INSTITUTO TECNOLO TECNOLO GICO DE VERACR V ERACRUZ UZ
ALUMNO:
M
Zavaleta Sánchez Irazema Martínez Cazares Ramón. Flores Orueta Gilberto López López Ismael Loya Diaz Julio Cesar Sepulveda Chavez Pascual Salamanca Fontes Luis Antonio Molina Cortes Abdiel
E
I N
C
G E
A
N
TEMA: Pruebas de Motores”
I
N
CATEDRATICO: Dr. Juan Carlos Prince Avelino
E I
R I A
C H. VERACRUZ, VER. 11 11 DE NOVIEMBRE NOVIEMBRE DE 2013
A 1
ANTECEDENTES ANTECEDENTES El propósito de un motor de combustión interna interna es la producción de energía mecánica a partir de la energía química almacenada en el combustible. En los motores de combustión interna la energía se libera mediante el encendido y la oxidación del combustible dentro del motor a diferencia de los de combustión externa como por ejemplo un horno industrial o una caldera. El fluido de trabajo cambia su composición química antes y después de la combustión y es el encargado de transferir el trabajo al pistón que posteriormente se encarga de transferirlo al resto de los componentes de la cadena cinemática hasta llegar finalmente a las ruedas impulsoras del Movimiento. Cuando se habla de motores de combustión interna hay que especificar la forma en que se lleva a cabo el encendido, promotor de la combustión Debido a su simplicidad, robustez y alta relación potencia/peso estos dos tipos de motores han sido ampliamente usados tanto para transporte (tierra, agua y aire) como para generación de potencia. El hecho de que la combustión se produzca dentro del motor lo distingue fuertemente en cuanto a diseño y características de operación del resto de los motores. 1700 -1850 Motores de calor Fluido de trabajo : vapor de agua 1860 J. Lenoir Fluido de trabajo : aire-gas de carbón quemados a presión atmosférica Sin carrera de compresión. Carga- Combustión -Escape Aproximadamente 5000 de estos motores fueron producidos entre 1860 y 1865 con potencias de hasta 6 HP y eficiencias inferiores inferiores al 5 %. 1867 N. Otto y E. Langen Idem anterior pero acoplaron al pistón un mecanismo del tipo cremallera para almacenar inercia de la carrera descendente producida por el incremento de la presión después de la combustión. De esta forma producían el movimiento ascendente del pistón. 5,000 de estos motores fueron producidos con eficiencias térmicas de hasta el 11 % 1876 N. Otto
2
Propuso un ciclo de 4 tiempos para aumentar la eficiencia térmica y reducir el peso. Para la misma potencia de 2 HP el peso se redujo de 4000 libras a 1250 libras, aumentando la eficiencia mecánica del 68 % al 84 % y la eficiencia global del 11 % al 14 %. En 1890 aproximadamente 50,000 de estos motores habían sido vendidos en Europa y Estados Unidos. En 1884 se halló una patente registrada en 1862 a nombre de Alphonse Beau de Roches quien describía los principios del motor de 4 tiempos propuesto por N. Otto. Ellos se pueden resumir en los siguientes:
máximo volumen del cilindro cilindro con mínima superficie de paredes
máxima velocidad de trabajo posible
máxima relación de expansión posible
máxima presión posible al comienzo de la expansión.
Mientras que las primeras dos condiciones minimizan las pérdidas térmicas, la tercera nos dice que a mayor relación de expansión mayor es el trabajo que se le puede extraer al motor. La cuarta condición implica que un crecimiento de la presión máxima origina un crecimiento en la transferencia de trabajo al pistón. 1880 D.Clerk, J. Ro bson y K. Benz primer motor de dos tiempos carrera de escape al final de la carrera de potencia carrera de admisión al comienzo de la carrera de compresión. 1880 J. Atkinson carrera de expansión mayor que la carrera de compresión. Alta eficiencia pero con inconvenientes de índole mecánico. Por esos tiempos era sabido que la eficiencia estaba fuertemente influida por la relación de expansión. No obstante existía a una limitación en la carrera de compresión a relaciones no mayores que 4 dada por la posibilidad de formación de detonaciones (autoignición) provocado por la calidad de los combustibles de la época. Esto trajo aparejado la necesidad de trabajar en el desarrollo de carburadores y mejores sistemas de encendido. 1890 Grandes motores mono- cilíndricos de 1.3 metros de diámetro fueron construidos alimentados por gases de hornos de baja energía que producían 600 HP a 90 rpm 3
Restricciones sobre el uso de combustibles volátiles hizo cambiar la orientación de los diseñadores hacia el kerosene. Motores de nafta de baja relación de compresión con vaporizadores de combustible calentados externamente e ignición eléctrica fueron desarrollados, llegando a eficiencias similares a los motores a gas (14 a 18 %). 1892 R. Diesel patentó una nueva forma de motor de combustión interna que consistía en inyectar combustible líquido en aire previamente comprimido y por ende calentado duplicando de este modo la eficiencia. Mayores relaciones de compresión sin detonación fueron factibles. El proyecto de construcción lo realizó R. Diesel junto a la firma alemana MAN y tardaron 5 años en producirlo. En 1930 E. Houdry descubrió que crudos vaporizados pasados por catalizadores en un rango de 450 grados Celsius mejoraba mucho la calidad de las naftas. El aumento de la calidad de las naftas trajo aparejado la posibilidad de diseñar motores de combustión interna con mayores relaciones de compresión mejorando la potencia y la eficiencia alcanzada. Durante las últimas 3 décadas nuevos factores de cambio se han hecho presente en el diseño y la operación de los motores de combustión interna: •La necesidad de controlar la polución del aire en las ciudades •La necesidad de alcanzar mejoras sustanciales en el consumo de combustible de los automóviles 1940 Se detectan los primeros síntomas de la polución ambiental en Los Angeles. Prof. A. Haagen-Smit demostró que los problemas de smog ambiental eran producidos por reacciones de los óxidos de nitrogeno y los hidrocarburos mal quemados en la presencia de la luz solar. Inmediatamente se observó que el transporte automotor era uno de los responsables de la emisión de óxidos de nitrógeno, hidrocarburos y monóxido de carbono. Los motores Diesel eran responsables de la formación de hollín, partículas en suspensión de hidrocarburos y monóxido de nitrógeno. 1957 F. Wankel Motor rotativo de combustión interna Los combustibles han sido muy importantes en el desarrollo de los motores de combustión interna. • Gases quemados • Naftas livianas fraccionadas a partir de petróleo crudo • necesidad de desarrollar carburadores para vaporizarlas y mezclarlas con aire •limitación de las relaciones de compresión para evitar detonaciones 4
•aumentar la volatilidad para evitar problemas en climas frios. •Problemas a nivel de producción de naftas trajo aparejado un período de escasez y aumento en el precio. 1960 Se establece primero en California, luego en todo EEUU y posteriormente en Japón y en Europa normas regulatorias sobre la emisión vehicular previéndose planes de reducción que llegan a valores muy bajos para el año 2000. Por este motivo los diseñadores están muy abocados a la tarea de mejorar los diseños. En este sentido se ha avanzado con la incorporación de catalizadores para los gases en el diseño de los sistemas de escape en los motores modernos. Asimismo existe una tendencia en eliminar el uso del plomo como aditivo en las naftas de los motores. Los motores de combustión interna son también una gran fuente de ruido . Las mayores fuentes son: •sistema de escape •Desarrollo de un proceso de cracking térmico provocó un alivio en cuanto a los problemas de producción y demanda. No obstante el punto de ebullición de las naftas conseguidas aumentó trayendo aparejado problemas relativos a climas frios. •El arranque eléctrico de los motores subsanó esta dificultad Durante la I Guerra Mundial se avanzó mucho en el entendimiento de cómo los combustibles afectan la combustión. En 1923 General Motors descubrió que el tetraetilo de plomo como aditivo inhibe la detonación. 1970 Precio del crudo se incrementó notablemente y se sospechó acerca de la disponibilidad futura del mismo. Esto provocó una presión importante sobre el diseño de los motores de forma de que disminuyeran el consumo. Por el lado de la emisión existe una tendencia a disminuir el uso de plomo en las naftas. Por tal motivo las relaciones de compresión deben bajar con lo cual se debe agudizar el ingenio para no perder eficiencia ni potencia. Además existe una tendencia al uso de combustibles alternativos a las naftas y el gasoil, como el gas natural, el metanol y el etanol. A largo plazo se piensa en el uso de naftas sintéticas e hidrógeno.
5
INTRODUCCIÓN Las pruebas de motores de combustión interna es una parte importante de la investigación, desarrollo y enseñanza del tema. Las instalaciones usadas para la investigación varían ampliamente. Las instalaciones utilizadas para la investigación pueden tener instrumentación muy completa, con control computarizado del test y adquisición de datos por computadora. En la otra mano, una estación de prueba más tradicional con control manual del motor y registro de datos por el operador, puede ser mejor para propósitos educacionales. El banco de pruebas en estudio está ubicado dentro de una nave industrial: La habilitación consiste básicamente en los siguientes puntos:
Insonorización de la cabina donde se va a probar el motor: la contaminación acústica es el mayor impacto sobre el medio, por lo que resulta del todo necesario insonorizar la sala de pruebas a fin de reducir el nivel de ruido por debajo de los 70dB. Sistema de ventilación que evite que el calor producido por el motor afecte a dependencias colindantes. Sistema de extracción de los gases de escape que permita su evacuación de la nave industrial: el impacto de los gases en el medio ambiente es mínimo, pues equivale al de un vehículo en circulación
DEFINICIONES
MOTOR Es el conjunto de mecanismos que transforma una determinada energía en energía mecánica. CLASES MOTOR ELECTRICO: es aquel que transforma la energía eléctrica en energía mecánica, ejemplo: el arrancador, el ventilador, la licuadora, el taladro, el esmeril, etc. MOTOR TERMICO: es aquel que transforma la energía térmica (proporcionada por la combustión) en energía mecánica, ejemplos: motores de automóviles, grupos electrógenos, etc.
6
MOTOR DE COMBUSTION EXTERNA: en este motor la combustión se realiza en una cámara aparte, luego comunica el calor hacia la parte interna para el desplazamiento de los pistones, ejemplo: motor de locomotoras y barcos a vapor. MOTOR DE COMBUSTION INTERNA: Es el mecanismo o conjunto de mecanismos y sistemas completamente sincronizados para que la combustión se realice dentro del motor de esta manera se transforma la energía térmica en mecánica
BANCO DE ENSAYOS O PRUEBAS DE MOTOR
Un banco de ensayos es un sistema formado por una serie de elementos que permiten la simulación del comportamiento de un motor y sus características operativas en unas condiciones controladas, utilizando para ello una serie de instrumentos de control y otros de medida. La sala de ensayos, como sistema cerrado, tiene el conjunto de entradas y salidas que se muestra en la Figura.
