más ligeros como el aluminio para la su construcción. Pistones El pistón es el encargado de darle la fuerza generada por la explosión a la biela, para que ella haga el resto.


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Debido a los esfuerzos tanto de fricción como de calor a los que está sometido el pistón, se fabrica de materiales muy resistentes al calor y al esfuerzo físico pero siempre empleando materiales lo más ligeros posibles, para así aumentar su velocidad y poder alcanzar regímenes de rotación elevados. Los pistones se acostumbran a fabricar de aleaciones de aluminio-silicio, níquel y magnesio en fundición. Para mejorar el rendimiento del motor y posibles fallos y averías, se construyen pistones sin falda, es decir, se reduce el rozamiento del pistón con el cilindro gracias a que la parte que roza es mucho menor.

Anillos Los anillos van montados en la parte superior del cilindro, rodeando completamente a éste para mantener una buena compresión sin fugas en el motor. Los anillos, también llamados segmentos, son los encargados de mantener la estanqueidad de compresión en la cámara de combustión, debido al posible escape de los vapores a presión tanto de la mezcla como de los productos de la combustión. También se monta un anillo de engrase, para poder lubricar el cilindro correctamente. Los anillos o segmentos suelen fabricarse de hierro aleado con silicio, níquel y manganeso.


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Bulones Es el elemento que se utiliza para unir el pistón con la biela, permitiendo la articulación de esa unión. El bulón normalmente se construye de acero cementado y templado, con proporciones de carbono, cromo, manganeso y silicio. Para que el bulón no se salga de la unión pistón/biela y ralle la pared del cilindro, se utilizan distintos metodos de fijación del bulón.

Bielas La biela es la pieza que está encargada de transmitir al cigüeñal la fuerza recibida del pistón. Las bielas están sometidas en su trabajo a esfuerzos de compresión, tracción y también de flexión muy duros y por ello, se fabrican con materiales muy resistentes pero a la vez han de ser lo más ligeros posibles. Generalmente están fabricadas de acero al cromo-molibdeno con silicio y manganeso, acero al cromo-vanadio o al cromo-níquel o también podemos encontrar bielas fabricadas de acero al carbono aleado con níquel y cromo. Aunque es una sola pieza en ella se diferencian tres partes pie, cuerpo y cabeza. El pie de la biela es el que la une al pistón por medio del bulón, el cuerpo asegura la rigidez de la pieza y la cabeza gira sobre el codo del cigüeñal. Generalmente las bielas están perforadas, es decir, se les crea un conducto por donde circula el aceite bajo presión desde la cabeza hasta el pasador, con el fin de lograr una buena lubricación.


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CULATA La culata es la parte superior del motor en donde se encuentran las válvulas de admisión y de escape, el eje de levas, las bujías y las cámaras de combustión. En la culata es donde encontramos todo el sistema de distribución, aunque antiguamente el eje de levas se encontraba en la parte inferior del motor. La culata también tiene conductos de refrigeración y lubricación al igual que el bloque motor, para que por aquí pasen los correspondientes líquidos. La culata es la parte estática del motor que más se calienta, por eso su construcción ha de ser muy cuidadosa. Una culata debe ser resistente a la presión de los gases, ya que en la cámara de combustión se producen grandes presiones y temperaturas, poseer buena conductividad térmica para mejorar la refrigeración, ser resistente a la corrosión y poseer un coeficiente de dilatación exactamente igual al del bloque motor. La culata, al igual que el bloque motor, se construye de aleaciones de hierro con aluminio, con pequeñas porciones de cromo y níquel.


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Pates de la culata En la culata encontramos los siguientes componentes:     

Cámara de combustión Válvulas Guías y asientos de válvulas Árbol de levas Bujías

Cámara de combustión Es un espacio vacío que está ubicado en la culata donde tiene lugar la combustión de la mezcla de aire y combustible. En la cámara de combustión también van ubicas las válvulas de admisión y escape, la bujía y en algunos casos el inyector de combustible (en caso de inyección directa). Las temperaturas alcanzadas en la cámara de combustión son muy elevadas, por eso mismo se ha de mantener siempre bien refrigerada. El volumen de la cámara de combustión tiene que venir determinado por la relación de compresión, es decir, la relación entre el volumen del cilindro y el volumen de ésta.

