UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA
RECONOCIMIENTO DE PARTES Y PARÁMETROS CONSTRUCTIVOS DE LOS MOTORES DE COMBUSTION INTERNA
MOTORES DE COMBUSTION INTERNA INTERNA (MN136 –C)
UGARTE MAMANI, Jesús 20091315D ING. PONCE GALIANO, Jorge
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2013 -
Contenido
RESUMEN ........................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ........... 3 INTRODUCCIÓN TEORICA ...................................................................................................... .............................................................................................................. ........ 4 MOTOR DE COMBUSTION INTERNA ......................................................................................... 4 CLASIFICACION DE LOS MOTORES DE COMBUSTION INTERNA ................................................ ................................................ 4 PRINCIPALES COMPONENTES DE UN MOTOR DE COMBUSTION INTERNA .............................. 6 PISTON ................................................................................................................................... ................................................................................................................................... 7 BIELA........................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ........... 6 CIGÜEÑAL .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. 8 CARTER .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. 9 CULATA ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ 10 JUNTA DE CULATA ........................................................................................... ............................................................................................................... .................... 11 VÁLVULAS ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ 1 1 COLECTORES ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ 13 ANILLOS DEL PISTÓN P ISTÓN ........................................................................................................... ........................................................................................................... 13 BULON ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. 15 BUJIAS E INYECTORES ............................................................... .......................................................................................................... ........................................... 15 CAMISETA ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ 1 6 EJE DE LEVAS ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... 16 DAMPER ............................................................. .............................................................................................................................. ................................................................. 17 METODOLOGIA Y PROCEDIMIENTO DEL LABORATORIO L ABORATORIO ............................................................ 18 DESCRIPCION ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... 1 8 INSTRUMENTOS Y UTILIZACION .............................................................. .............................................................................................. ................................ 18 PROCEDIMIENTO DE DESMONTAJE ........................................................................................ ........................................................................................ 20 RECOPILACION DE DATOS ....................................................................................................... ....................................................................................................... 21 CÁLCULO Y GRAFICAS REPRESENTATIVAS ............................................................... ................................................................................... .................... 24 DEMOSTRACION DE LA RELACION BIELA – MANIVELA ............................................................... ............................................................... 2 6 ANALISIS DE RESULTADOS................................................................. ........................................................................................................... .......................................... 29 CONCLUCIONES ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... 3 1 BIBLIOGRAFIA .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. 3 3
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Contenido
RESUMEN ........................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ........... 3 INTRODUCCIÓN TEORICA ...................................................................................................... .............................................................................................................. ........ 4 MOTOR DE COMBUSTION INTERNA ......................................................................................... 4 CLASIFICACION DE LOS MOTORES DE COMBUSTION INTERNA ................................................ ................................................ 4 PRINCIPALES COMPONENTES DE UN MOTOR DE COMBUSTION INTERNA .............................. 6 PISTON ................................................................................................................................... ................................................................................................................................... 7 BIELA........................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ........... 6 CIGÜEÑAL .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. 8 CARTER .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. 9 CULATA ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ 10 JUNTA DE CULATA ........................................................................................... ............................................................................................................... .................... 11 VÁLVULAS ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ 1 1 COLECTORES ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ 13 ANILLOS DEL PISTÓN P ISTÓN ........................................................................................................... ........................................................................................................... 13 BULON ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. 15 BUJIAS E INYECTORES ............................................................... .......................................................................................................... ........................................... 15 CAMISETA ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ 1 6 EJE DE LEVAS ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... 16 DAMPER ............................................................. .............................................................................................................................. ................................................................. 17 METODOLOGIA Y PROCEDIMIENTO DEL LABORATORIO L ABORATORIO ............................................................ 18 DESCRIPCION ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... 1 8 INSTRUMENTOS Y UTILIZACION .............................................................. .............................................................................................. ................................ 18 PROCEDIMIENTO DE DESMONTAJE ........................................................................................ ........................................................................................ 20 RECOPILACION DE DATOS ....................................................................................................... ....................................................................................................... 21 CÁLCULO Y GRAFICAS REPRESENTATIVAS ............................................................... ................................................................................... .................... 24 DEMOSTRACION DE LA RELACION BIELA – MANIVELA ............................................................... ............................................................... 2 6 ANALISIS DE RESULTADOS................................................................. ........................................................................................................... .......................................... 29 CONCLUCIONES ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... 3 1 BIBLIOGRAFIA .............................................................................................................................. 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RESUMEN En el presente informe de laboratorio se desarrollará el reconocimiento de un motor de combustión interna de encendido por chispa, las partes principales que la componen (colectores de admisión y escape, válvula de admisión y escape, eje de levas, culata, monoblock, cárter, camiseta, pistón, bulón, biela, cigüeñal, bujía de encendido, etc.) así como su función y características de fabricación, y el desarrollo de expansión de los gases en los cilindros de combustión. Se determinará la relación de compresión real del motor y su respectiva grafica determinando la relación carrera vs ángulo de giro de la manivela. m anivela.