Diagrama de Bloques Las principales aplicaciones de una sala de ensayos son:
Producción: se utilizan para verificar los motores después del proceso de fabricación. Investigación y desarrollo del motor o de sus componentes: en este caso, se realizan modificaciones con la finalidad de comprobar experimentalmente las mejoras desarrolladas de manera teórica. Ensayos de aceptación y homologación de motores: cada motor nuevo ha de ser homologado antes de su comercialización, para verificar que las características técnicas del motor se corresponden realmente con su comportamiento.
7
Ensayos de emisiones y consumo: este tipo de ensayos suele realizarse como parte de un conjunto de ensayos en cualquiera de los bancos anteriormente citados. Fines docentes: es habitual que los centros de educación dispongan de bancos de ensayos para realizar experimentos y contrastar los conocimientos teóricos con los resultados prácticos. Sala de pruebas
Se trata de la zona especialmente habilitada para la realización delas pruebas con el motor, de forma que éstas se realicen de forma segura para los operarios que con él trabajen y en unas condiciones conocidas y controladas.
PRUEBAS QUE SE EFECTUAN A LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA. TORQUE
La estructura y el alcance de bancos de pruebas de la potencia de motores MP pueden variar mucho según la aplicación respectiva para medir la eficiencia de motores de combustión interna, permite conocer con precisión el valor de la potencia (HP) y el torque (Nm). La medición se puede efectuar en cualquier tipo de automóvil. Son varias las aplicaciones del banco de prueba para motores, que resultan beneficiosas para el usuario del vehículo. En el caso de un motor recién reacondicionado, es posible comprobar si su potencia es similar a la del equipo original. También es útil al momento de adquirir un automóvil usado, ya que se puede conocer el estado del motor, efectuando una prueba de torque y potencia que será comparada con las especificaciones originales del fabricante del motor. Finalmente resulta indispensable para alcanzar una puesta a punto óptima, en motores deportivos de alto desempeño. El banco de prueba, admite la corrección en vivo de parámetros de carburación y puesta a punto del encendido. Con esto se consigue obtener la máxima eficiencia permisible. El torque máximo se consigue cuando el llenado de los cilindros es máximo, lo que equivale a quemar mayor cantidad de combustible para expandir mejor los gases y por ende desplazar con mayor fuerza los pistones. El torque también depende del largo del brazo del cigüeñal, por ejemplo en los motores de mayor tamaño, estos están diseñados con los brazos del cigüeñal más largo lo que ocasiona mayor torque. El torque del motor se mide en el extremo del cigüeñal al lado de la volante. Se instala un embrague de fricción sujetando un extremo del cigüeñal al lado de la volante y el otro extremo conectado a una báscula.
8
Se aprieta el embrague de fricción de 0,6 m. de largo(radio) y marca una fuerza sobre la báscula, obteniendo de esta manera un torque a una determinada RPM (Revoluciones Por Minuto)
9
PAR DE TORSIÓN
El par o torque es un número que expresa el valor de la fuerza de torsión. Se expresa en kilos x metros. En un motor de pistones la capacidad de ejercer fuerza de torsión es limitada. Depende de la fuerza de expansión máxima que logran los gases en el cilindro. El torque máximo se consigue cuando el rendimiento volumétrico es máximo y por lo tanto se dispone de mayor temperatura para expandir los gases. El par motor también depende del largo del brazo del cigüeñal. Los motores de mayor tamaño están equipados con cigüeñal de brazo más largo. Esto les da la posibilidad de ejercer igual par de torsión con menos fuerza de expansión de los gases. El par motor representa la capacidad del motor para producir trabajo. Las explosiones en la cámara de combustión empujan el pistón hacia abajo, y su movimiento alternativo se convierte en giros del cigüeñal. Aquí se puede medir la fuerza del motor como un par de torsión. Se mide en N/m (o en kp/m) y, teóricamente, expresa la fuerza de torsión que tendríamos en el extremo de un brazo de palanca aplicado al motor que midiera un metro de longitud. El par depende del régimen de giro, pues la fuerza de las explosiones depende del llenado de la cámara de combustión. Según el motor, existe un régimen determinado al que se obtiene el par máximo. Y con el par producido por el motor a cada régimen se determina la llamada curva de par. Como la potencia es cantidad de trabajo por unidad de tiempo, si sabemos el par motor de un vehículo y las revoluciones por minuto a las que consigue alcanzar ese par (realizar ese trabajo) sabemos la potencia que alcanzará en ese régimen de giro. La potencia es el producto del par por la velocidad angular del motor. Representa la energía por unidad de tiempo que es capaz de desarrollar el motor. La potencia de un motor se mide en kW según la norma de homologación UE, o en CV, según la norma DIN; es el resultado de multiplicar el par motor por el número de revoluciones. El punto de potencia máxima se encuentra siempre por encima del punto de par máximo: a partir de este punto, la degradación de los ciclos es compensada por el incremento de ciclos por unidad de tiempo, hasta llegar al punto de potencia máxima. El consumo específico representa la eficiencia con la que se hace la conversión de energía calorífica en energía mecánica. Es la cantidad de combustible que necesita un motor para suministrar una determinada unidad de potencia por unidad de tiempo. Es una forma de expresar el rendimiento del motor, en el sentido que relaciona consumo con prestaciones. Cuanto menor sea el consumo específico de un motor, mejor es su rendimiento. Por lo que hace referencia a las diversas magnitudes del motor, a continuación se detallan los dispositivos más utilizados para la medición de las señales físicas tanto de los motores en prueba como de condiciones atmosféricas. Antiguamente, en los frenos dinamométricos se realizaba la medición del par mecánicamente mediante una báscula. En la actualidad se ha sustituido este sistema por los transductores de fuerza, de los que el más utilizado es la célula de 10
carga (como el de la Figura. Ésta está formada por unas galgas extensiométricas que, mediante una deformación elástica generan, debido a la variación de su resistencia, una tensión variable en dos de sus extremos función de la carga soportada. Los transductores de fuerza actuales son mucho más precisos de los utilizados con anterioridad, basados en balanzas, y permiten computarizar los valores instantáneos medidos, si bien tienen un tiempo finito de vida.
Las variaciones de resistencia de la galga se miden mediante un puente de Wheatstone: si se aplica una tensión eléctrica constante entre los puntos 2 y 3, las variaciones de la tensión entre 1 y 4 dependen de las variaciones de resistencia de las galgas (tal y como se puede ver en la “Figura”). La tensión de salida (Vs) es de bajo nivel, por lo que resulta necesario amplificarla.
La calibración de la medida del par se realiza mediante dos “brazos de calibración” que son fijados a la carcasa del freno (posiciones „1‟ y „2‟ de la “Figura”). Los brazos de calibración llevan marcados su longitud efectiva y disponen de un par de aros que permiten colocar una serie de masas de calibración (se puede ver como „peso aplicado‟ en la Figura)”. Los aros suelen estar colocados a la distancia 11
precisa para que la colocación de una masa de „x‟ kg, tras realizar el producto de dicho valor por la distancia al eje y la constante de gravedad „g‟, represente un valor de par que sea un número entero (básicamente para poder redondear el valor de „g‟ a 10m/s2sin que esto suponga un error en el cálculo del par).
Para realizar una correcta calibración hay que proceder de la siguiente manera:
El freno no debe de estar acoplado al motor. Debe encenderse el sistema de agua de refrigeración para poder ajustar correctamente el cero (situación normal sin carga del motor). Se han de ir añadiendo los pesos de calibración hasta, aproximadamente, conseguir el fondo de escala del freno. Si es necesario, se ajustará el valor leído al valor teórico de par correspondiente. Se anota la lectura del par leído. Se retiran los pesos de calibración y se verifica el ajuste del cero. Se anota la lectura del valor leído. Se añaden las pesas de nuevo, esta vez tomando nota de entre ocho y diez valores intermedios de par. En la “Tabla se muestra un ejemplo del procedimiento de calibración para un freno con fondo de escala de 2.000Nm:
12
La célula de carga se considera correctamente calibrada si no se obtienen errores superiores a ± 0.25% del fondo de escala.
Tacómetro
Otro parámetro cuya medición resulta imprescindible es la velocidad de giro del motor. Para ello se utilizan diferentes tipos de sensores incorporados habitualmente al freno. Los tacómetros más típicos son del tipo electromagnético analógico (generadores de CA, de CC, de corrientes parásitas) y digitales (basados en impulsos ópticos o eléctricos utilizando la generación de la chispa del motor, la lectura del paso de los dientes del volante,...). Electromagnéticos También conocido como „pick-up‟, se tr ata del tacómetro más utilizado debido a su precisión en la lectura y su bajo coste. Está compuesto por una rueda dentada y el propio medidor, tal y como se puede ver en la figura. Su principio de funcionamiento es muy sencillo: el detector emite un haz de luz contra la rueda dentada del freno y genera una señal formada por un pulso cada vez que detecta el paso por uno de los dientes de dicha rueda. Una vez conocida la frecuencia y el número de dientes de la rueda, se hace el cálculo de la velocidad angular del freno. En el caso de que el motor y el freno tengan una transmisión directa, el valor de rpm del freno se 13
corresponde también con el del motor. Si la transmisión no es directa, habrá que multiplicar por la relación de transmisión de estos dos elementos para conocer el régimen de giro del motor en prueba.
Ópticos Los tacómetros ópticos (encoder) son dispositivos que convierten la posición angular mecánica en una señal eléctrica. Tal y como puede observarse en la Figura, están compuestos por un disco rotativo con unas perforaciones determinadas, un haz luminoso (habitualmente uno o más LED‟s) y un sensor fotoeléctrico.