Válvulas Las válvulas van ubicadas en la cámara de combustión y son los elementos encargados de abrir y cerrar los conductos por donde entra la mezcla (válvulas de admisión) y por donde salen los gases de escape (válvulas de escape). Normalmente la válvula de admisión suele ser de mayor diámetro que la de escape, debido a que la dificultad que hay en entrar los gases de admisión es más elevada que evacuar al exterior los gases de escape. Debido a las altas temperaturas que alcanzan las válvulas (sobre todo las de escape), se fabrican de materiales muy resistentes al calor como aceros al cromo-n íquel, al tungsteno-silicio o al cobalto-molibdeno. En válvulas de admisión, debido a que no


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alcanzan temperaturas tan elevadas se utilizan aceros al carbono con pequeñas proporciones de cromo, silicio y níquel.

Guías y asientos de válvulas Las guías son casquillos en forma alargada, introducidos en los agujeros realizados en la culata para alojarlas, dentro de los cuales se deslizan las válvulas. Los asientos es donde se coloca la válvula en el momento que está cerrada para que haya una buena estanqueidad. Generalmente están fabricadas de acero al cromo-vanadio o al cromo-níquel. La construcción de las guías de las válvulas suele ser de forma cónica, de esta manera no se acumula el aceite que puede ser introducido por error dentro del cilindro. Árbol de levas El árbol de levas o también llamado eje de levas es el elemento encargado de abrir y cerrar las válvulas en el momento preciso. El Árbol de levas se construye de hierro fundido aleado con pequeñas proporciones de carbono, silicio, manganeso, cobre, cromo, fósforo y azufre. En el apartado de sistema de distribución, se darán más detalles de él y de su funcionamiento.


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Bujía La bujía es la pieza encargada de dar una chispa alcanzar la temperatura suficiente para encender el carburante (solo en motores Otto). La bujía va situada en la cámara de combustión muy cerca de las válvulas. En el apartado de sistema de encendido se darán más detalles de ésta.

Carter

El cárter es la parte inferior del motor donde se encuentra el cigüeñal, los cojinetes del cigüeñal y el volante de inercia. En el cárter está depositado el aceite del sistema de lubricación, y en su parte inferior tiene un tapón para el vaciado de éste. El cárter generalmente esta provisto de aletas en su parte externa para mejorar la refrigeración de éste y mantener el aceite a una buena temperatura de funcionamiento, que oscila generalmente entre los 80°C y los 90°C. El cárter debido a que no se calienta demasiado, debe de tener una buena refrigeración para mantener el aceite a una temperatura óptima como ya hemos dicho antes, por eso se construye de materiales muy ligeros pero con una buena conductividad térmica. El material más utilizado es el aluminio, aunque se le mezclan pequeñas porciones de cobre y de zinc.


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Partes de cárter   

Cigüeñal Cojinetes Volante motor

Cigüeñal El cigüeñal es el encargado de transformar el movimiento de la biela en movimiento rotatorio o circular. Junto con el pistón y la biela, se considera la pieza más imporante del motor. El cigüeñal es un eje, provisto de manivelas y contrapesos, dentro de los cuales generalmente se encuentran orificios de lubricación. El cigüeñal es una pieza que ha de soportar grandes esfuerzos, por eso se construye de materiales muy resistentes para que puedan aguantar cualquier movimiento sin romperse. Los cigüeñales normalmente se fabrican de acero al Cromo-Molibdeno con cobalto y níquel.

Cojinetes Los cojinetes son los encargados de unir la biela con el cigüeñal para evitar que haya rozamiento entre ellos, para evitar perdidas de potencia y averias. Tienen forma de media luna y se colocan entre el cigüeñal y la cabeza de las bielas. Normalmente se fabrican de acero, revestidos de un metal antifricción conocido como metal Babbitt.


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Los cojinetes tienen que estar construidos con gran exactitud, cualquier poro o mala construcción de éste puede hacer funcionar mal el motor, por eso en caso de avería se ha de cambiar inmediatamente.

Volante motor El volante motor o volante de inercia es el encargado de mantener al motor estable en el momento que no se acelera. En el volante motor se suelen acoplar distintos elementos del motor para recibir movimiento del motor mediante correas o cadenas (árbol de levas, bomba de agua y aceite, etc). El volante motor es una pieza circular que ofrece una resistencia a ser acelerado o desacelerado. En el momento en que el motor no se acelera, es decir (fase de admisión, compresión y escape) se ha de mantener la velocidad del motor para que no haya una caida de rpm. El volante motor puede estar construido de materiales distintos, dependiendo si queremos un volante motor muy pesado o ligero. El volante motor pesado mantendrá mejor la velocidad del motor, pero perderemos algo de aceleración. Si el volante motor es más ligero, tendirá a caer más de rpm, pero la aceleración del mismo será más rápido, por eso los volantes ligeros se montan en motores con un número considerable de cilindros.


