Primer Laboratorio de Motores

 

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

RECONOCIMIENTO DE PARTES DE PARTES P ARTES PRINCIPALES Y PARAMETROS CONSTRUCTIVOS CONSTRUCTIVOS DE LOS MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Solicitante del informe:

ING. JORGE PONCE GALIANO PROFESOR DE LABORATORIO DE MOTORES DE COMBUTION INTERNA

 AUTOR DEL INFORME: INFORME:

JUAN MARTIN HUALLPA UCAÑAN

SECCION:

E

FECHA DE REALIZACION DEL LABORATORIO:

10 DE ABRIL DEL 2019 FECHA DE ENTREGA DE INFORME: I NFORME:

8 DE SETIEMBRE DEL 2016

 

RESUMEN DEL INFORME El presente informe técnico correspondiente al curso de laboratorio de motores de combustión interna, desarrolla el ensayo de “reconocimiento de partes principales y parámetros constructivos constructivos de un motor de los motores”. En este caso se trabajó el ensayo

con un motor Peugeot K2D. Dicho motor se desarmo para poder medir las geometrías del cilindro, volumen útil de trabajo y volumen muerto. Y finalmente se halló los ángulos de apertura y cierre de las válvulas de admisión y escape, hallando primero la posición del punto muerto superior (PMS) y punto muerto inferior (PMI) en la volante del motor que sirvió de guía para encontrar los ángulos de apertura y cierre de las válvulas. En el desarme del motor se pudo identificar las distintas partes principales del motor, se pudo identificar los colectores de admisión y escape, así como la culata, monoblock y carter. En la parte de anexos se agrega la ficha técnica del motor ensayado.

 

INDICE OBJETIVOS ................................................................................................................................ ............................................................................................................................... 2 FUNDAMENTO TEÓRICO ....................................................................................................... 3 ............................................................................. .................... 11 METODOLOGÍA PARA EL ENSASAYO.........................................................

DATOS OBTENIDOS EN EL ENSAYO ............................................................................... 14 CÁLCULOS Y RESULTADOS .............................................................................................. 15 ............................................... 18 REPRESENTACION GRAFICA DE LOS RESULTADOS ................................................ ................................................................................................................. 21 OBSERVACIONES  ..................................................................................................................

CONCLUSIONES ..................................................................................................................... .................................................................................................................... 22 ....................................................................................................................... 23 BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................................

 

ANTECEDENTES

 Al inicio del curso el profesor a cargo del laboratorio definió el formato para la entrega de los informes y el temario de laboratorios a desarrollar en el curso. Se desarrolló una sesión de clase, una semana antes del ensayo, donde se abordaron los temas de “ P P artes a   rtes principales de los motores de combustión interna”  y  y “ Parámetros Parámetros constructivos de un motor de combustión interna” . Esta sesión, de clase previa, sirvió

para desarrollar el ensayo de laboratorio de forma más clara, ya que, en el curso de laboratorio de motores de combustión interna (dentro del plan de estudios) se tiene el primer contacto con los motores y su funcionamiento. En el ensayo de laboratorio se tuvo la guía del profesor a cargo de la parte práctica del curso y el técnico correspondiente al laboratorio, quienes facilitaron la manipulación, el desarme, las mediciones y calibraciones del motor con el que se desarrolló el ensayo. El ensayo de laboratorio se llevó a cabo con un motor Peugeot K2D, que se encuentra en el laboratorio de motores de combustión interna de la Universidad Nacional de Ingeniería.

1

 

OBJETIVOS a. Reconocer las principales piezas de un motor b. Conocer el fin y la función de las principales piezas c. Realizar la medición de los parámetros construct constructivos ivos de un motor (cilindrada, carrera de pistón). d. Realizar el diagrama de las distribuciones de los gases del motor Peugeot K2D. e. Realizar los cálculos cinemáticos del sistema biela manivela del motor Peugeot K2D.