El disco está constituido por una serie de sectores opacos y transparentes de forma alternativa; éstos, al ir rotando, interrumpen el flujo luminoso directo al foto receptor, generando un tren de impulsos digitales. La principal ventaja con respecto a los sensores del tipo pick-up es que, además de tener la lectura de la velocidad angular, permiten conocer el sentido de giro (encoder óptico incremental de dos canales) y su posición (encoger óptico absoluto). Medidores de temperatura
14
Dos son los tipos más comunes de sondas para la medición de la temperatura, y se diferencian principalmente en el tipo de señal analógica que procesan. Los primeros tienen su principio de funcionamiento en la variación de la resistencia provocada por la variación de la temperatura, mientras que los segundos miden la temperatura en función de la variación de una tensión eléctrica. A continuación se detalla más en profundidad el funcionamiento de cada uno de ellos. Termómetros de resistencia Se basan en la propiedad física que presentan los conductores eléctricos de modificar el valor de su resistencia eléctrica con la temperatura. Podemos diferenciar entre dos tipos: a) RTD‟s (Resistance Temperature Detectors) El cambio en la resistencia con la temperatura viene dado por la siguiente ecuación
Aprovechando esta propiedad se construyen sondas analógicas de temperatura, utilizando metales como el cobre y el níquel. Los RTD‟s más utilizados son los de platino, al ser el más estable de los metales, resistente a la contaminación y a la corrosión y capaz de trabajar en un amplio rango de temperaturas; dichas sondas tienen un valor nominal de 100 Ωa 0° C, de donde se deriva su nombre de Pt100. Las sondas Pt100 son aptas para un rango de temperaturas entre -250° C y 850°C, teniendo muy buena linealidad entre -200° C y 500°C. La sensibilidad es de 0,390 Ω/ºC. En la Figura se puede ver la respuesta con la temperatura de las diferentes tipologías de RTD‟s:
15
Termopares
Se trata de sensores activos analógicos basados en el efecto Seebeck. Este efecto consiste en la aparición de una tensión eléctrica entre dos alambres de metales diferentes unidos por un extremo cuando éste se calienta (unión caliente) y se mantiene los otros dos a una misma temperatura inferior (unión fría), siendo la tensión producida directamente proporcional a dicha diferencia de temperaturas. Los termómetros de mercurio y los termopares proveen un medio económico de medición de temperatura, con el potencial de alcanzar una precisión de ±0.1 K, sin embargo seria más económico un termómetro de resistencia de platino y brinda la misma precisión. Una desventaja de los termopares es su baja salida (40μV/K), lo que hace necesario usar termistores para temperaturas de hasta 400°C, mientras que en temperaturas de más de 1000°C no hay restricciones para su uso. Se requiere tener cuidado en las altas temperaturas del sistemas de escape debido a las pérdidas de radiación del termopar, así como también en la medición de temperatura de flujos pulsantes. Los indicadores de presión Bourdon y los manómetros brindan una manera económica y precisa de medición de presiones estables. Seleccionando el fluido del manómetro y el ángulo de inclinación, presiones en el rango de 1-100kN/m2 pueden ser medidas con precisión de 1%. Un arreglo común es tener un diafragma grabado con medidores de tensión en una configuración de puente de Wheatstone. Para presiones bajas se usa un diafragma de silicón, mientras que para altas presiones se utiliza uno de acero inoxidable. En la Figura se muestra cómo funciona un termopar.
16
Limitaciones de los termopares: 1. La temperatura máxima de trabajo debe de ser inferior a la de fusión, por lo que es necesario elegir el termopar adecuándose al rango de temperaturas. Sensibilidad pequeña, del orden de 6†75 μV/º C en función de los materiales. La magnitud de la diferencia de voltaje que resulta del efecto Seebeck es bastante pequeña (del orden de milivoltios) lo que requiere amplificadores de gran resolución y bajo ruido. Ventajas de los termopares: 1. Amplio rango de medidas, entre -270º C y 2000º C. 2. Coste menor que las termo resistencias. la Figura se puede observar las diferentes tipologías de termopares y su respuesta a la temperatura:
17
Medidores de presión Los transductores de presión son dispositivos que convierten una presión aplicada en una señal eléctrica mediante la medida de un desplazamiento, un esfuerzo o una respuesta piezoeléctrica. Por desplazamiento Este tipo de transductores convierte el cambio de presión en un cambio de posición proporcional en uno de los extremos de un elemento elástico, que se desplaza al producirse una deformación, hasta que las tensiones internas del material igualen la presión aplicada. El comportamiento elástico del material provoca el retorno del dispositivo a su forma original una vez desaparece el esfuerzo que produjo la deformación, a menos que el esfuerzo sea tan grande que sobrepase el coeficiente de elasticidad del material y la deformación se vuelva permanente. Por diafragma Este segundo tipo de transductor de presión utiliza un diafragma como elemento elástico y unas galgas extensiométricas para convertir la deformación en señal eléctrica. Piezoeléctrico Este tipo de transductor de presión utiliza un cristal piezoeléctrico como elemento elástico en el sensor (el más utilizado es el de cuarzo, por tratarse de un material con un alto módulo de elasticidad, gran linealidad y muy poca histéresis). En este tipo de sensores, el cristal de cuarzo está protegido por una carcasa cilíndrica que dispone de un fino transmisor de presión por diafragma en uno de 18
sus extremos. Cuando la presión se aplica (a través del diafragma) sobre el cristal piezoeléctrico, se genera una señal en forma de carga eléctrica que es función, además de las propiedades físicas del propio cristal, de la propia presión.
POTENCIA Trabajo y Potencia La física define como trabajo el desplazamiento de un cuerpo por efecto de una fuerza. El trabajo se mide en términos numéricos, multiplicando la fuerza ejercida por la distancia recorrida. Es decir, si movemos un cuerpo con la fuerza de un kilogramo para que recorra 1 metro, estamos efectuando un trabajo de 1 kg x metro. A mayor fuerza ejercida mayor trabajo efectuado. Cuando se realiza trabajo y la trayectoria es circular, como es el caso de un motor, el cálculo del trabajo se expresa: Trabajo = Fuerza x 2πr, donde π es una constante (3,1416) y r es el radio de giro Potencia (HP) La potencia es trabajo mecánico que incorpora en su valor el parámetro tiempo. Es decir, la potencia se expresa con un número que cuantifica el trabajo efectuado durante un lapso de tiempo. Mientras más rápido se realiza el trabajo la potencia que se desarrolla es mayor. 1 HP es igual a levantar 1 libra a 550 pies de altura en 1 segundo. La capacidad de ejercer torque y potencia en un motor es limitada. Depende de la fuerza de expansión que logran los gases en el cilindro. El torque máximo se consigue cuando el rendimiento volumétrico (% de llenado de los cilindros) es máximo. 19
La potencia en términos generales, expresa la capacidad para ejecutar un trabajo en el menor tiempo posible.
POTENCIA EN MOTORES DE COMBUSTION INTERNA El combustible que se introduce en el interior de los cilindros posee una energía química que con la combustión se transforma en energía calorífica, de la cual una parte es convertida en trabajo mecánico. Este trabajo es el producto de la fuerza aplicada al pistón por el espacio recorrido bajo la aplicación de la misma. A su vez, la fuerza actuante sobre el pistón es el producto de la presión (P) aplicada, por la superficie (S) del mismo: F=PxS siendo P la presión interna lograda en la cámara de compresión como consecuencia de la combustión del gas.
Por ejemplo, si se empuja a un pistón desde el P.M.S. al P.M.I. con una fuerza F constante de 1.000 N y la carrera (L) del mismo es de 80 mm, el trabajo desarrollado es: W=FxL W = F x L = 1.000 N x 0,08 m = 80 Nm = 80 Julios Suponiendo que este trabajo se realice en una décima de segundo, la potencia desarrollada es: 20
P=W/t P = W/t = 80J/0,1 s = 800 Watios La potencia máxima que puede desarrollar un motor depende de diversos factores, entre ellos: · · ·
la relación de compresión y la cilindrada, de la carrera, del número de cilindros y régimen de giro, etc La potencia desarrollada en el interior de los cilindros de un motor no está aplicada íntegramente al cigüeñal, pues una parte de ella es absorbida por las resistencias pasivas (calor, rozamientos, etc.). POTENCIA INDICADA
Se llama potencia indicada a la que realmente se desarrolla en el cilindro por el proceso de la combustión. Una de las formas de determinarla es a través del valor de la presión media indicada (pi) del ciclo, que como ya se ha visto, viene determinada por la altura del rectángulo de área equivalente a la del ciclo, y representa la relación existente entre el área del ciclo A y la cilindrada unitaria V: pi =A / V Recordatorio:
La figura siguiente representa dos ciclos reales típicos de motores Otto y Diesel de igual cilindrada unitaria. Para facilitar la comparación entre los dos ciclos, los diagramas se han dibujado superpuestos. El eje de las presiones para el ciclo Otto, como consecuencia de la diferencia de volumen Vc de la cámara de combustión. En efecto, a igualdad de cilindrada unitaria Vp, siendo más elevada la relación de compresión del motor Diesel que la del motor Otto, resulta menor el volumen Vc, de la cámara de combustión.
21
La superficie 1 2 6 1' 1 representa el trabajo negativo debido al bombeo en la fase de aspiración y de escape; la superficie 2 3 4 5 6 2 representa el trabajo positivo. Su diferencia es el trabajo útil. Dividiendo el área correspondiente al trabajo útil efectuado por el fluido, por la longitud de la carrera, o por la cilindrada Vp con arreglo a la escala elegida para el eje de las abscisas, se obtiene el valor de la presión media indicada (Pi) (p.m.i.). Se entiende por presión media a la presión constante con que sería preciso impulsar al pistón durante su carrera de trabajo para que, en estas condiciones ideales, la potencia desarrollada fuera igual que la debida a la combustión. La presión media varía con la velocidad del motor y la relación de compresión. Como el área del ciclo (A) es equivalente al trabajo desarrollado en el cilindro, podemos decir que éste es el producto de la cilindrada unitaria (cm 3) por la presión media indicada (Kg/cm 2): W = A = pi * V Puede llegarse también a esta misma conclusión razonando de la forma siguiente: Sean D y L el diámetro y la carrera del pistón. La fuerza total F que actúa sobre él es el producto de la presión media pi por la superficie a la que se aplica: F = pi * ( p*D2/4) El trabajo realizado por esta fuerza durante la carrera útil es: 22
W = F * L = pi * ( p*D2/4) * L y teniendo en cuenta que ( p*D2/4) * L , es igual a la cilindrada unitaria y, queda: W = pi *V El trabajo desarrollado por un motor puede ser calculado también a partir de la cantidad de calor aportada, teniendo en cuenta, además, el rendimiento térmico del ciclo. La energía mecánica obtenida por transformación directa del calor viene dada por la expresión: W = 427*Q Siendo la cifra 427 el equivalente térmico del trabajo. Teniendo en cuenta que no todo el calor aportado es transformado en trabajo, dado que existen pérdidas de calor, el trabajo desarrollado es: W = 427 *Q*ht Siendo ht , el rendimiento termodinámico. Ejemplo:
Sea un motor que genera una cantidad de calor Q de 1.500 calorías por ciclo, siendo su rendimiento térmico del 40%. El trabajo desarrollado es: W = 427 *Q*ht W = 427 Kgm/Kcal * 1,5 Kcal * 0,4 = 256,2 Kgm. La potencia indicada Pi es el producto del trabajo desarrollado durante una carrera útil, por el número de ellas realizadas en la unidad de tiempo (n). Así pues, en un motor de cuatro tiempos, dado que el ciclo se realiza en dos vueltas completas o revoluciones del motor, tendremos: Pi = (Wi/2)*(n/60) = (pi*V*n/120) , siendo n el número de revoluciones del motor. Expresando la cilindrada en litros y las presiones en Kg/cm 2, para obtener la potencia en CV haremos: Pi= (pi*V*n/120*75) = (pi*V*n)/900 23
y para el motor de dos tiempos quedaría: Pi = pi*V*n / 450. En funcionamiento, una parte de la potencia desarrollada por el motor es empleada en vencer los rozamientos en el interior del mismo. Por esta causa, la potencia indicada es siempre mayor que la efectiva. La potencia indicada puede ser calculada también partiendo del calor aportado por ciclo (Qj) y viene dada por la expresión: Pi = W/t = (427 *Q*h t*n)/60*75 CV POTENCIA EFECTIVA
La fuerza de la explosión aplicada a la biela y transmitida por ésta al codo del cigüeñal para hacerle girar, produce un esfuerzo de rotación que se conoce con el nombre de "par motor". Así pues, el par motor es un esfuerzo de giro. El cigüeñal de un motor gira debido a la fuerza E aplicada al pistón (Fig. 2.3) en el tiempo de explosión, la cual es transferida al cigüeñal por medio de la biela (esfuerzo F). Para la velocidad de rotación del motor a la cual la presión en el cilindro es máxima, se obtiene el mayor esfuerzo de giro en el cigüeñal, que es producto de la fuerza F, por la longitud L de la muñequilla.