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INTRODUCCIÓN TEORICA MOTOR DE COMBUSTION INTERNA
El motor de combustión interna es aquella máquina que transforma la energía liberada por la reacción química de la mezcla de un combustible y un comburente (aire) el cual es absorbido del medio ambiente. Este proceso se lleva a cabo en el interior de la cámara de combustión la cual presenta condiciones de resistencia a altas temperaturas y altas presiones.
CLASIFICACION DE LOS MOTORES DE COMBUSTION INTERNA
Los motores de combustión interna se pueden clasificar dependiendo los parámetros que se quieran resaltar, es decir: -
Clasificación según la disposición de los cilindros, puede ser lineal o en V. Esta forma depende del número de cilindros con el cual trabaja el motor, generalmente los motores de automóviles usan arreglos de 4 ó 6 cilindros.
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Según su tipo de refrigeración, se puede clasificar en motores refrigerados por un fluido líquido (agua) o por aire.
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Otra característica que resalta en los motores es la presión de admisión del aire. La absorción del aire en máquinas convencionales es a presión atmosférica o menor y estas difieren de los motores sobrealimentados en que el segundo emplea una turbina-compresor para aumentar la potencia de la máquina.
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Se puede distinguir motores según el recorrido del pistón. El de 2T son motores que se caracterizan por transmitir altas o bajas potencias, y los de 4T son aquellos que transmiten potencias medianas.
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Según su encendido, se distinguen los motores de ciclo Otto o encendido por chispa y los motores de ciclo Diesel o encendido por compresión. 4
Los motores de encendido por chispa se basan en el principio de ignición o combustión a volumen constante. Por otro lado los motores de encendido por compresión se basan en el principio de encendido a presión constante. La chispa que se genera en los motores Otto es originado por el paso de una corriente eléctrica entre dos electrodos. Los combustibles utilizados son gaseosos en algunos casos y más comúnmente hidrocarburos con fácil evaporación; por lo que deben ser ligeros y altamente inflamables. El dispositivo capaz de producir la ignición es la bujía, su función principal es el control del paso de la corriente causante de la chispa. También actúa como disipador de calor de la cámara y reduce el riesgo de una explosión cuando no quiera ser producida. Como inconveniente, este tipo de motores se limitan a valores de relación de compresión que varían de 6 a 10 dentro del cilindro, ya que al alcanzar grandes presiones puede producir una explosión espontanea del fluido activo. En el caso de los motores Diesel el encendido se genera de una manera diferente y ésta es por medio de la autoinflamación del fluido activo, ocasionada por una elevada compresión y una alta temperatura. Por ello es necesario utilizar combustibles con menor volatilidad y peso específico en comparación de los usados para los motores Otto. Los valores de la relación de compresión es este caso pueden alcanzar el valor de 22. Cabe señalar que en el tipo Diesel se obtienen mejores rendimientos en comparación con aquellos del ciclo Otto; esto debido a la alta compresión a la que están sometidos por lo que se puede aprovechar su combustible a un mayor grado.
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Se debe señalar que los motores Diesel presentan un peso relativamente mayor en comparación con los Otto dado que trabajan a altas presiones.
PRINCIPALES COMPONENTES DE UN MOTOR DE COMBUSTION INTERNA Continuando con el desarrollo del reconocimiento del motor de combustión interna, se procederá a detallar los principales componentes.
BIELA La biela está constituida principalmente por: -
El ojo de la biela que recibe el perno del pistón.
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El vástago de la biela que une el pie de la biela con la cabeza
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El pie de la biela que envuelve el cojinete 6
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El apoyo o cojinete que sujeta al cigüeñal
Debido al efecto realizado por el pistón de transmitir trabajo, lo que produce inercia y peso, que debe ser parado e impulsado muchas veces, ocurren grandes esfuerzos en las bielas que comienzan a hacer ruido debido al juego excesivo entre el cojinete de la biela y el muñón del cigüeñal. Esto se conoce como golpeteo y se causa principalmente por el desgaste o deterioro del cojinete.
PISTON Un pistón se divide en la cabeza, la zona de arcos, el vástago y los cubos del perno. La cabeza del pistón es la superficie que está en contacto con la mezcla, la cual puede ser abombada hacia afuera o hacia adentro y, en algunos casos, plana. La zona de arcos es el área comprendida entre la cabeza y el vástago que consta de varias hendiduras a lo largo del radio del pistón (entre 3 y 5) que tienen la función de evitar que los gases escapen al cárter y provoquen perdida de potencia y deterioro del aceite. Por otro lado sirven para escurrir el aceite sobrante y lo devuelven al cárter. Así también evitan que el aceite se filtre a la cámara de combustión. El vástago del pistón es el área que sirve para guiar el pistón en el cilindro, en donde se transmiten los movimientos laterales que se producen con el movimiento de la biela. Por último los cubos del perno son los que reciben el esfuerzo del pistón al perno, que es la unión del pitón y la biela. Durante el movimiento del pistón en el cilindro ocurren dos tipos de fuerzas en éste, una paralela al movimiento del pistón y otra lateral, la cual causa que el pistón choque contra las paredes del cilindro. Esto da origen a un movimiento zigzagueante del pistón y que da origen al ruido. Con el propósito de aminorar esto se disminuye el juego y se aumenta la longitud del vástago. Debido a las altas temperaturas que se generan en el cilindro durante la explosión, el pistón debe cumplir con los siguientes requerimientos:
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Poca densidad
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Buena resistencia a altas temperaturas
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Buenas propiedades de deslizamiento
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Gran resistencia frente al desgaste
Es por ello que se utiliza aleaciones de materiales a base de aluminio sintetizado.