2

 

FUNDAMENTO TEÓRICO Desde el inicio del desarrollo de los motores de combustión interna hasta los tiempos actuales los motores combustión interna (MCI) ha tenido mejoras de eficiencia, durabilidad, rendimiento y otros aspectos que han mejorado gracias al uso de mejores materiales en su fabricación. Las piezas de un motor están sometidas algunas a altas temperaturas y presiones, otras al contacto con el ambiente que podría ser corrosivo, otras al impacto, otras a la fricción entre piezas metálicas y otras al cambio brusco del sentido de movimiento. Todas las piezas de un motor están sometidas particularmente a determinados esfuerzos o condiciones de trabajo lo que obliga a usar distintos materiales en distintas piezas en incluso distintos materiales en distintas áreas de una misma pieza, sobre la personalización de materiales dependiendo de la piza se une la condición de que no debe ser muy costoso por sus materiales un motor, que el peso de un motor debe ser lo menor posible por la condición de la reducción de la masa específica y el incremento de potencia por unidad de volumen se cumple con la condición de fabricación de motores que ocupen un volumen lo más reducido posible.  Además, hay que recordar que el principio de funcionamiento de un motor de combustión interna es aprovechar la energía calorífica producida de la explosión de la mezcla aire combustible, es decir, es una máquina térmica que aprovecha la combustión para producir trabajo.

Figura 1: Motor a petróleo The science and technology of materials in automotive engines   3

 

Entonces se trata de una máquina que trabaja a altas temperaturas y que consigue eficiencias entre el 20 y 30% en motores de gasolina del ciclo Otto y entre el 30 y 45% en motores del ciclo Diésel. Para los valores de eficiencia energética del 45% se encuentran en motores de híbridos que usan un MCI y un motor eléctrico alternando su uso según las condiciones en las que se encuentre el vehículo. Por lo presentado es necesario saber la forma en cómo funcionan f uncionan y con qué materiales se fabrican las distintas piezas de un MCI, por eso se presenta en este fundamento teórico las más importantes import antes y las más comunes piezas que se podrán encontrar en todos los MCI.

i.

El colector de admisión

Es una pieza que conduce el aire o la mezcla de aire combustible del ambiente exterior del motor a los cilindros del motor para la combustión, cumple la función de conducir uniformemente la mezcla de aire combustible o aire. También sirve para montar el carburador, el cuerpo de la mariposa, los inyectores del combustible y otros componentes del motor. Está fabricado por lo general de aluminio (Figura 2) o fierro fundido y recientemente se ha comenzado a emplear colectores de material plástico (Figura 3). 

Figura 2: Colector de admisión de aluminio

4

 

Figura 3: Colector de admisión de última generación fabricado de plástico

En los motores modernos los colectores de admisión cobran mucha importancia a la hora de alcanzar una reducción de consumo de combustible y de emisiones, incremento del rendimiento y potencia. En la actualidad muchos automóviles utilizan módulos de admisión variable (Figura 4), que varían la sección o longitud de las tuberías del colector de admisión dependiendo de las condiciones de trabajo (rpm), a mayores rpm se necesita una sección ancha y una longitud pequeñas y para bajas rpm una sección angosta y una longitud corta.

Figura 4: Colector de admisión variable.

Se usan fundiciones metálicas y plásticas, ya que, por lo general son geometrías complejas.

5

 

ii.

Válvula de admisión y de escape.