24
Debido a diferentes causas, el mayor valor de la presión en el cilindro no se da en el máximo régimen de giro del motor, sino a una velocidad mucho mas reducida, en la que el llenado del cilindro es mejor y se obtienen explosiones más fuertes, por lo cual el par motor máximo no se obtiene al régimen más alto, sino a una velocidad mucho menor. El par motor, multiplicado por el régimen de giro, da la potencia del motor. Así pues, mientras que el par motor será menor que el máximo a las más elevadas revoluciones del motor, el factor de velocidad se traducirá en potencia, que será máxima o cercana a ella a las más elevadas revoluciones del motor. La potencia efectiva es generada por este par y se conoce también como potencia al freno, ya que se mide empleando un dispositivo frenante, que aplicado al eje del motor, se opone al par motor permitiendo medir su valor.
Uno de los primeros dispositivos empleados fue el "freno de Prony", actualmente en desuso por haber sido superado por otros más sofisticados; no obstante, para aclarar el concepto aplicado a la determinación de la potencia efectiva, recurriremos al freno Prony, constituido por un gran tambor de radio r, solidario al eje del motor, que es abrazado por las zapatas regulables del freno. Forma parte de ellas el brazo de longitud l , de cuyo extremo libre pende un peso F . Cuando el eje motor gira arrastrando al tambor, el rozamiento de éste contra las zapatas del freno genera un momento que tiende a hacer girar el brazo, el cual es mantenido en equilibrio por el peso F que pende del extremo libre. Cuando se consigue el equilibrio del sistema, puede decirse que el trabajo absorbido por la fuerza tangencial de rozamiento o de freno en cada revolución del eje motor es: W = 2*p* l *F. *F. Este es el trabajo efectivo desarrollado por el motor, en el que están incluidas las pérdidas por rendimiento mecánico debidas a rozamientos internos, y 25
el trabajo absorbido por los órganos auxiliares, como las bombas de agua y aceite, el generador, etc. El trabajo útil (Wu) desarrollado por un motor es el producto del trabajo indicado (Wi) por el rendimiento mecánico (h m). Wu = Wi * h m Expresando n en revoluciones por minuto, F en Kg y l en metros, la potencia efectiva en CV viene dada por la expresión: Pe = (2*p*l *F*n)/(75*60) *F*n)/(75*60) <> (l *F*n)/716 *F*n)/716 , donde l *F *F es el par motor y el símbolo<> indica aproximadamente igual. El ensayo con el freno de Prony se realiza cuando el motor ya está girando a una velocidad uniforme. En estas condiciones se van apretando regularmente las zapatas contra el tambor, frenando el motor hasta conseguir el régimen al que se desea medir el par.
Motor en bastidor para conectar a banco de potencia. El par motor representa la capacidad del motor para producir trabajo, mientras que la potencia es la medida de la cantidad de trabajo realizado por el motor en un tiempo determinado.
26
Software para crear diagramas p-V en banco de potencia.
Diagrama p-V motor diesel obtenido del banco de potencia.
27
Diagrama p-V motor ciclo Otto obtenido del banco de potencia.
POTENCIA ABSORBIDA
Se denomina así a la diferencia entre la potencia indicada y la efectiva: Pa = Pi - Pe. Una parte de la potencia desarrollada por un motor (potencia indicada) es utilizada para vencer los rozamientos entre las partes mecánicas en movimiento (pistones, cojinetes, etc.), para accionar los diferentes órganos que reciben movimiento del motor (generador eléctrico, bomba de agua, etc.) y para realizar el trabajo de bombeo del fluido en el cilindro. La potencia absorbida resulta difícil de medir, dada la diversidad de las causas de pérdidas por rozamientos y las alteraciones de su valor al variar las condiciones de funcionamiento del motor. Puede obtenerse su valor total midiendo la potencia efectiva y restándola de la indicada, previamente calculada. Como este procedimiento resulta complejo, la determinación de la potencia absorbida suele hacerse obligando a girar al motor sin que éste funcione, midiendo al mismo tiempo la potencia que es necesario emplear. Todo ello después de haber estado funcionando el motor y una vez alcanzada la temperatura de régimen. Este procedimiento da origen a ciertos errores, pero los efectos que ellos causan en un sentido son contrarrestados por los que producen en sentido opuesto. Conociendo la potencia indicada y la efectiva puede obtenerse el rendimiento mecánico del motor: 28
hm = Pe / Pi , que e s un índice de la potencia absorbida por las resistencias pasivas . La experiencia demuestra que las pérdidas de potencia por rozamiento son proporcionales a la velocidad de rotación del motor. Una de las causas más notables de estas pérdidas es el rozamiento de los segmentos contra las paredes de los cilindros, que en determinadas condiciones representan hasta un 75% del total de la potencia absorbida, lo que justifica la tendencia al empleo de motores de carrera corta.
METODOS DE MEDICION DE PAR MOTOR EN UN VEHICULO Método inercial (método posible de efectuar sobre el banco de potencia inercial o con freno) La medición en modo inercial consiste en acelerar el automóvil sobre el banco de potencia, después embragar y dejar en punto muerto hasta que las ruedas se detengan por si mismas. La carga del motor son: los rodillos, la resistencia a la rodadura y la resistencia de los elementos de transmisión (caja de cambios, diferencias, palieres, rodamientos). El tiempo de medición es aprox. de 10 a 30 segundos (depende del vehículo) hasta el corte, y unos pocos minutos desde que embragamos hasta que las ruedas se detengan. La potencia y el par se miden en función de la aceleración del vehículo en los rodillos (potencia y par a las ruedas) y su deceleración (potencia y par de perdidas). La suma de ambos valores representa la potencia y el par del motor. Con los datos recogidos por el banco, el programa nos entrega una gráfica de par, potencia y perdidas, en función de las revoluciones del motor. Ventajas de una prueba inercial comparando con una con freno: Requiere un menor tiempo a plena carga, lo que es más seguro para el motor. No requiere de costosos sistemas de refrigeración, es suficiente un ventilador de tamaño medio. Es más precisa, ya que en la medición en carga, el tensiómetro y la reducida capacidad de control del freno electromagnético y de los cambios térmicos, degradan la precisión.
La prueba inercial tiene algunos inconvenientes. Los motores muy potentes con turbo pueden requerir una carga fuerte para una adecuada construcción de la presión del turbo. El banco de potencia con freno no tiene este problema – se puede aumentar la carga según la necesidad, disminuyendo la precisión de medición solo de una manera insignificante 29
No permite ensayos con velocidades constantes.
Proceso de medición inercial es el siguiente: el vehículo entra en el banco de potencia. El elevador baja y deja apoyadas las rudas sobre los rodillos y las desbloquea.el vehículo se posiciona sobre los rodillos, y se sujeta el coche con cintas, se comprueba la relación de cambio y de transmisión de la unidad – lo que se puede hacer de varias maneras. Se introduce esta información en el programa del banco de potencia. Se pone en funcionamiento los ventiladores de refrigeración,despues de asegurarse que la temperatura del motor es normal, el conductor acelera el coche en la marcha de su eleccion para acelerar a la velocidad deseada(por lo general - la llamada "corte") el operario pisa el embrague, dejando la marcha puesta. El banco de potencia desacelera hasta pararse. El resultado de la medicion se presenta en la pantalla. El operador puede analizar los resultados obtenidos segun las vueltas de motor(la potencia, el par motor, perdidas de los mecanismos de rodadura, la potencia a las ruedas, los resultados de instrumentos de medida que tiene el banco de potencia, etc.)
Medición en carga dinámica (sólo realizable en bancos con freno). La medición en este modo es similar al modo inercial, con la diferencia de que el freno electromagnético simula una carga mayor. La tasa de carga es un porcentaje Determinado por el usuario en el programa de banco de potencia. Este modo es útil para medir coches potentes normalmente con turbocompresores grandes. De esta manera garantizamos una correcta construcción de la presión del turbo. La prueba bajo la carga dinámica tiene varias ventajas importantes en comparación con la medición inercial: operario puede elegir la carga en función del tipo y de la potencia del motor probado. hay posibilidad de ampliar el tiempo de medición, la oportunidad de corregir la carga de los motores con el turbo potente para "construir" correctamente la sobrealimentación.
El proceso de medición en la carga dinámica es el siguiente: la medición con cargas dinámicas: antes de la prueba hay que fijar el valor descarga adicional (es decir aumentar la inercia aparente del banco mediante la imposición de fuerza del freno sin llegar a igualar el valor del par motor sobre la rueda del vehículo probado).en el programa del banco de potencia. Esto permite ajustar con precisión la carga adecuada con la potencia del motor, por ejemplo, con el fin de "construir" y mantener una sobrealimentación. 30
el procedimiento de la medición correcta, después de introducir el valor de fuerza del freno, es el mismo que en el modo inercial.