CIGÜEÑAL El cigüeñal se puede considerar como una serie de pequeñas manivelas, una por cada pistón. El radio del cigüeñal determina la distancia que la biela y el pistón puede moverse. Dos veces este radio es la carrera del pistón. Podemos distinguir las siguientes partes:
Muñequillas de apoyo o de bancada.
Muñequillas de bielas.
Manivelas y contrapesos.
Una muñequilla es la parte de un eje que gira en un cojinete. Las muñequillas de bancada ocupan la línea axial del eje y se apoyan en los cojinetes de bancada del bloque. Las muñequillas de biela son excéntricas con respecto al eje del cigüeñal. Van entre los contrapesos y su excentricidad e igual a la mitad de la carrera del pistón. Por cada muñequilla de biela hay dos manivelas. Los motores en V llevan dos bielas en cada muñequilla. Algunos cigüeñales llevan un engranaje de distribución en cada extremo para mover los trenes de engranajes de la distribución, encendido (distribuidor) y engrase (bomba de aceite); y por medio de enlaces similares o correas se mueven los de refrigeración (ventilador y bomba de agua), el generador de corriente (dinamo o alternador) y compresor de aire acondicionado en su caso. De modo que estos órganos absorben parte de la energía del motor y restan, por lo tanto parte de la energía real que pasaría a las ruedas. El cigüeñal monta en sus extremos un dámper o anti vibrador, para absorber las vibraciones del cigüeñal, el volante motor para acumular inercia y regularizar el giro del cigüeñal. Otra particularidad del cigüeñal es una serie de taladros de engrase. Tiene practicados los taladros, para que pase el aceite desde las muñequillas de biela a las 8
de bancada. Como al taladrar quedan esos orificios en los contrapesos, se cierran con tapones, que se pueden quitar para limpiar dichos conductos. El material empleado generalmente para la construcción de los cigüeñales es de acero al carbono; en los casos de mayores solicitaciones se emplean aceros especiales al cromo - níquel o al cromo -molibdeno-vanadio tratados térmicamente. Se construyen también cigüeñales en fundición nodular que poseen unas características de resistencia semejantes a las del acero al carbono. Cuando, a causa de las fuertes descargas, deben emplearse cojinetes con una superficie bastante dura (antifricción de aleación cobre- plomo, duraluminio, etc.), las muñequillas del cigüeñal se endurecen superficialmente mediante cementación, temple superficial o nitruración. En un sistema especial de temple superficial muy empleado en la fabricación en serie, el endurecimiento se produce mediante un calentamiento superficial obtenido por procedimiento eléctrico (por inducción) y posterior enfriamiento con agua; este sistema de endurecimiento es muy rápido. Otro sistema de endurecimiento superficial es el flameado, en el cual el calentamiento se obtiene con la llama. Cuando los problemas económicos pasan a segundo término, como sucede en el caso de los coches de carreras, se puede elegir un acero especial de alta resistencia y adoptar el endurecimiento por nitruración. Los problemas que más se presentan son las averías en los cojinetes y en los muñones que son debidas generalmente a una lubricación insuficiente o bien a su desgaste normal, todo cigüeñal desmontado debería ser comprobado por medio de un comparador y en un torno por si presenta excentricidad, el juego de cojinetes de apoyo del cigüeñal está fijado por el fabricante.
CARTER El cárter es la parte del motor que sostiene al cigüeñal y es base de los cilindros. Este protege el mecanismo interior del polvo y la humedad del medio ambiente que pueden provocar el deterioro de las piezas. Se divide en dos partes, el cárter inferior y el cárter superior o bancada.
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El cárter inferior es donde se aloja el lubricante (aceite) que será distribuido a través a todo el motor, cuenta con una bomba que impulsa al fluido por todo el sistema, un orificio para medir el nivel del lubricante y de los tapones de vaciado. Los materiales de construcción empleados actualmente para los motores convencionales son la fundición y las aleaciones de aluminio. La principal cualidad del bloque de aleación ligera consiste en la economía de peso de algunas decenas de kilogramos, como contrapartida de lo cual es necesario en el proyecto poner en obra soluciones eficaces para hacer indeformable el bloque (nerviación, refuerzos, etc.) y adoptar forros interiores (camisas desmontables) para los cilindros, de acero o fundición.