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CICLO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS MOTORES A COMBUSTION INTERNA Motores Diésel de 4 tiempos Ciclo Teórico: En admisión el descenso del pistón aspira la mezcla aire combustible en los motores de encendido provocado o el aire en motores de encendido por compresión. La válvula de escape permanece cerrada, mientras que la de admisión está abierta. En el primer tiempo el cigüeñal da 180º y el árbol de levas da 90º y la válvula de admisión se encuentra abierta y su carrera es descendente. Al llegar al final de carrera inferior, la válvula de admisión se cierra, comprimiéndose el gas contenido en la cámara por el ascenso del pistón. En el 2º tiempo el cigüeñal da 360º y el árbol de levas da 180º, y además ambas válvulas se encuentran cerradas y su carrera es ascendente. Al no poder llegar al final de carrera superior el gas ha alcanzado la presión máxima. En los motores de encendido provocado, salta la chispa en la bujía, provocando la inflamación de la mezcla, mientras que en los motores diésel, se inyecta con jeringa el combustible que se auto inflama por la presión y temperatura existentes en el interior del cilindro. En ambos casos, una vez iniciada la combustión, esta progresa rápidamente incrementando la temperatura en el interior del cilindro y expandiendo los gases que empujan el pistón. Esta es la única fase en la que se obtiene trabajo. En este tiempo el cigüeñal da 180º mientras que el árbol de levas da 240º, ambas válvulas se encuentran cerradas y su carrera es descendente. En esta fase el pistón empuja cuidadosamente, en su movimiento ascendente, los gases de la combustión que salen a través de la válvula de escape que permanece abierta. Al llegar al punto máximo de carrera superior, se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión, reiniciándose el ciclo. En este tiempo el cigüeñal da 360º y el árbol de levas da 180º y su carrera es ascendente Ciclo practico de los motores diésel de 4 tiempos ADMISIÓN.- Corresponde a este tiempo o proceso este tiempo la carrera descendente del pistón, la válvula del pistón, la válvula de admisión se abre unos 15º antes de que el eje cigüeñal llegue al PMS. Compresión.-Se produce este proceso durante la carrera ascendente del pistón. Esta fase comienza realmente cuando se cierra la válvula de admisión y finaliza al llegar el pistón al PMS. COMBUSTION Y EXPANSION.- Se realiza este proceso durante la carrera descendente del pistón. Durante el tiempo tiene lugar la combustión y la expansión, la temperatura eleva a unos 3,27ºF (1,800ºC) y la presión a unos 146 lb./pulgadas (50 Kg./centímetros cuadrados) , El Aumento de presión obliga al pistón a descender con cierta violencia , a


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la vez que la gran cantidad de gases generados por la combustión se expansionan por el aumento de volumen creado por el descenso del pistón. ESCAPE.- Antes de terminar la carrera motriz se abre la válvula de escape con objeto de dar mayor facilidad de salida a los gases quemados, y evitar en lo posible la contrapresión en la carrera ascendente del pistón. Generalmente: Las Válvulas de admisión se abren entre 10 y 25 grados de giro del eje cigüeñal antes del P.M.S .Se cierran de 20 a 45 grados de giro después del P.M.I La inyección del combustible comienza alrededor de 7 a 26 grados antes del P.M.S Las Válvulas de escape se comienzan a abrir de 30 a 60 grados antes del P.M.I para poder expulsar los gases de escape al tiempo correcto. Se cierran de 10 a 20 grados después del P.M.S.