Medición con rpm constante (sólo realizable en bancos con freno). La medición con rpm constante cosiste en equilibrar la fuerza motriz del coche a través del freno electromagnético y medir la potencia del motor según los datos del tensiómetro (sensor de la fuerza). El tiempo de medición es aprox. 10 segundos de plena carga (para la estabilización de rotaciones y la lectura de resultados) para cada punto de medición (rotaciones concretas). En estas condiciones, en ese punto de equilibrio, podemos obtener simplemente el resultado de potencia y par o modificar parámetros y verificar las reacciones en tiempo real. La medición con carga a una velocidad constante - ventajas y desventajas: Debido al hecho de que la medición de la potencia del motor en el banco de potencia con el freno (prueba con balance de fuerzas con el freno) da un error mayor, pero nos ayuda a mantener el coche a una velocidad constante predeterminada por nosotros – se utiliza sobre todo a los ensayos forzosos de los motores y de componentes de transmisión. Los bancos de potencia equipados con el freno están adquiridos por empresas que se dedican al desarrollo y pruebas de nuevos sistemas de control de inyección de combustible, constructores de motores de competición. La gran ventaja de este tipo de banco es que permite ajustar los parámetros del coche en tiempo real en predeterminadas revoluciones por minuto, aunque hay que ser consciente de las limitaciones de este método, especialmente en cuanto a las temperaturas. El coche en plena carga a revoluciones predeterminadas genera máxima potencia y, por lo tanto, una Cantidad de calor. Lamentablemente, como resultado de ese trabajo, el motor se calienta y cambia sus parámetros (disminuye su eficiencia), a pesar del enfriamiento intensivo. Ningún ventilador es capaz de crear el viento con mucho volumen de aire a velocidades de 200 Km. / h – de hecho en esas condiciones se está moviendo el coche por la autopista. El motor se comporta de una manera repetitiva solo en pocos segundos de plena carga. Este modo de medición requiere un buen método de investigación, una refrigeración eficaz y, por lo tanto, el trabajo del investigador. El proceso de medición con revoluciones constantes es el siguiente: El preparador determina en el programa los puntos de medición, durante los Cuales se estabilizan las revoluciones, El conductor acelera el coche, al presionar el pedal del acelerador por completo (si la medición se hará de acelerador a fondo). El banco de potencia automáticamente frena las ruedas hasta que alcancen las vueltas predeterminadas y el coche no acelera ni desacelera. El valor de la potencia, calculado según las indicaciones del tensiómetro, queda proyectado en la pantalla en tiempo real. El tuner (operador) puede hacer 31
modificaciones durante la medición y observar inmediatamente los efectos de su trabajo en la pantalla
Tipos de frenos El freno es el elemento utilizado para equilibrar el par y absorber la potencia dada por el motor. Si el motor girase en vacío, no sería posible caracterizar los diferentes puntos de funcionamiento del motor. El freno de fricción mecánico por zapata y tambor fue el primero utilizado, llamado “freno de Prony” si bien debido a su inestabilidad y dificultad de regulación y refrigeración hoy es sólo un antecedente histórico. En la siguiente figura se muestra el principio de su funcionamiento.
Freno de Prony De entre los frenos más utilizados en la actualidad, destacan dos de ellos: el freno hidráulico y el electromagnético. La principal diferencia entre ambos es cómo se genera la fuerza frenante. En los frenos hidráulicos, la acción de frenado es producida por la fricción de un fluido (habitualmente agua) entre los dos elementos sólidos (rotor y estator). La regulación se efectúa mediante la variación del nivel del líquido en la cámara hidráulica. La potencia generada se transforma en calor aumentando la temperatura del agua, por lo que es fácilmente disipable mediante la renovación del fluido. El agua es, por tanto, elemento frenante y refrigerante a la vez. En algunos casos se trabaja con un circuito cerrado con un intercambiador de calor, lo que permite la recuperación de energía.
32
En el caso de los frenos electromagnéticos, la acción de frenado se produce mediante la variación del flujo electromagnético creado por unas bobinas alimentadas con corriente continua situadas en el estator y que concentran el campo magnético sobre el rotor. La potencia absorbida genera corrientes parásitas de Foucault que son disipadas en forma de calor. Mediante la variación de la alimentación de las bobinas del estator se consigue la regulación del par resistente. Este tipo de frenos también dispone de un sistema hidráulico cuya única finalidad es la de evitar el excesivo calentamiento del rotor.
Diferencias entre los frenos Prescindiendo del freno de tipo Prony, por tratarse éste simplemente de un antecedente histórico de los frenos dinamométricos debido a la dificultad en el control del par resistente, en la elección del tipo de freno hay que analizar las ventajas e inconvenientes que presentan los frenos hidráulicos y los electromagnéticos, que quedan reflejadas en la “ 33
Ventajas Inconvenientes Bajo coste para potencias absorbidas elevadas Baja estabilidad Larga duración Poco par resistente a pocas vueltas Frenos Hidráulicos Reparaciones rápidas y poco costosas Par de frenado dependiente de la presión de la red hidráulica Control preciso Mayor Coste Frenos electromagnéticos Bajo coste de mantenimiento Alta inercia A pesar de que el coste de adquisición de los frenos electromagnéticos es superior al de los hidráulicos, pero teniendo por el contrario que el primero de ellos presenta una mayor estabilidad y precisión en el control, el freno seleccionado para la sala de pruebas en estudio será electromagnético, siendo necesario decidir cuál de entre los modelos existentes en el mercado es el más indicado para nuestra aplicación.
Termo resistencias
En los tubos de salida de agua de refrigeración del freno acostumbra a haber instaladas dos termo resistencias, con la finalidad de medir la temperatura a la salida del freno y evitar que éste pueda llegar a trabajar en condiciones que provocarían el rápido deterioro de sus componentes. Las termo resistencias están ajustadas a 60º C, y en caso de que la temperatura supere este valor hacen saltar la alarma del freno, interrumpiendo la excitación de las bobinas del freno y, por tanto, parando su funcionamiento. En la “ . Presostatos
También en los tubos de agua para la refrigeración del motor, pero en este caso a la entrada, hay colocado un presostato. Su función es la de controlar la presión de entrada de agua al freno para que, en caso de ser inferior a la requerida y por tanto suponga un riesgo de sobrecalentamiento, intervengan los dispositivos de seguridad y provoquen el paro del freno, dejando de alimentar a las bobinas. El caudal y la presión necesarios para el funcionamiento del freno vienen determinado por el fabricante del mismo.
34
DIMENSIONADO DEL CIRCUITO HIDRÁULICO El agua es el mejor fluido para hacer la refrigeración del freno ya que, además de que su calor específico (ce= 4.19 kJ/kg·K) es mayor que el de otros líquidos, tiene poca viscosidad, no es corrosivo y resulta sencillo disponer de él. La relación entre el caudal de agua necesario para disipar una determinada cantidad de calor viene dado por la ecuación
Refrigeración del freno En nuestro caso, considerando un salto térmico entre la salida de a gua de refrigeración del freno y la entrada de 20º y teniendo en cuenta que:
Refrigeración del motor Para realizar el cálculo del caudal de agua necesario para refrigerar el motor, hemos de tener en cuenta que, aproximadamente un 24% de la potencia total del mismo se disipa en forma de calor en el sistema de refrigeración por agua (en los motores Diesel; aproximadamente un 30% en los Otto). Por lo tanto, y teniendo en cuenta que:
35
Métodos cuasi- estacionarios Este método es el más simple de todos los anteriormente mencionados y se basa en considerar cada accesorio como un componente de una red despreciando el volumen de los múltiples. De esta forma el sistema del motor es análogo a un circuito eléctrico donde los componentes funcionan como resistencias no lineales. El caudal másico y la presión actúan como la corriente y el voltaje en un circuito eléctrico siendo las ecuaciones a resolver todas del tipo algebraico salvo cuando se quiere estudiar la dinámica del sistema lo cual da aparición a un término en derivada temporal que se agrega y transforma el anterior sistema en uno de ecuaciones diferenciales ordinarias. Si bien estos métodos son muy simples y muy rápidos desde el punto de vista computacional, tienen la dificultad de requerir bastante información externa que es factible de obtener mediante datos experimentales, muchas veces difíciles de obtener.
RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO Es la relación que existe entre el aire que entra efectivamente en un cilindro y el que idealmente debiera entrar teniendo en cuenta una medición tomada a una temperatura de 15oC y con una presión de 1 atmosfera. Dependiendo de la velocidad media de subida y bajada del pistón en el cilindro, de la sección de los conductos de admisión y del tamaño de las válvulas y del cilindro, este admite más o menos aire y, por tanto, se produce un mejor o peor llenado.
36
Si el llenado es insuficiente se pierde potencia. La temperatura en que se encuentre el aire también influye en la cantidad que puede entrar en el cilindro. Con temperatura alta, el gas se expande y cabe menos; por el contrario, si hay una temperatura más baja frio- se comprimirá y cabra más. La capacidad volumétrica de un motor se incrementa mediante los turbos y los compresores.
EFICIENCIA Eficiencia Térmica de Motor
Un motor de pistones, alimentado con gasolina, no es capaz de alcanzar 100% de eficiencia térmica. Es decir, no puede aprovechar todo el calor generado por la combustión para transformarlo en fuerza motriz. Los motores de combustión interna a gasolina son derrochadores, su eficiencia térmica es bastante pobre. Alrededor de 30% de la energía calórica que disponen, la transforman en movimiento y la otra parte la disipan (pérdida), hacia la atmósfera. Su popularidad se basa en la agilidad de aceleración que presentan, a diferencia de otros tipos como el diesel, que arrojan mejor eficiencia térmica pero son más lentos. Rendim iento Calórico
No todos desperdician igual cantidad de calor durante su funcionamiento. Comparando motores de características iguales, se considera más eficiente a aquel que utilice mejor porcentaje de calor para producir fuerza motriz. Variadas son las razones por la cual un motor puede cambiar su eficiencia térmica. Como ejemplo podemos mecionar un motor que está siendo refrigerado en exceso. Es decir, su sistema de refrigeración no es el apropiado ya que retira mayor calor que el adecuado. Como consecuencia de esto el conjunto opera a temperaturas menores y su fuerza motriz decae. 37
La eficiencia de los motores Otto modernos se ve limitada por varios factores, entre otros la perdida de energía por la fricción y la refrigeración. En general, la eficiencia de un motor de este tipo depende de la relación de compresión, la proporción entre los volúmenes máximo y mínimo de la cámara de combustión. Analizadores de gases de escape y de partículas El análisis de los gases de escape generados por un motor se realiza directamente a la salida de éste, y permite conocer la riqueza a la que trabaja o la calidad de la combustión. No obstante, cuando el análisis se hace para determinar el impacto ambiental, los gases obtenidos durante un determinado tiempo y haciendo trabajar al motor en determinadas condiciones se recogen en una bolsa de la que posteriormente se extraerán muestras para realizar el análisis. Hay dos aspectos fundamentales a la hora de analizar los gases de escape de un motor, que son la opacidad y la composición de los propios gases. Medidor de opacidad de humos Se utiliza principalmente en los ensayos de motores diesel. Existen diferentes tipos de analizadores, que básicamente se pueden agrupar en dos en cuanto a funcionamiento. En ambos casos la lectura de la opacidad se efectúa electrónicamente mediante fotocélulas. El método Hartridge compara la absorción óptica en dos tubos provistos de ventanas de vidrio, por uno de los cuales circula aire que sirve como referencia y por el otro gas de escape. Se trata de un método de medida continua. El método Bosch hace circular un volumen determinado de gases de escape a través de un papel de filtro, cuyo nivel de ennegrecimiento indica el nivel de humo. En este caso, se trata de una medición discontinua. Análisis de contaminantes A continuación se detallan los principales contaminantes, sus características y las consecuencias derivadas de su emisión. CO2 (Dióxido de Carbono): resultado del proceso de combustión. Es un indicador de la eficiencia de la combustión: valores bajos indican una mala mezcla o un encendido defectuoso. Valores: correcto en un rango aproximado de 12% al 15%. Características: incoloro e inodoro. No es toxico a bajos niveles. Consecuencias: es el principal responsable del efectoinvernadero. CO (Monóxido de Carbono): el CO es resultado del proceso de combustión y se forma siempre que ésta es incompleta. Valores: correcto si está comprendido entre 0,5% y 2%. Características: tóxico, incoloro e inodoro; es más pesado que el aire.