Las válvulas de admisión y escape permiten la entrada y salida de gases, respectivamente, en el momento oportuno de la cámara de combustión cerrando herméticamente los conductos de acceso y de evacuación de la cámara de combustión. Debido a sus condiciones de trabajo están sometidas a impactos, fricción y altas temperaturas. Funciona en conjunto con el mecanismo de control de la combustión que incluye al árbol de levas, asientos de válvula y resortes de válvulas. El movimiento trasmitido al árbol de levas hace alternar la apertura y cierra de las válvulas de admisión y escape. Estas válvulas vuelven a su posición inicial mediante unos resortes. Tiene muchas variantes en cuanto a materiales dependiendo de la exigencia, calidades y si se trata de una válvula de escape o de admisión tenemos: Válvulas monometálicas, que son fabricadas como su nombre lo indica de un solo material la totalidad de la pieza por un proceso de extrucción en caliente y un proceso de recalcado para el caso de las válvulas de admisión se suelen utilizar aceros templados al cromo-níquel-silicio que poseen excelentes propiedades mecánicas pero son poco resistentes a la corrosión, para las válvulas de escape se utilizan aceros inoxidables inoxidabl es al cromo-níquel-ma cromo-níquel-magnesio. gnesio. Válvulas bimetálicas, que hacen posible una combinación ideal entre el vástago y cabeza de la válvula. Ambos materiales están unidos mediante soldadura, usualmente la cabeza está fabricada de aceros inoxidables austeníticos (mayor resistencia a la corrosión en altas temperaturas) y los vástagos con aceros inoxidables martensíticos (muy resistentes al desgaste). Por lo general se usa esta técnica en válvulas de escape con exigencias medias a altas y en válvulas de admisión de alta exigencia. Es muy importante que las válvulas ayuden a la hermetización de la cámara de combustión. Acero resistente a altas tempe temperaturas, raturas, aleación de aluminio aluminio

iii.

Colector de escape

Tiene la finalidad de reunir los gases que salen de ellos en un solo conducto al igual que el colector o módulo m ódulo de admisión el colector de escape debe cumplir con ciertas exigencias como la de la igualdad de funcionamiento entre los diversos cilindros, es decir, deberán cuidarse las dimensiones de los diversos conductos que componen el colector para que éste sea, por decirlo así, simétrico simétri co respecto a todos los cilindros, comprobando, por ejemplo, que se tiene la igualdad de sus longitudes. En los 6

 

colectores de escape se suelen colocar los silenciadores de ruido y en el diseño de los colectores se debe priorizar el rápido escape al ambiente de los gases de la combustión.

iv.

Culata de motor

Sirve de soporte de numerosos elementos del motor (figura 6) y tiene la finalidad de sellar la parte superior de los cilindros del motor evitando que haya pérdidas de compresión. Por lo general se utiliza hierro fundido o una aleación de aluminio para su fabricación, ya que estos materiales tienen un equilibrio entre altos niveles de resistencia y rigidez. En algunos casos se utilizan culatas de aluminio, aprovechando su baja densidad con respecto al hierro fundido, pero se revisten en acero para aumentar su resistencia a la fricción. Entre la culata y el monoblock se utiliza una junta amianto, que se encarga de sellar con firmeza y flexibilidad ambos componentes para soportar las altas temperaturas producidas por el motor y evitar fugas de compresión o líquido refrigerante.

Figura 5: sección de la culata y órganos ó rganos internos

7

 

v.

Pistones

Los pistones son fabricados de una aleación de aluminio-silicio-cobre-magnesio. aluminio -silicio-cobre-magnesio. Estos van dentro del bloque del motor, se mueven alrededor del cigüeñal para realizar el movimiento que permite realizar el ciclo de trabajo del motor.  

Figura 6

vi.

Anillos del pistón

Los anillos de pistón están diseñados para m mantener antener la pr presión esión del ccilindro ilindro y la combustión de un automóvil. Esto evita que cualquier aceite penetre en la cámara de combustión. Los anillos de pistón funcionan en combinación con las guías y sellos de la válvula para controlar cualquiera de los cambios térmicos del motor. Se tienen diferentes anillos que cumplen diferentes funciones.