Ciclo teórico de los Motor de 4 tiempos OTTO Este motor, también conocido como motor OTTO, es el mas empleado en la actualidad, y realiza la transformación de energía calorífica en mecánica fácilmente utilizable en cuatro fases, durante las cuales un pistón que se desplaza en el interior de un cilindro efectúa cuatro desplazamientos o carreras alternativas y, gracias a un sistema biela-manivela, transforma el movimiento lineal del pistón en movimiento de rotación de árbol cigüeñal, realizando este dos vueltas completas en cada ciclo de funcionamiento. Como se ha dicho en la entrada y salida de los gases en el cilindro es controlada por dos válvulas situadas en la cámara de combustión, las cuales su apertura y cierre la 19 de septiembre de 2017

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realizan por denominado sistema de distribución, sincronizado con el movimiento de giro del árbol. El Funcionamiento teórico de este tipo de motor, durante sus cuatro fases o tiempos de trabajo, es el siguiente: Admisión: Durante este tiempo el pistón se desplaza desde el punto muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI) y efectúa su primera carrera o desplazamiento lineal. Durante este desplazamiento el cigüeñal realiza un giro de 180ª. Cuando comienza esta fase se supone que instantáneamente se abre la válvula de admisión y mientras se realiza este recorrido, la válvula de admisión permanece abierta y, debido a la depresión o vació interno que crea el pistón en su desplazamiento, se aspira una mezcla de aire y combustible q pasa atreves del espacio libre que deja la válvula de aspiración para llenar, en teoría la totalidad del cilindro Compresión: En este tiempo el pistón efectúa su segunda carrera y se desplaza desde el punto muerto inferior al punto muerto superior. Durante este recorrido el cigüeñal efectúa otro giro de 180ª. Durante esta fase las válvulas permanecen cerradas. El pistón comprime la mezcla, la cual queda alojada en el volumen de la cámara de combustión, también llamada de compresión, situada por encima del PMS. Explosión: Cuando el pistón llega al final de la compresión, entre los electrodos de una bujía, salta una chispa eléctrica en el interior de la cámara de combustión que produce la ignición de la mezcla, con lo cual se origina la inflamación y combustión de la misma. Durante este proceso se libera la energía calorífica del combustible, lo que produce una elevada temperatura en el interior del celindo, con lo que la energía cinética de las moléculas aumenta considerablemente y, al chocar esta contra la cabeza del pistón, genera la fuerza de empuje que hace que el pistón se desplace hacia el PMI. Escape: Durante este recorrido del pistón, la válvula de escape permanece abierta. A través de ella, los gases quemados procedentes de la combustión salen a la atmósfera, al principio en “estampida” por estar a elevada presión en el interior del cilindro, y el

resto empujado por el Pistón en su desplazamiento hacia el PMS.


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MOTOR DE DOS TIEMPO El motor de dos tiempos, también denominado motor de ciclos, es un motor de combustión interna que realiza las cuatro etapas del ciclo termodinámico (admisión, compresión, explosión y escape) en dos movimientos lineales del pistón (una vuelta del cigüeñal). Se diferencía del más conocido y frecuente motor de cuatro tiempos de ciclo de Otto, en el que este último realiza las cuatro etapas en dos revoluciones del cigüeñal. Existe tanto en ciclo Otto como en ciclo Diésel.

El motor de 2 tiempos es, junto al motor de 4 tiempos, un motor de combustión interna con un ciclo de cuatro fases de admisión, compresión, combustión y escape, como el 4 tiempos, pero realizadas todas ellas en sólo 2 tiempos, es decir, en dos movimientos del pistón.

En un motor 2 tiempos se produce una explosión por cada vuelta de cigüeñal mientras que en un motor 4 tiempos se produce una explosión por cada dos vueltas de cigüeñal, lo que significa que a misma cilindrada se genera mayor potencia, pero también un mayor consumo de combustible.

Este motor es el más usual principalmente en motocicletas y motores fuera de borda.


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A diferencia del motor de 4 tiempos no posee un cárter de almacenamiento del aceite lubricante, sino que el mismo se le agrega directamente junto con el combustible. Motor de 2 tiempos


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4. METODOLOGIA Herramientas (Autor de fotos: Milagros bueno) Calibrador de balancín

Juego de llaves

Desarmador


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Juego de dados

Palanca para dados


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Formulas empíricas Volumen de trabajo:

  ℎ = 4 ∗  Longitud de la biela

 =  Volumen muerto

 =  +  +  +  +  Relación de compresión teórica.

 = 1 + Vh  PROCEDIMIENTO



   





Con la ayuda de los dados desajustamos los pernos de la tapa de culata y procedemos a retirarla. Desmontamos los balancines y desajustamos los pernos restantes Desmontamos la culata. Con la ayuda del volante nos ubicamos en el P.M.S. del primer pistón. Medimos las dimensiones del cilindro, pistón, carrera y el volumen muerto co n la ayuda del aceite. Luego otra ves con la ayuda del volante encontramos los ángulos de admisión y escape en adelanto o retraso. Una ves termina las mediciones procedemos montar nuevamente el motor.