38
Consecuencias: ralentiza la oxigenación de la sangre y agrava la insuficiencia cardiaca; en grandes dosis puede provocar problemas sensoriales; en un 30% de volumen en el aire, es mortal en 30 minutos. NOx (Óxido de Nitrógeno). Características: incoloro e inodoro. Generados por la reacción del oxígeno y el nitrógeno del aire del motor bajo el efecto de la temperatura. Consecuencias: tóxico, en particular el NO2; producen problemas respiratorios, tos y dolores de cabeza. HC (Hidrocarburos): este parámetro representa los hidrocarburos que salen del motor sin quemar. Valores: son valores correctos entre 100ppm y 400ppm (partes por millón). Características: Se pueden distinguir entre los PAH (HC presentes sobretodo en la gasolina sin plomo) y los NPAH (derivados nitratos presentes en los gases de escape en motores diesel). Consecuencias: Algunos pueden contribuir a la formación del ozono, mientras que otros son cancerígenos. SO2 (Óxidos de Azufre). Características: Emitidos en la combustión de combustibles sólidos y fuel-oils. Consecuencias: Provocan problemas respiratorios, olores y participan en la formación del Smog (smoke + fog) y de la lluvia ácida. Partículas (humos). Características: Constituidos por partículas de carbono e hidrocarburos. . Consecuencias: Son sospechosos de ser cancerígenos. Emisiones de plomo. Características: Presentes en la gasolina normal y en la súper. Consecuencias: Atacan al sistema nervioso; son particularmente peligrosos para los niños, ya que pueden perturbar su desarrollo intelectual. Medidores de blow-by
Este tipo de medidores permite determinar las fugas de gases que se pueden producir entre el émbolo y el cilindro del motor alternativo debido a que la estanqueidad entre estos elementos no es perfecta. La medición realizada es interesante para conocer el desgaste que se produce en los elementos del motor, tanto para el desarrollo como para el control del mismo. Condiciones ambientales de la sala Además de las sondas instaladas en el propio motor para conocer y controlar su comportamiento, resulta necesaria la colocación de sondas para la determinación de las condiciones ambientales de la sala. En concreto, es necesario controlar la humedad relativa, la presión atmosférica y la temperatura ambiente debido a que los valores de par y potencia leídos para el motor en prueba son diferentes en función de dichas condiciones ambientales. 39
Para hacer repetibles los ensayos, se han establecido normas de medición. El aire es una masa gaseosa compuesta de diversos gases, principalmente oxígeno (21%), nitrógeno (78%) y vapor de agua disuelto en el aire (determina la humedad). Cuanto mayor sea la cantidad de oxígeno utilizada para quemar el combustible, más energía generada, con lo que se obtiene mayor par y se puede lograr también mayor potencia. Una vez vista la relevancia de la cantidad de oxígeno en el aire en los motores alternativos de combustión interna, es necesario ver cómo afectan las condiciones de la sala a dicha concentración. A mayor temperatura ambiente el aire es menos denso, de manera similar a lo que sucede para presiones bajas. En este caso, se obtienen menores valores de par y de potencia. Sucede lo mismo cuanto mayor sea la humedad relativa de la sala. Para salvar estos inconvenientes se han establecido condiciones estándar de referencia que especifican presión, temperatura y humedad a las que deben referirse todas las mediciones en los motores. Los factores de corrección son valores referidos a las condiciones ambientales estándar que, aplicados a las mediciones de ensayo, los refieren a condiciones estándar, haciéndolos comparables con otras mediciones también corregidas. De esta manera es posible comparar valores obtenidos con condiciones climáticas y geográficas diferentes. Diversas organizaciones de estandarización determinan métodos para estimar el par y la potencia del motor bajo diferentes condiciones ambientales. Las organizaciones más conocidas son:
40
PISTON El pistón es de forma cilìndrica y suele estar fabricado con una aleación de aluminio. Su fabricación implica el uso de altas tecnologías para lograr una máxima precisión en cuantos a medidas y lograr la resistencia adecuada para soportar el desgaste causado por la temperatura y movimiento. El pistón esta constituìdo por varias secciones fácilmente reconocibles: la cabeza del pistòn y falda. En la cabeza del pistón se encuentra en su parte superior la corona, cerrando la cabeza del pistón (ésta junto con las hendiduras en la tapa de cilindros forman la cámara de combustón). La corona soporta el impacto provocado por la expansión de los gases de la combustión y requiere materiales extremadamente resistentes y livianos. La función del pistòn es dirigir la fuerza generada por la combustión dela mezcla a la biela (la cual a su vez la dirige al cigueñal). Al cambiar de dirección en su recorrido descendente-ascendente y ascendente-descendente el pistón el motor debe vencer la inercia resultante, razón por la que se busca mantener el peso del pistón lo más liviano posible. El pistón se encuentra dentro del cilindro con la corona dirigida hacia arriba, mientras que su parte inferior abierta entra la biela conectada por el pasador.
41
CIRCUITO DE GASOIL Almacenamiento El sistema más utilizado para el almacenamiento de combustible para el motor en pruebas es el de un bidón rectangular, puesto que permite un mejor aprovechamiento del espacio con respecto al tanque cilíndrico. Éste puede ser único o no, puesto que en instalaciones específicas puede ser interesante disponer de varios de ellos con combustibles diferentes, alimentar al motor a probar con el que se desee y hacer medidas de consumo y temperatura. En la Figura se puede observar la tipología de depósito más utilizada. Se trata de un depósito de gasoil de doble cuerpo, con una cara exterior que da robustez y seguridad al depósito interior, que es el que almacena el gasoil.
Alimentación de combustible En el circuito de gasoil hay que tener en cuenta los siguientes puntos: Cada línea de combustible que entra en la sala debe ir provista de una válvula automática conectada al sistema de alarmas para que, en caso de que ésta salte, se deje de alimentar el motor. Considerar la necesidad de instalar diversos circuitos de combustible. Es necesario disponer de un buen sistema para el vaciado de los circuitos a la hora de cambiar el tipo de combustible, puesto que en caso contrario podrían quedar impurezas. Para minimizar este riesgo es necesario que el circuito común esté lo más próximo posible al motor. Disponer en un mismo cuadro las válvulas parala selección del combustible a utilizar. Es interesante disponer de un medidor de nivel en cada uno de los depósitos para poder prever las recargas. 42
La velocidad del combustible debe ser, aproximadamente, de 0.2 m/s.
GASES DE ESCAPE El sistema de extracción de los gases de escape es uno de los puntos críticos en el diseño de la sala de ensayos y, para evitar posibles accidentes, es conveniente reproducir en lo posible el sistema que lleva el motor una vez montado en la carrocería del vehículo. Puesto que los gases de la combustión salen a temperaturas muy elevadas (hasta 800º C) es necesario que el material que compone la sala sea antideflagrante para evitar incendios. Es importante que los tubos que evacúan los gases estén a una altura determinada para evitar el riesgo de quemaduras en caso de contacto con ellos En cuanto a la extracción de los gases de la sala lo más habitual es direccionarlos hacia la zona superior para, o bien expulsarlos fuera de la sala tal y como se puede ver en la “ Figura (a) con escape directo y figura (b)con extracción forzada), o bien llevarlos hasta un conducto general de la nave (si lo hubiera) donde se canalizan los gases producidos en diferentes bancos hacia el exterior (figura (c)). Previo a cualquiera de las dos alternativas, los gases de escape se hacen circular por un silenciador (colocado habitualmente en el techo de la sala). En el silenciador, los gases se meten en una cámara cubierta de material absorbente de ruido, que es reducido unos 38dB.
43
AIRE PARA LA ADMISIÓN Como se ha visto en el apartado Condiciones ambientales de la sala, las variaciones en magnitudes como la presión, temperatura, humedad y pureza del aire para la combustión provocan grandes cambios en el comportamiento del motor. Es por ello por lo que lo ideal sería poder realizar las pruebas en los motores con unas condiciones ambientales controladas (condiciones estándar de presión (1bar), temperatura (25º C) y humedad (30%)), pero en la práctica esto no es posible debido al gran coste que ello supone (mayor cuanta más precisión sea necesaria). En los bancos de ensayos de producción, los cambios en las condiciones ambientales no son importantes, pero sí que es necesario hacer una posterior corrección de los resultados obtenidos y referenciarlos a condiciones normales. Sin embargo, en las salas de pruebas destinadas a la investigación y desarrollo si que es conveniente, siempre y cuando sea posible, que el aire de admisión se encuentre en unas condiciones estables y lo más próximas posible a las condiciones normales (al menos de temperatura y humedad). El sistema más simple de admisión de aire es aquél en que el motor lo toma directamente de la sala de ensayos (utilizado habitualmente en los bancos de producción). La desventaja de este sistema es que se pueden producir variaciones incontroladas de la temperatura ambiente, por lo que resulta necesaria realizar la corrección de los valores de par y potencia del motor. Principalmente en las salas destinadas a la investigación y el desarrollo estos inconvenientes se solventan alimentando al motor con una toma de aire independiente a la sala. Éste se toma del exterior y, tras tratarlo convenientemente, se coloca en la entrada del motor. Con este sistema de acondicionamiento (mediante una unidad de tratamiento de aire) se consigue imponer y regular las condiciones climáticas del aire de admisión para realizar las pruebas en condiciones estándares, puesto que lo que está en estudio son 44
pequeñas variaciones que se producen en el motor a ensayar siempre en las mismas condiciones. Los sistemas de climatización de las salas de ensayos son muy voluminosos, por lo que habitualmente se montan en el techo de la sala. Estos sistemas permiten controlar la temperatura del aire de admisión (normalmente entre 20º÷25º C) con una precisión de ± 1º C. El sistema de climatización está compuesto por los siguientes elementos: Filtro. Entrada de aire con ventana y filtro. Calentador, que puede ser eléctrico o mediante agua caliente. Humidificador (con inyector de vapor). Refrigerador alimentado por agua.