Figura 7 8

 

Los anillos superiores y secundarios aseguran la no perdida de presión de los gases de combustión. Y los anillos de aceite funcionan con el pistón en el motor para lubricar las paredes de los cilindros, los pistones, los anillos y los pasadores de muñeca sin entrar en el proceso de combustión. Los anillos de aceite ayudan al control de la temperatura, ya que enfrían el pistón dirigiendo el aceite a través de él. Los anillos del pistón están fabricados de una fundición gris, de una aleación de grafito y fundición gris, fundición de aleación de hierro, acero para muelles y acero inoxidable.

vii.

Pin de biela o bulón

También conocido como un pasador, un perno de acero endurecido, que conecta el pistón de un motor a una biela. Este pasador está sometido a fuerzas de corte debido a la naturaleza del MCI, para la fabricación del bulón se utiliza acero al silicio-cromo y acero inoxidable.

Figura 8

viii.

Monoblock

El block del motor es la parte base en donde se montan los demás componentes del mismo y es la que contiene a los cilindros y el circuito de refrigeración. Actualmente se fabrican en una aleación de aluminio liviana cuyos principales aleantes son el silicio y el hierro o el silicio y el cobre. El uso de este material reemplazo al de la fundición de hierro utilizado anteriormente por su principal ventaja de tener una densidad mucho menor, lo que se traduce en un ahorro significativo de energía.

9

 

ix.

Biela

Une el pistón y el cigüeñal, transmitiendo el empuje necesario para accionar el pistón. Por lo general está fabricado de acero al carbono y acero sinterizado con grafito.

x.

Cigüeñal

Consiste en un eje con manivelas que se apoyan en una bancada que pertenecer al cárter y que queda cubierto por el bloque del motor. Las manivelas que posee el cigüeñal, giran de forma excéntrica con respecto al eje. En cada una de las manivelas se fijan los cojinetes de las bielas que le transmiten al cigüeñal la fuerza que desarrollan los pistones durante el tiempo de explosión explosión.. Está fabricado por lo general por acero al carbono, micro aleaciones de acero y aleaciones de acero al cromo-molibdeno.

xi.

Carter

Sirve para cerrar la parte inferior del motor y cumple la función de depósito para el aceite del motor, está fabricado actualmente por fundiciones o aleaciones de aluminio, ya que, se pueden ahorrar algunos kilogramos de peso en el motor.

xii.

Bujía o inyector de combustible

La bujía es el elemento que produce el encendido, mediante una chispa, de la mezcla aire combustible del motor de combustión interna en el ciclo Otto. Los inyectores inyectan distintas cantidades de combustible a distintas presiones según el requerimiento de a carga.

10

 

METODOLOGÍA PARA EL ENSASAYO I.

Procedimiento del ensayo:   Desarme del motor hasta descubrir los cilindros (retirar la culata).



  Usando un vernier realizamos dos medidas del diámetro de un cilindro.



  Utilizando un reloj comparador buscamos encontrar el punto muerto iinferior nferior



(PMS).   Ubicamos el punto muerto superior (PM (PMI) I) utilizan utilizando do nuevamente un reloj



comparador en un pistón que se encuentre en el punto muerto inferior (mientras un pistón se encuentra en el PMI otro se encontrara en el PMS).   Usando nuevamente un vernier realizamos la medida de la carrera del pistón.



  El volumen útil se calcula multiplicando la carrera del pistón por el diámetro del



cilindro.   El resto del volumen involucrado en la combustió combustión n se le denomina volumen



muerto (parte del volumen se encuentra entre el cilindro y el pistón, y otra en la culata), por lo general la geometría es compleja. Para hallar el volumen muerto se utiliza aceite y por diferencia de volúmenes se calcula dicho volumen.

Equipo 

II.

El equipo para el ensayo es el siguiente:   Llaves de tuercas de diferente diferentess tamaños.



  Vernier.



  Probeta con medición.



  Aceite para motor.



  Nivel de burbuja.



  Desarmador plano.



  Calibrado Calibradorr de distintos espesores.



11

 

Figura 9

Fórmulas:

III.