CULATA La culata es la tapa que cierra la parte superior de los cilindros; debido a las altas presiones y temperaturas que debe resistir producto de la combustión en el cilindro, esta pieza es diseñado con aleaciones ligeras o de aluminio. Cabe resaltar las características que debe tener esta pieza como: -
Resistencia a la presión de gases
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Buena conductividad térmica
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Resistencia a la corrosión
-
Tener un coeficiente de dilatación parecido al bloque del cilindro
-
Tener conductos de admisión y escape cortos
En la culata también se instala las bujías (en caso de motores con ciclo Otto) o los inyectores (para los motores con ciclo Diesel) para mejorar el rendimiento del motor. La culata y el bloque deben formar un conjunto estanco para evitar el paso del agua de refrigeración al aceite o viceversa, y para ello la primera ha de ser totalmente plana, con un labeo máximo de 0.05 mm.
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JUNTA DE CULATA También llamado empaquetadura de culata, asegura la estanqueidad entre culata y bloque. Se hace de amianto grafitado recubierto con finas hojas de acero que recubren el amianto. el amianto se caracteriza por soportar altas temperaturas sin perder su estructura. Una junta de culata defectuosa puede dar lugar a fugaz de gases y agua del sistema de refrigeración haciendo que las piezas se deterioren con mayor rapidez.
VÁLVULAS Son los elementos encargados de abrir o cerrar los orificios por los que entran o salen los gases en el interior de los cilindros .Están situados generalmente en la parte superior del motor, en la culata, y consta de cabeza y cola (llamada también vástago). El motor normalmente opera las válvulas actuando sobre los vástagos con levas y taqués. El perfil y posición de la leva determina la apertura de la válvula, cuándo y que tan rápidamente (o lentamente) se abre la válvula. Las levas son normalmente colocadas fijas en un árbol el cual es engranado con el cigüeñal, girando a la mitad de la velocidad de éste, en los motores de cuatro tiempos. En los motores de altas prestaciones (los autos de alta competencia), el árbol de levas es movible axialmente, las levas varían en altura, y la apertura de las válvulas también cambia, todo en relación con las RPM del motor. Debido a que el vástago de la válvula se extiende hasta la cámara de las levas para ser lubricado, debe ser sellado para evitar que pasen los gases provenientes del cilindro. Un retén con labios de goma evitan que excesivas cantidades de aceite entren en la lumbrera de admisión, y que desde la lumbrera de escape suban los gases a la cámara del o los árboles de levas. Cuando estos retenes se gastan, es común ver humo azulado en el escape cuando presionamos el acelerador, por ejemplo al pasar los cambios. En los primeros tiempos de la construcción de motores, las válvulas eran el mayor problema. La metalurgia no era lo que es hoy día, y el rápido abrir y 11
cerrar de las válvulas contra la culata de cilindros producía su rápido desgaste. Era necesario reemplazarlas cada dos años o más, en un proceso caro y que demandaba mucho tiempo. Agregar tetra etilo de plomo a la gasolina reducía el problema en alguna medida, debido a que se formaba una película de plomo en el asiento, actuando como lubricante del metal. Al construir los asientos de las válvulas con una aleación mejorada de acero al cromo-cobalto hizo que este problema desapareciera completamente e hizo innecesaria la gasolina con plomo. Desde el punto de vista funcional las válvulas deben resistir las elevadas y repetidas solicitaciones causadas por los golpes sobre los asientos, y mantenerse sin deformaciones también bajo la acción de las altas temperaturas a las que están sometidas; la válvula de escape puede alcanzar la temperatura de 750 ºC. Para la construcción de las válvulas de escape se ha empleado durante un cierto tiempo el acero al tungsteno, del tipo usado para utensilios, que tiene óptimas cualidades de resistencia mecánica en caliente, pero que tiende a agrietarse a elevadas temperaturas: actualmente se usa de una manera especial el acero al cromo-silicio oportunamente tratado. El material que se considera mejor desde el punto de vista de la resistencia al calor es un acero austenítico con alta tenencia de níquel-cromo, por ello no magnético e insensible a los tratamientos térmicos: se usa especialmente para las válvulas de aviación, cuyos asientos cónicos están a menudo revestidos de estelita. Para mejorar la transmisión del calor del plato al vástago, las válvulas de escape en aeronáutica son a menudo construidas huecas y llenas parcialmente de sodio metálico o de sales de litio y de potasio, que resultan líquidas a la temperatura de funcionamiento. Las válvulas de aspiración están generalmente construidas con acero menos costoso (de bajo tenor níquel-cromo). Para los muelles los aceros más usados son aquellos al silicio-manganeso y el acero sueco (especialmente para los motores de aviación). Desde el punto de vista del mantenimiento las válvulas deben estar montadas de modo que resulten fácilmente revisables y permitir
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también de una manera fácil su esmerilado y rectificado de los asientos cuando es necesario restablecer una buena estanqueidad. En bastantes motores son idénticas las de admisión y escape, pero modernamente se generaliza la construcción del as válvulas de admisión de mayor diámetro para facilitar una amplia entrada y llenado de gases frescos, mientras que las de escape, que son sometidas a elevadas temperaturas tienen la cabeza de menor diámetro para asegurar su rigidez
COLECTORES La culata recibe de forma lateral los colectores de admisión y de escape ,que son los tubos por los que respectivamente salen y entran los gases a los cilindros .Los colectores de admisión se fabrican de aleación de aluminio fundido , con su interior liso y orientado para evitar que los gases encuentren dificultades en su recorrido al cilindro. Tiene una base plana para de servir de soporte al carburador o al elemento inyector y para apoyarse en la culata con la interposición de una junta de amianto aprisionada con chapa de acero. El amianto también se está sustituyendo por compuestos polímeros, armados en capas de cobre o acero según su función. En motores modernos los colectores también se fabrican de compuestos de poliuretano más ligeros que brindan buen coeficiente de resbalamiento para la entrada de gases frescos. El colector de escape suele fabricarse de hierro fundido para que pueda soportar muy elevadas temperaturas ya que los gases que recibe son los procedentes de la explosión .Para evitar interferencias en la salida de gases se cuida minuciosamente la orientación de los ductos.