El aire proveniente del exterior, pasa por unos filtros con el fin de eliminar cualquier impureza que pueda contener. Como se puede observar, la unidad detratamiento de aire dispone de un humidificador, un refrigerador y de dos calentadores. El primer calentador es necesario cuando se precisa humidificar aire frío seco, puesto que si se inyecta el vapor directamente satura y se deposita la humedad en el conducto. El segundo calentador es necesario, puesto que habitualmente hay que enfriar el aire a una temperatura inferior a la deseada con el fin de reducir la humedad (mediante el refrigerador).
Medición de presión en el cilindro Los indicadores del motor registran el historial Presión/Volumen de los contenidos de los cilindros del motor. La forma más simple de un indicador de motor es el “indicador mecánico Dobbie McInnes” que se muestra en la figura 13.13. Consta de un papel adjunto a un rodillo, cuya rotación está ligada al desplazamiento del pistón por un cordón enrollado en el rodillo. La presión en el cilindro es registrada 45
por un enlace conectado a un pistón accionado por resorte en un pequeño cilindro. Éste es el cilindro indicador, conectado al cilindro del motor mediante una válvula.
SISTEMA DE LUBRICACIÓN La función del sistema de lubricación es evitar el desgaste de las piezas del motor, creando una capa de lubricante entre las piezas, que están siempre rozando. El lubricante suele ser recogido (y almacenado) en el carter inferior (pieza que cierra el motor por abajo) El lubricante y su viscosidad pueden influir mucho en el rendimiento de un motor, además, existen varios sistemas para su distribución.
Aceites:
Los aceites empleados para la lubricación de los motores pueden ser tanto minerales, como sintéticos. Las principales condiciones o propiedades del aceite usado para el engrase de motores son: resistencia al calor, resistencia a las altas presiones, anticorrosivo, antioxidante y detergente. Por su densidad : espesos, extra densos, densos, semidensos, semifluidos, fluidos y muy fluidos. Por sus propiedades, los aceites se clasifican en: aceite normal, aceite de primera aceite detergente y aceite multigrado (puede emplearse en cualquier tiempo), permitiendo un arranque fácil a cualquier temperatura. Los aceites sintéticos a unan las propiedades detergente y multigrado. 46
Existen en el mercado unos aditivos que suelen añadirse al aceite para mejorarlo o darle determinadas propiedades. El fin de estos aditivos es que el polvo de estos productos se adhiera a las partículas en contacto, haciéndolas resbaladizas. Los puntos principales a engrasar en un motor, son: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Paredes de cilindro y pistón. Bancadas del cigüeñal. Pie de biela. Árbol de levas. Eje de balancines. Engranajes de la distribución.
El carter inferior sirve de depósito al aceite, que ha de engrasar a todos los elementos y en la parte más profunda, lleva una bomba que, movida por un eje engranado al árbol de levas, lo aspira a través de un colador. A la salida de la bomba, el aceite pasa a un filtro donde se refina, y si la presión fuese mayor de la necesaria, se acopla una válvula de descarga.
Presión:
La presión a la que circula el aceite, desde la salida de la bomba hasta que llegue a los puntos de engrase. Esta presión debe ser la correcta para que el aceite llegue a los puntos a engrasar, no conviene que sea excesiva, ya que aparte de ser un gasto innecesario llegaría a producir depósitos carbonosos en los cilindros y las válvulas. Para conocer en todo momento la presión del sistema de engrase, se instala en el salpicadero un manómetro, que está unido a la tubería de engrase, y nos indica la presión real. O bien una luz situada en el tablero de instrumentos, que se enciende cuando la presión es insuficiente.
Sistemas de Lubricación Se denominan sistemas de lubricación a los distintos métodos de distribuir el aceite por las piezas del motor. Se distinguen los siguientes: Salpicadura:
Resulta poco eficiente y casi no se usa en la actualidad (en solitario).Consiste en una bomba que lleva el lubricante del carter a pequeños "depósitos" o hendiduras, y mantiene cierto nivel, unas cuchillas dispuestas en los codos del cigüeñal "salpican" de aceite las partes a engrasar.
47
De este sistema de engrase se van a aprovechar los demás sistemas en cuanto al engrase de las paredes del cilindro y pistón. Sistema mixto
En el sistema mixto se emplea el de salpicadura y además la bomba envía el aceite a presión a las bancadas del cigüeñal. Sistema a presión
Es el sistema de lubricación más usado. El aceite llega impulsado por la bomba a todos los elementos, por medio de unos conductos, excepto al pie de biela, que asegura su engrase por medio de un segmento, que tiene como misión raspar las paredes para que el aceite no pase a la parte superior del pistón y se queme con las explosiones.
48
De esta forma se consigue un engrase más directo. Tampoco engrasa a presión las paredes del cilindro y pistón, que se engrasan por salpicadura.
Sistema a presión total
Es el sistema más perfeccionado. en él, el aceite llega a presión a todos los puntos de fricción (bancada, pie de biela, árbol de levas, eje de balancines) y de más trabajo del motor, por unos orificios que conectan con la bomba de aceite.
Sistema de carter seco
Este sistema se emplea principalmente en motores de competición y aviación, son motores que cambian frecuentemente de posición y por este motivo el aceite no se encuentra siempre en un mismo sitio. Consta de un depósito auxiliar (D), donde se encuentra el aceite que envía una bomba (B). Del depósito sale por acción de la bomba (N), que lo envía a presión total a todos lo órganos de los que rebosa y, que la bomba B vuelve a llevar a depósito (D). 49
Elementos de un circuito de lubricación
Bombas de aceite
Su misión es la de enviar el aceite a presión y el una cantidad determinada. Se sitúan en el interior del cárter y toman movimiento por el árbol de levas mediante un engranaje o cadena. Existen distintos tipos de bombas de aceite: Bomba de engranajes
Es capaz de suministrar una gran presión, incluso abajo régimen del motor. Está formada por dos engranajes situados en el interior dela misma, toma movimiento una de ellas del árbol de levas y la otra gira impulsada por la otra. Lleva una tubería de entrada proveniente del cárter y una salida a presión dirigida al filtro de aceite.
50
Bomba de lóbulos
También es un sistema de engranajes pero interno. Un piñón (rotor) con dientes, el cual recibe movimiento del árbol de levas, arrastra un anillo (rodete) de cinco dientes entrantes que gira en el mismo sentido que el piñón en el interior del cuerpo de la bomba, aspira el aceite, lo comprime y lo envía a una gran presión. La holgura que existe entre las partes no debe superar las tres décimas de milímetro.
51
Bomba de paletas
Tiene forma de cilindro, con dos orificios (uno de entrada y otro de salida). En su interior se encuentra una excéntrica que gira en la dirección contraria de la dirección del aceite, con dos paletas pegadas a las paredes del cilindro por medio de dos muelles (las paletas succionan por su parte trasera y empujan por la delantera).
Manómetro Se encarga de medir la presión del aceite del circuito en tiempo real.
52
Manocontacto de presión de aceite
Interruptor accionado por la presión del aceite que abre o cierra un circuito eléctrico. Cuando la presión del circuito es muy baja se enciende una luz.
Testigo luminoso
Indica la falta de presión en el circuito, y se enciende la luz cuando la presiónb aja de 0 5 hg/cm2 e indica la falta de aceite. Indicador de nivel
También se coloca un indicador de nivel que actúa antes de arrancar el motor y con el contacto dado. La aguja marca cero con el motor en marcha. Válvula limitadora de presión
También se puede denominar válvula de descarga o reguladora, va colocada en la salida de aceite de la bomba de aceite. Su misión es cuando existe demasiada presión en el circuito abre y libera la presión. Consiste en un pequeño pistón de bola sobre el que actúa un muelle. La resistencia del muelle va tarada a la presión máxima que soporte el circuito.
53
Filtros de aceite El aceite en su recorrido por el motor va recogiendo partículas como:
Partículas metálicas (desgaste de las piezas) Carbonilla y hollín (restos de la combustión)
El aceite debe ir limpio de vuelta al circuito y este dispone de dos filtros: 1. Un filtro antes de la bomba (rejilla o colador) 2. Un filtro después de la bomba (filtro de aceite o principal) El filtrado puede realizarse de dos maneras: en serie y en derivación.
Filtrado en serie: todo el caudal deaceite pasa por el filtro. Es el mas utilizado.
54
Filtrado en derivación: solo una parte del caudal de aceite pasa por el filtro.
55
Tipos de filtro de aceite Los filtros van provistos de un material textil y poroso y van provistos de una envoltura metálica. Los mas usados son:
Con cartucho recambiable
Monoblock
Centrífugo
Refrigeración del aceite 56
Debido a las altas temperatura el aceite pierde su viscosidad (se vuelve mas líquida) y baja su poder de lubricación. Se emplean dos tipos de refrigeración: 1. Refrigeración por cárter 2. Refrigeración por radiador: El aceite pasa por un radiador controlado por una válvula térmica, la cual cuando el aceite está demasiado caliente deja pasar agua que procede del radiador del sistema de refrigeración de agua(mientras esta frío el aceite no deja pasar agua).
Características de los aceites Los más utilizados son los derivados del petróleo, por destilación (minerales) o por procesos químicos (sintéticos). Factores importantes
Presión entre las piezas. Canalizaciones (longitud y diámetro) Revoluciones por minuto Temperatura Condiciones de uso
57
Características Viscosidad: El aceite se hace más espeso en frío y menos espeso en caliente. El mejorador del índice de viscosidad reduce el régimen de cambio de viscosidad con la temperatura permitiendo un fácil arranque en frío y mejor protección contra el desgaste bajo altas temperaturas (la viscosidad es una medida de la facilidad con la cual fluye el aceite). Untuosidad: es la capacidad que tienen los fluidos de adherirse a la superficie, es especialmente interesante para disminuir el desgaste en el momento de arranque. Punto de congelación o inflamación: En todos los aceites la viscosidad cambia con la temperatura, sin embargo no todos cambian de la misma manera, generalmente los aceites monogrados son aquellos en los que estos cambios son más importantes. En los aceites de tipo multigrado los cambios no son tan drásticos. Detergencia: Impide la formación de lodo al mantener inocuamente suspendidos el lodo y el carbón en el aceite. Estabilidad química: El aceite lubricante se encuentra en constante movimiento, arrastra las partículas formadas por el desgaste propio de las partes, se contamina con: partículas de polvo, agua, combustible y gases producto de la combustión. Es por esta razón que debe tener una gran estabilidad química, de lo contrario se degradaría y formaría compuestos agresivos para el motor como “lodos de alta y baja temperatura”. Inhibidor de espuma: Reduce la producción de espuma en el cárter, un aceite espumoso se oxida con mayor facilidad. Anticorrosivos y antioxidantes: Ayuda a evitar el ataque por corrosión y oxidación de los materiales de los diferentes componentes del motor.