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5. CÁLCULOS Y RESULTADOS Parámetros de motor Nissan SD-22 Volumen de trabajo:

  ℎ = 4 ∗  Datos S (carrera en mm) 100.75

Resultado Vh (cm 3) 541.18

D (diámetro en mm) 82.7

Longitud de la biela

 =  Datos

Resultados lb (mm) 167.9166

r=S/2 (mm) 50.375

λ

0.3 Volumen muerto

 =  +  +  +  +  Datos en cm3 15





7.2516

4.5





1.611

2.5



Resultado  (cm3) 30.86



Relación de compresión teórica.

 = 1 + Vh  Datos Vh (cm3) 541.18



(cm3)

30.86

Resultados  18.5366



error 10.88 %

Relación de compresión Real. Calculos previos:


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   = 4 ∗  Datos R (cm) 5.0375

L (cm) 16.76166

RCA 76.36

Resultados  cm 4.5790



 cm

3

245.9639

Relación de compresión real

 = 1 + Vh−  Datos Vh (cm3) 541.18



(cm3)

30.86



cm3

245.9639

Resultados  10.5664



error ---


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Desplazamiento del pistón Para: Datos R (cm) 5.0375

L (cm) 16.76166

RPM 4000

Representamos con la letra X la posición del piston correspondiente a cualquier angulo de giro de la manivela desde el P.M.S. (ver figura 1)

De la figura tenemos:

 =  ´ = ´ −  =  +  −  De otro lado del Δ ABO se tiene que:

 = ´ + ´ = cos +  cos Luego

 = (1 − cos) + (1 − cos) =(1 − cos)+ 1 (1 − cos)… ………… ..1  Donde:  = 


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

Reemplacemos en la expresión al ángulo a través del ángulo teorema de los senos en el triagulo AOB obtenemos:

 luego empleando el

sen =   Entonces:

cos = √ 1 −  = √ 1 −  = (1 − )/ En la serie de Taylor seno:

(1 − ) = 1 − 21  Finalmente usando la identidad trigonométrica de ángulo doble tenemos la fórmula para el desplazamiento del pistón.

 = [(1−cos) + 4 (1− cos2)] Para: Datos R (cm) 5.0375

L (cm) 16.76166

RPM 4000


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 = [(1−cos) + 4 (1− cos2)] Desplazamiento vs Angulos en rad 120 100 80 60 40 20 0 0

1

2

3

4

5

6

7

5

6

7

 con respecto del tiempo

Derivando

 = [sin + 2 sin2] Velocidad vs angulo en rad 25 20 15 10 5 0 -5

0

1

2

3

4

-10 -15 -20 -25


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Derivando

 con respecto del tiempo.  =  cos + cos2 Aceleracion vs algulo en rad

120000 100000 80000 60000 40000 20000 0 -20000

0

1

2

3

4

5

6

7

-40000 -60000 -80000


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6. CONCLUSIONES 



  



Las partes principales del motor son de ajuste de milésimas ya que poseen gran precisión. Algunas de las partes principales del motor sufren mayor desgaste que otros, como los cilindros y los anillos que son partes en constante rozamiento. El pistón del motor presenta algunas picaduras en la parte de la cabeza. El error en la relación de compresión fue mas del 10% . La relación de compresión está dentro del rango que corresponde a los motores diésel. En la gráfica de la aceleración en 2 y 4 rad la aceleración permanece constante.

7. OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES 



El motor debería tener todas sus parte completas, ya que en caso del motor Nissan ds-23 este no tenía completo los inyectores lo que produjo un error mayor en la medición del volumen muerto por qué parte del aceite derramaba. Las marcas de referencia de las volantes deberían ser borradas con cada experimentación, así el alumno podrá aplicas mayor criterio y desarrollar capacidades.

8. BIBLIOGRAFIA    

M. S. Jovaj - Motores de Automóvil[1] ·

https://es.slideshare.net/LuisaSalazar1/motores-deautomoviljovaj www.todomotores.cl/mecanica/el_motor.htm Laboratorio de motores a combustión interna.


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9. ANEXOS


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Motor Nissan DS-22 (Autor: Álvaro Linares)


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