ANILLOS DEL PISTÓN Un anillo de pistón es un anillo con abertura que encaja en los surcos del diámetro exterior del pistón. La mayoría de los pistones llevan tres anillos: dos para sellado de compresión y uno para sellado de aceite. Su función primaria es la de formar un sello entre el pistón y las paredes del cilindro, evitando así, que grandes cantidades de presión de la combustión se escabullan hacia el 13
pistón. Adicionalmente, ellos estabilizan al pistón en su movimiento cotidiano, ayudan a enfriar el pistón al transferir calor hacia el bloque del motor y raspan aceite de las paredes del cilindro. Los anillos pueden ser redondos, cuadrados, planos, inclinados, afilados, pero más importante, deben estar hechos a la
medida del pistón. El diseño y el material del anillo de pistón, variará para diferentes motores y niveles de potencia. A la hora de crear un anillo de pistón se deben considerar el control de aceite, las RPM, la potencia y la compresión. Los anillos de pistón están sujetos al desgaste al frotarse contra el cilindro. Para minimizar esto, los anillos son fabricados con materiales resistentes al desgaste como el hierro y el acero y son tratados con una capa adicional para mejorar su aguante. Típicamente, los anillos superiores y de control de aceite estarán cubiertos con una capa de Cromo o Nitruro rociado o tienen una capa cerámica de PVD (physical vapor deposit). El anillo inferior de control de aceite está diseñado para soltar una capa de aceite micrométrica en las paredes del cilindro, mientras el pistón desciende. Un pistón y área de contacto (con el anillo) bien preparados, crea de una forma efectiva una presión interna del sistema. Esto es, en sí, una fuerza sellante. Las superficies superiores e inferiores de cada ranura donde se coloca el anillo en
el pistón, deben estar completamente lisas de forma que el anillo tenga algo contra qué sellar. Los anillos de pistón están creados para rotar en la ranura durante la operación del motor y deben de poder rotar libremente con el fi n de
que cada partícula de carbón sea retirada de la ranura. Asimismo, el anillo debe estar libre para que pueda moverse fácilmente contra las paredes del cilindro. Esto sucede a la misma que la presión de la combustión queda detrás de él. Los anillos de pistón también juegan un papel integral en otros dos aspectos de funcionamiento del motor. Los anillos transfieren el calor del pistón hacia el
cilindro, donde el sistema de enfriamiento lo puede evacuar. Los anillos están en la parte superior del pistón donde está más caliente. Ellos son el contacto primario entre el cilindro y el pistón, ya que el pistón nota en una capa de aceite. Si los anillos no sellan correctamente contra el cilindro, la temperatura del pistón aumenta y hay aún más recalentamiento. 14
El tercer pistón es el responsable de raspar el aceite de las paredes del cilindro y devolverlo hacia el cárter a través de los pequeños orificios en el pistón,
detrás del anillo. Si la compresión del anillo tiene un escape, la muy caliente combustión de gases estaría alcanzando al tercer anillo y convirtiendo el aceite en carbón. Una vez más, el acumulamiento de carbón hará que el anillo se dañe. Si el anillo se daña, no puede limpiar el exceso de aceite del cilindro. Este exceso de aceite puede caer en los anillos de compresión, se convierte en carbón y causa que se dañen también. Todo esto puede causar que el motor explote.
BULON Se denomina bulón al tornillo de gran tamaño con rosca en un extremo el cual une el pistón con la biela. Debido al movimiento del pistón este bulón es sometido a cargas muy altas por lo que, generalmente para disminuir el esfuerzo sobre la pieza, es descentrado respecto al eje perpendicular del cigüeñal. El material de fabricación es de acero templado mediante forja, aunque hay motores de competencia con bielas de titanio o aluminio.
BUJIAS E INYECTORES Las bujías son los componentes que hacen detonar la mezcla aire/combustible dentro de la cámara de combustión a través de una chispa generada por sus electrodos. Otra función, es de absorber el calor generado en la cámara de combustión y disiparlo para que el motor trabaje siempre en temperatura adecuada de potencia. Dependiendo de la potencia desarrollada por los motores se distinguen dos tipos de bujías; bujía fría (para motores de gran potencia y disipación de calor más rápido) y bujía caliente (par motores de mediana potencia, autos convencionales con disipación de calor más lenta). Los inyectores son válvulas electromagnéticas encargadas de suministrar el combustible al motor. El inyector pulveriza en forma de aerosol la gasolina procedente de la línea de presión dentro del conducto de admisión. Es en 15
esencia una refinada electroválvula capaz de abrirse y cerrarse millones de veces sin escape de combustible y que reacciona muy rápidamente al pulso eléctrico que la acciona.