  Para el cálculo del volumen útil.



Dc(diámetro del cilindro)=promedio de las dos medidas tomadas por el vernier S(carrera total del cilindro) Vh(volumen útil de un cilindro)

 ×    ℎ = 4   ×     Para el cálculo de la cilindrada del motor.



VH(cilindrada VH(cilindra da del motor) i(número de cilindros)

 =  × ℎ    Para el cálculo del volumen total o volumen del cilindro en el PMS:



Vt(volumen en el PMS)

 =  + ℎ 

).

  Para el cálculo de la relación de compresión geométrica (



  =  +  ℎ = 1 +  ℎ    =   ℎ  12

 



  Para el cálculo de la relación de compresión real ( ).



+    = 1+ 1 + ℎ

13

 

DATOS OBTENIDOS EN EL ENSAYO La siguiente tabla presenta los datos obtenidos en el ensayo, estos datos pertenecen al motor Peugeot Peugeot K2D (se adju adjunta nta ficha técnica en los anexos).

Símbolo

Definición

Valor

Dc

Diámetro del cilindro

74.9 mm

S

Carrera del pistón

78.2 mm

Vh

Volumen útil

344.55 cc

Vm

Volumen muerto

42.03 cc

VH

Volumen de la cilindrada

1378.2 cc

ᵋg

Relación de compresión geométrica

9.3

αAVA 

Ángulo de apertura de la válvula de admisión

9° antes del PMS

βCVA  αAVE 

Ángulo de Cierre de la válvula de admisión Ángulo de apertura de la válvula de escape

60° después del PMI 63° antes del PMI

βCVE 

Ángulo de cierre de la válvula de escape

9° después del PMS

r/L

Relación radio de manivela y longitud de manivela

0.3

n

RPM nominales

5200 rpm

Tabla 1

PROCESO

CÁLCULO

ÁNGULO

ADMISIÓN

=  + 180° +   = 180° −   = 180° −    =  + 180° +  

249°

COMRESIÓN EXPANSIÓN ESCAPE

120° 117° 252°

14

 

CÁLCULOS Y RESULTADOS Cálculo de la posición, velocidad y aceleración del pistón en función del ángulo girado por el cigüeñal contando desde el punto muerto superior.

 =  −′   =  +  −− ××co coss  +  ××co coss    = ⁄   1−cos   =   1−cos 1−cos + 1⁄   × 1−cos sisinn  =  × sisinn   cos =  =  √ 1 −si − sinn  =  √ 1 −  × sin   Figura #: Esquema del mecanismo biela-manivela

Empleado la serie de Newton

cos = 1− 0.5 ×  × sin  − (1⁄ ) ×  × sisinn  − (1⁄ ) ×  × sin  − 5⁄128 ×  × sin  8 16 cos = 1− 0.5 ×  × sisinn    ≈  1−cos 1−cos +  × ⁄4   × 1−cos2× 1−cos2×  Posicion en funcion del angulo de giro del cigüeñal

 = { {11 − 4 + [−cos  ++/4 /4 cos2]}  Derivando hayamos la velocidad del pistón:

15

 

   =   =    =   sisinn  − 0.5.5 sisinn 2  Derivando una vez más conseguimos la aceleración del pistón:

   =  cos   −0 − 0 .5 .5   cos co s 2  × ×2 2        =   =       = cos  −− cos 2  El radio de la manivela es igual a:

 = ⁄2   = 39.1  

 =  = 60°  Posición del pistón del motor Nissan ED33

 = 39.1{ 39.1{0.925+ [− co coss  ++  0.075 0.075 cos2 cos2]}]}   Velocidad del pistón del motor Nissan ED33

5200  × sin −0.15sin2    −0.15sin2 ×  =  39.1 1000 60   = 3.3886 3.3886sin sin  − 0.135 0.135sin2 sin2    Cálculo de la velocidad media