58
Relación de compresión La relación de compresión en un motor de combustión interna es el número que permite medir la proporción en que se ha comprimido la mezcla de airecombustible (Motor Otto ) o el aire (Motor Diésel) dentro de la cámara de combustión de un cilindro. Para calcular su valor teórico se utiliza la formula siguiente
Donde
d = diámetro del cilindro. s = carrera del pistón desde el punto muerto superior hasta el punto muerto inferior Vc = volumen de la cámara de combustión. RC = es la relación de compresión y es adimensional.
Diagnóstico del Motor – Prueba de Compresión La prueba de compresión del motor es un buen indicador de la condición del motor, es muy sencilla, rápida, requiere de herramientas de bajo costo y ayuda mucho en el diagnóstico correcto de la condición del motor.
Los motores de combustión interna requieren que la compresión de cada cilindro sea la misma para funcionar adecuadamente y dependen de la compresión de la mezcla de aire y combustible para maximizar la energía producida por el motor. El movimiento ascendente del pistón en la carrera de compresión comprime la mezcla de aire y combustible en la cámara de combustión. Si hay fugas en la cámara de combustión, parte de la mezcla aire/combustible se escapa cuando se comprime, lo que resulta en una pérdida de potencia y gasto excesivo de combustible. 59
SINTOMAS DE PROBLEMAS DE COMPRESION Cuando un motor tiene problemas de compresión puede presentar alguno o varios de los siguientes síntomas Expulsa humo de cualquier color. Es necesario acelerar más de lo normal para desplazarse (falta de potencia). Elevado consumo de combustible. Las revoluciones en ralentí son muy variables. Problemas de arranque. Se apaga constantemente. Consume agua o refrigerante
CAUSAS DE PROBLEMAS DE COMPRESION Las causas de una mala compresión se deben a que la cámara no tiene el sellado necesario y existen fugas por algún elemento de la cámara, por ejemplo: Agujero de la bujía: La bujía puede estar mal colocada, no apretada o el agujero y/o rosca pudiera estar dañado Válvulas: Una válvula dañada no permite un buen asentamiento en el orificio de la cabeza del motor, permitiendo fugas. Válvulas quemadas, desgastadas, con rasguños, dobladas pueden ser la causa. Así mismo resortes vencidos o dañados. Anillos del Pistón: Si los anillos del pistón están flojos en el pistón o en la camisa se presentan fugas. Junta de Cabeza: Una junta de cabeza dañada, mal apretada, mal asentada o mal seleccionada permitirá fugas. Cabeza dañada: Una cabeza de motor con grietas permitirá fugas. Bloque del motor: Si el bloque del motor presenta cuarteaduras en alguno de los cilindros entonces se presentan fugas. Mala sincronización: Si sincronización del motor no es la correcta pueden no asentar correctamente las válvulas o no hacerlo a tiempo, esto puede deberse a una banda de sincronización gastada o algún problema en este subsistema. COMO MEDIR LA COMPRESION - PROCEDIMIENTO La compresión del motor puede hacerse con facilidad mediante un comprobador de compresión (manómetro) de los que se pueden adquirir en el mercado. Esta revisión da una buena información sobre el estado de desgaste del motor. Llevar el motor a la temperatura normal de operación. Quitar los cables de alta tensión de todas las bujías. 60
Quitar una de las bujías y colocar el manómetro cuidando que al conectarlo este tape por completo el orificio donde se instala la bujía en la cabeza del motor. Tratar de arrancar el motor por unos segundos con el acelerador a fondo, es decir girar la llave para dar marcha al motor. Anotar la presión indicada por el manómetro en un papel Volver a colocar la bujía y repetir los dos pasos anteriores en el resto de los cilindros. La presión de cada cilindro debe ser muy similar en todos los cilindros y coincidir con la especificada por el fabricante del motor. La diferencia de presión no debe ser superior al 10%. Como regla general para determinar la compresión que debe tener un motor, cuando no se tiene la especificada por el fabricante, se toma e valor de la relación de compresión, así si la relación de compresión es de 9:1 (9 a 1) el valor de presión debe ser de 9+1 = 10 Bares. Conversiones Para convertir de Bares a Psi (libras de presión, como se le conoce comúnmente) es necesario multiplicar los Bares por 14.5038, así si tenemos 5 Bares, multiplicamos 5 x 14.5038 = 72.519 Psi Para convertir de Psi a Bares, se multiplican los Psi por 0.068947, así si tenemos 100 psi, multiplicamos 100 x 0.068947 = 6.8947 Bares RESULTADOS. TEST - PROBLEMAS EN LA COMPRESION Para que la compresión pueda considerarse como normal, la diferencia entre la lectura de un pistón y otro no debe ser superior a 10%. Si la diferencia es mayor se pueden aplicar las siguientes reglas: Compresión de baja todos los cilindros puede significar que un problema de cilindros lavados. Esto significa que el motor se le ha inyectado demasiado combustible y ha lavado el aceite de las paredes del cilindro. El aceite crea un efecto de sellado entre el pistón, los anillos y las paredes del cilindro. Sin esta capa fina de aceite, la compresión del motor se escapa hacia el cárter. Si el motor parece funcionar normalmente, pero es débil y sopla una pequeña cantidad de humo azulado, podría ser un indicador de anillos y/o cilindro desgastados. En estos casos, ponga una pequeña cantidad de aceite en cada cilindro y repita la prueba de compresión. Si la compresión aumenta dramáticamente entonces se ha encontrado el problema, anillos y/o cilindro desgastado. Si las lecturas de compresión no cambian, entonces podría indicar un problema de tiempo entre el árbol de levas y el cigüeñal del motor y se recomienda revisar la cadena o banda de distribución. Si se encuentra que la lectura de compresión es muy baja o nula en un cilindro, es muy probable que existen daños internos en el motor como: El pistón podría haber roto una biela o tener un agujero. 61
Una válvula puede estar pegada o con fugas. Podría haber un resorte de válvula roto o una varilla de empuje doblada. El árbol de levas tiene un desgaste excesivo y no es da la apertura necesaria a la válvula. Si la compresión es baja o nula en dos cilindros adyacentes, puede indicar que la junta de cabeza no está trabajando adecuadamente o porque está dañada, o por problemas con la superficie o por un mal apriete entre otros. También puede ser debido a que el árbol de levas está dañado en un área que opera entre las válvulas de dos cilindros adyacentes. Cuando la compresión resulta ser demasiado alta en uno o más cilindros, esto puede indicar excesiva acumulación de carbón en el motor. Sólo se puede corregir mediante la realización de un proceso químico de-carbonización en el motor o quitando la cabeza del motor y para limpiar el carbón (hollín) de la parte superior de la cabeza del pistón y de la zona de apertura de válvulas de la cabeza. OTRA PRUEBA Otra prueba que permite hacer el diagnóstico consiste en inyectar aire por el agujero de la bujía e identificar por donde escapa el aire. Para esto se debe retirar el ducto entre el filtro y el motor para poder observar si el aire sale por allí. Si el aire escapa por el escape, entonces el problema es en la válvula de escape. Si el aire escapa por la válvula de admisión, se verá salir el aire por la admisión de aire. Si la fuga es por los anillos, se verá escapar el aire por el tapón de aceite como una neblina grasosa. Si la fuga es por la junta de cabeza, se verá salir el aire por entre el bloque y la cabeza como burbujas de agua o por el tapón del radiador. Si la fuga es por el tapón de radiador también puede indicar que el problema es interno, es decir una cuarteadura del bloque.
PARAMETROS GEOMETRICOS
62
63
CONCLUSION En el trabajo realizado se han obtenido nuevos conocimientos de las diferentes pruebas que se le realizan a un motor de combustión interna para su correcto funcionamiento y como estas influyen en su funcionamiento y rendimiento para que sea el óptimo. El rendimiento de un motor depende de Primordialmente sobre la energía en la mezcla que se suministra al motor y en la eficiencia con que el motor convierte la energía en trabajo. El aumento del consumo de energía requiere la inducción de más de la mezcla por ciclo o por unidad de tiempo. Un aumento en la velocidad de la mezcla de entrada a menos que el aumento de la velocidad resulta en una mayor disminución en la eficiencia volumétrica. Sobrealimentación y la velocidad, si es posible, el recalentamiento se utiliza para aumentar la producción. A si mismo los diferentes problemas que se podrian derivar si una de estas pruebas realizadas falla y que consecuencias podria tener sobre el motor.
64
Contenido ANTECEDENTES ................................................................................................................................... 2 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................... 6 DEFINICIONES .............................................................................................................................. 6 PRUEBAS QUE SE EFECTUAN A LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA................................... 8 TORQUE ....................................................................................................................................... 8 PAR DE TORSIÓN ....................................................................................................................... 10 Tacómetro ................................................................................................................................. 13 Termopares ............................................................................................................................... 16 Medidores de presión ................................................................................................................... 18 POTENCIA ...................................................................................................................................... 19 POTENCIA EN MOTORES DE COMBUSTION INTERNA ................................................................... 20 POTENCIA INDICADA ................................................................................................................. 21 POTENCIA EFECTIVA .................................................................................................................. 24 POTENCIA ABSORBIDA .............................................................................................................. 28 METODOS DE MEDICION DE PAR MOTOR EN UN VEHICULO ....................................................... 29 Tipos de frenos .............................................................................................................................. 32 Termo resistencias .................................................................................................................... 34 Presostatos ................................................................................................................................ 34 DIMENSIONADO DEL CIRCUITO HIDRÁULICO ............................................................................... 35 Métodos cuasi- estacionarios ....................................................................................................... 36 RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO ...................................................................................................... 36 EFICIENCIA ..................................................................................................................................... 37
Eficiencia Térmica de Motor ................................................................................................. 37 Medidores de blow-by .............................................................................................................. 39 PISTON ........................................................................................................................................... 41 CIRCUITO DE GASOIL ..................................................................................................................... 42 GASES DE ESCAPE .......................................................................................................................... 43 AIRE PARA LA ADMISIÓN............................................................................................................... 44 Medición de presión en el cilindro ................................................................................................ 45 SISTEMA DE LUBRICACIÓN ............................................................................................................ 46 Aceites: ...................................................................................................................................... 46 65