CAMISETA Las camisas son la cavidad por donde pasa el líquido refrigerante ya sea agua o anticongelante, esto es así para enfriar el motor, de estas hay dos tipos de camisas secas las cuales están de una forma cubierta y solo con un orificio y pasa por dentro de una forma individual, o de camisas húmedas por las cuales están de forma junta.
EJE DE LEVAS Las levas son empujadores que abren las válvulas. La posición de la leva durante la rotación determina el momento en que ha de abrirse la válvula. El eje de levas va sincronizado con la distribución del motor y cuya velocidad de giro es la mitad que la del cigüeñal; por tanto, el diámetro de su engranaje será de un diámetro doble que el del cigüeñal. Asimismo, según su situación varía el mecanismo empujador de las válvulas. Cuando el árbol de levas es lateral el mecanismo empujador consta de leva, taqué, varilla, balancín y eje de balancines. Dependiendo de la colocación del árbol de levas y la distribución de estas, accionarán directamente las válvulas a través de una varilla como en la primera época de los motores Otto, sistema SV o lo harán mediante un sistema de varillas, taqués y balancines, es el sistema OHV. Posteriormente, sobre todo desde la aparición de los motores diésel, el árbol de levas ha pasado a la culata, es el llamado sistema SOHC. Cuando el árbol de levas va en cabeza la leva actúa directamente sobre un cajetín cilíndrico. Se deben tener en que un árbol de levas consta de los siguientes elementos:
Por cada cilindro tantas levas como válvulas de admisión y escape hayan
Una leva excéntrica para la bomba de alimentación , si es mecánica
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Un piñón que mueva la bomba de engrase, en los motores antiguos de gasolina el eje del distribuidor
En un extremo un piñón que es arrastrado por el cigüeñal.
Independientemente del sistema adoptado para el funcionamiento de la distribución, es necesario sincronizar el cigüeñal con el árbol de levas, es decir hacer el calado de la distribución. A tal efecto los piñones o las poleas disponen de unas marcas de fabricación que posibilitan esta sincronización. Su fabricación puede ser en procesos de fundición, forja; arboles ensamblados suelen someterse a acabados superficiales de tratamientos térmicos (cementado). Que sirven para endurecer la superficie del árbol pero no su núcleo. Y posteriormente son maquinados para dar los acabados finales y la precisión requerida.
DAMPER Debido a los violentos impulsos que las explosiones comunican a los codos del cigüeñal tiende a torcerse elásticamente, sobre todo cada vez que recibe las carreras motrices de los cilindros más alejados del volante, al producirse la explosión en el cilindro 1, desde este codo hasta el plato, el cigüeñal tiende a torcerse sobre sí mismo, por la resistencia que se ofrece para girar, debida a la inercia del volante y al esfuerzo resistente de las ruedas propulsoras. Aunque esta torsión del cigüeñal es casi siempre absorbida por su grosor y resistencia, la tapida sucesión de las explosiones convierte en vibración tales esfuerzos torsionales, y a determinada velocidad de giro (llamada velocidad crítica) puede suceder que las vibraciones adquieran gran amplitud y se noten desagradablemente por los pasajeros, aunque no se produzca la rotura del cigüeñal. Para evitarlas, es frecuente, sobre todo en motores de cilindros grandes o cigüeñales largos, el empleo de un dispositivo llamado dámper o antivibrador que
absorbe las vibraciones y que se monta en el extremo del
cigüeñal opuesto al del volante, dentro o fuera del cárter.
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METODOLOGIA Y PROCEDIMIENTO DEL LABORATORIO DESCRIPCION Para comenzar con la experiencia del reconocimiento de las partes del motor de combustión interna, se realiza como primer paso la exploración externa, ubicando como primer punto: la culata, las bujías, el monoblock, el colector de admisión y colector de escape.
INSTRUMENTOS Y UTILIZACION Para iniciar el desmontaje de las piezas se hará uso de las herramientas siguientes:
Fig.2 Gage Instrumento que cuenta con láminas de espesores variables que ayudan a calcular dimensiones de difícil acceso
Fig.3 Vernier Instrumento de medida de gran presición. Se determinara las dimensiones del cilindro así como la carrera del pistón.
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Fig.4 Extensión Permite darle un mayor torque para desajustar o ajustar los tornillos.
Fig.5 Dados y extensión Dados de diverso tamaño para los diferentes tornillos y extensión axial para zonas de difícil maniobrabilidad.
Fig.6 Aceite Para determinar el volumen muerto en la culata dado que es de diseño no convencional
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PROCEDIMIENTO DE DESMONTAJE o
Se retira la tapa con un destornillador plano.
o
Se retira el colector de admisión y de escape.
o
Retiramos las varillas de los balancines luego el eje de balancines.
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o
Con la ayuda de la extensión retiramos la culata.
RECOPILACION DE DATOS o
Determinación del volumen muerto (Vm) Con la culata desmontada y sobre la mesa de trabajo, se procederá a medir el volumen muerto por el método de diferencia de volumen ocupado por el lubricante Se mide una cierta cantidad de volumen de aceite en la probeta graduada, luego vaciamos una parte del aceite hasta llenar todo el espacio del volumen muerto; entonces la diferencia entre la medida inicial de aceite y lo que sobra en la probeta será el volumen muerto del cilindro.
21 Fig.7 Método de diferencia de volúmenes
o
Calibración del PMS de una válvula (n°1) con la ayuda del reloj comparador,
para
determinar
con
mayor
precisión
las
dimensiones de la carrera del pistón.
o
Determinación de la carrera del pistón (S) Con el vernier se procede a medir las dimensiones del cilindro (profundidad y diámetro), para de esta forma determinar tanto la carrera del pistón como el volumen de trabajo.
o
Cálculo de los ángulos de cierre y apertura de las válvulas Cuando movemos la volante, los balancines presionan a los resortes de las válvulas de admisión y escape, esto nos permitirá saber cuándo se adelanta o retrasa la apertura y el cierre de las válvulas. Para eso antes con el gage se determinó un espaciamiento adecuado para así evitar los golpeteos con la válvula. La volante del motor tiene un determinado número de dientes, que corresponderá a una vuelta (360 grados), los ángulos de adelanto y retraso lo calcularemos de manera proporcional a los dientes barridos. 22
Angulo de adelanto de apertura de la válvula de admisión ( Aava): Ubicamos la válvula de admisión, y entre la parte inferior del muelle del balancín y la parte superior de la válvula sujetamos el balancín y así en el instante en que deje de moverse podremos encontrar en instante de apertura de esta válvula.
Angulo de retraso de cierre de la válvula de admisión ( βcva): Del mismo modo cuando el muelle del balancín deje de presionar la válvula el ángulo barrido por la volante con respecto al PMI será el ángulo de βcva.
Angulo de adelanto de la apertura de la válvula de escape ( Aave): En el instante en que se deje de mover el balancín por contacto con la válvula de escape se marcara cuanto ha girado la volante respecto al PMI, ese será el ángulo Aave.
Angulo de retraso de la válvula de escape ( βcve): Cuando el balancín deja de presionar retirar, lo que haya girado la volante respecto al PMS, será el ángulo de βcve.
En el laboratorio se analizará un motor Ford - 5C18.
DATOS TOMADOS EN LABORATORIO Numero de dientes en la volante
110
Numero de cilindros
4
Medición N° 1 diámetro de cilindro
8.09cm
Medición N° 2 diámetro de cilindro
8.10cm
Medición N° 3 diámetro de cilindro
8.08cm
Carrera en PMS
0.08cm
Carrera en PMI
14.97cm
Espesor de empaquetadura
0.15cm
Volumen de aceite en la culata
45ml 23
CÁLCULO Y GRAFICAS REPRESENTATIVAS
Cálculos geométricos
Parámetro
Medición
Diámetro del cilindro promedio
8.09 cm
Carrera del pistón
14.89 cm
Área colector de admisión
19.1232 cm2
Área colector de escape
14.6287cm2
Volumen muerto
49.11 ml
Número de dientes de la volante
110 dientes
Tabla 1. Parámetros medidos del motor
Como tenemos 110 dientes de la volante, de la hoja de datos, considerando como referencia la parte frontal de la volante (sentido anti horario) y de acuerdo al número de dientes de los 4 ángulos a determinar obtenemos la siguiente tabla:
Tipo de Ángulo
Dientes
Ángulo
Posición
Apertura de Válvula de Admisión
10
32.727°
Antes del PMS
Cierre de la Válvula de Admisión
16
52.363°
Después del PMI
Apertura de Válvula de Escape
15
49.091°
Antes del PMI
Cierre de la Válvula de Escape
4
13.091°
Después del PMS
Tabla 2. . Ángulos empleados para el Diagrama de distribución de válvulas
Ahora con los datos de la tabla 1 hallaremos los parámetros del motor, los cuales los hallamos de expresiones conocidas, siendo tabulados y presentados en una tabla de forma ordenada y coherente.
24
Determinamos el volumen útil de trabajo:
Determinamos la cilindrada del motor:
La relación entre el radio de la manivela y la longitud de la biela (λ)(dato de laboratorio):
La relación de compresión teórica:
En el siguiente diagrama circular de expansión de los gases, se detallara los ángulos obtenidos del motor Ford.
α AVA = 32.727° βCVA = 52.363° α AVE = 49.091° βCVE = 13.091°
Diagrama 1. Diagrama circula de expansión de los gases
25
DEMOSTRACION DE LA RELACION BIELA – MANIVELA El orden de encendido lo obtuvimos con el movimiento del árbol de levas, que acciona cada uno de los balancines, obteniendo el siguiente orden: 1 – 3 – 4 – 2 Ahora con estos ángulos tenemos el ángulo φ, es medido desde la vertical en sentido horario. Con este valor y con los parámetros k y λ obtendremos una
relación para hallar la posición de la carrera en cualquier instante. Como se trata de un movimiento circular, podemos intuir que será un movimiento armónico con componentes sinusoidales.
β
φ2
Figura 1. Esquema del mecanismo biela-manivela.
Primero calcularemos el desplazamiento del pistón. Para ello sabemos que el desplazamiento del pistón para el caso general descentrado desde el P.M.S. es: 26
…….(a)
El ángulo β de la biela se halla rá con relación de CB y e:
..(b) √ ………….
Como teóricamente los valores de λ y k no superan a la unidad, podemos expresar “b” como una serie sin considerar los términos con un orden mayor a
la segunda potencia, esto para reducir la expresión sin mayor error ya que, a mayor potencia, un término pequeño se reduce.
……..(c)
Sustituyendo (a) en (c) obtenemos:
* + Como sabemos, el ángulo corresponde a la posición del pistón en el P.M.S. Considerando dato de laboratorio e=0 entonces () () ………(d)
Podemos obtener la ecuación de velocidad derivando
Ahora podemos notar a partir de estas dos últimas expresiones que la velocidad se hace cero en el PMS y PMI
De igual forma podemos derivar (e) y (f) para obtener la ecuación de la aceleración del pistón
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De estas ecuaciones obtenidas, consideraremos que ω= 3500 RPM, lo
convertimos a radianes por segundo, luego tabulando nuestros ángulos junto con los múltiplos de 15° para obtener una dispersión con más puntos, obtenemos la tabla 3. Asimismo podemos graficar las posiciones en función de los ángulos obtenidos, la cual teóricamente se debe asemejar a una especie de campana de gauss. De la misma forma las velocidades, ya que dada la naturaleza de las ecuaciones y al movimiento armónico, deberá tener una tendencia sinusoidal.
Φ (°)
S (cm)
V (m/s)
A(m/s2)
0
0.00
0.00
1185616.25
15
0.33
86.98
1117884.23
30
1.28
164.14
926627.87
45
2.74
223.34
644890.22
60
4.56
259.51
319204.38
75
6.56
271.24
-901.59
90
8.56
260.58
-273603.75
105
10.41
232.15
-472994.00
120
12.01
191.81
-592808.13
135
13.27
145.17
-644890.22
150
14.17
96.44
-653024.12
165
14.71
47.90
-643988.63
180
14.89
0.00
-638408.75
195
14.71
-47.90
-643988.63
210
14.17
-96.44
-653024.12
225
13.27
-145.17
-644890.22
240
12.01
-191.81
-592808.13
255
10.41
-232.15
-472994.00
270
8.56
-260.58
-273603.75
28
285
6.56
-271.24
-901.59
300
4.56
-259.51
319204.38
315
2.74
-223.34
644890.22
330
1.28
-164.14
926627.87
345
0.33
-86.98
1117884.23
360
0.00
0.00
1185616.25
Tabla.3 Cálculo de posición, velocidad y aceleración.
ANALISIS DE RESULTADOS
) m c ( S 16.00
Posicion vs ángulo de giro y = 1E-08x4 - 1E-05x3 + 0.0019x2 + 0.0011x - 0.0708
14.00 12.00 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 -2.00 0
50
100
150
200
250
300
350
400 Φ (°)
Gráfica 1. Relación de la posición del pistón en función de su ángulo de giro
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Velocidad vs ángulo de giro ) s / m ( V
300.00 y = 0.0001x3 - 0.0631x2 + 7.5885x - 3.9005
200.00 100.00 0.00 0
50
100
150
200
250
300
350
400
-100.00 -200.00 -300.00 Φ (°)
Gráfica 2. Relación de la velocidad del pistón en función de su ángulo de giro
) 2 ^ s / m1500000.00 ( A
Aceleración vs ángulo de giro y = -1E-07x6 + 0.0001x5 - 0.0549x4 + 10.659x3 - 911.99x2 + 11906x + 1E+06
1000000.00 500000.00
Φ (°)
0.00 0
50
100
150
200
250
300
350
400
-500000.00 -1000000.00
Gráfica 3. Relación de la aceleración del pistón en función de su ángulo de giro
Con los datos obtenidos podemos calcular la relación de compresión real: 30
CONCLUCIONES 31
Se puede verificar que la relación de compresión real del motor Ford es menor a la teórica debido a que hay un desfasaje entre las aperturas y cierre de las válvulas tanto de admisión como de escape.
Se puede observar de la gráfica aceleración vs ángulo de giro que, los valores máximos se da en los puntos donde se inicia la expansión y expulsión.
Los resultados que hemos obtenido tienden a los valores reales dado que se consideró para su cálculo un motor con ejes centrado por lo que se cuenta con un margen de error.
El descentrado que dan los fabricantes es para denotar una menor carga sobre el bulón y de esa forma trabajar con menores perdidas.
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