 =  ×    15    0.0391×5200  = 15       = 13.555     Aceleración del del pistón del mo motor tor Peugeot K2D

.     co cos 2 ⁄   =   coss  − 0.3 cos  = 293.684 293.684co coss  − 0.3 0.3co coss 2 2 ⁄ 

16

 

Cálculo del ángulo:

∝=  = 60°  X=15.15125 mm Vx=66.7578 cc Cálculo de la relación de compresión real:

+   = 7.6094   = 1+ 1 + ℎ

17

 

REPRESENTACION REPRESENTAC ION GRAFICA DE LOS RESULTADOS



  Posición (X vs ):



 = 39.1 ;  = 0.3    = [1 − −   −  1 − ccoos 2]  4 Posición vs α

90 80    m70    m    I 60    M    P     l 50    a    o    t 40    c    e    p    s 30    e    r 20    X

10 0 0

30

60

90

120

150 α

180

210

240

270

300

330

360

respecto al PMI

  = 39.1 ; ω = 607.3746 rad/s (5800RPM, ficha fi cha técnica)   =  − 2 2 

  Velocidad (V vs ):



Velocidad vs α 30 25     )    s 20     /    m 15     (    I 10    M    P 5     l    a 0    o    t    0    4    8    2    6    0    4    8    2    6    0    4    8    2    6    0    4    8    2    6    0    4    8    2    6    0    c    1    2    4    5    7    8    9    1    2    4    5    6    8    9    1    2    3    5    6    8    9    0    2    3    5    e -5    1    1    1    1    1    1    1    2    2    2    2    2    2    2    3    3    3    3    p    s -10    e    R  . -15     l    e    V-20

-25 -30 α

respecto al PMI(°)

18

 



  Aceleración (a vs ):



 = 39.1 ; ω = 607.3746 rad/s (5800RPM, ficha fi cha técnica)   =  − 2  Aceleracion vs α 15000 10000 5000 0 -5000

   0    4    8    2    6    0    4    8    2    6    0    4    8    2    6    0    4    8    2    6    0    4    8    2    6    0    1    2    4    5    7    8    9    1    2    4    5    6    8    9    1    2    3    5    6    8    9    0    2    3    5    1    1    1    1    1    1    1    2    2    2    2    2    2    2    3    3    3    3

-10000 -15000 -20000 -25000

19

 

Diagrama circular de las distribuciones de los gases

20

 

OBSERVACIONES

  El uso de materiales con más precisión favorecería un cálculo más preciso de los volúmenes muertos del motor.



  No se tuvopara las mejores condiciones para llegar a una superficie perfectamente horizontal los ensayos con el aceite, para determinar el volumen muerto.



21

 

CONCLUSIONES a. Se puedo comprobar la teoría del funcionam funcionamiento iento de las piezas del motor. b. Se conoció la finalidad de las piezas principales de un motor diésel. c. Se llegó a una buena aproximación del cálculo de la cilindrada con respecto a al volumen especificado en la ficha técnica. d. Se real realizó izó ex exitosamente itosamente el diagra diagrama ma de gases. e. Se realizaron los cálculos cinemáticos del motor sin mayor dificultad y también se llevaron a una gráfica.

22

 

BIBLIOGRAFIA [1] The science and technology of materials in automotive engines, Hiroshi Yamagata. [2] Motores de automovil, M.S. Jovaj . 

http://tecvolucion.com/eficiencia-motor-termico-se-dispara-en-competicion/     http://tecvolucion.com/eficiencia-motor-termico-se-dispara-en-competicion/



eficiencias

  https://www.mann-hummel.com/es/mh-es/products/air-induction-systems/intake-



modules/   modules/ fabricante de colectores de admisión de plástico http://www.aficionadosalamecanica.com/admision-variable.htm     http://www.aficionadosalamecanica.com/admision-variable.htm



admisión variable.

  https://sites.google.com/a/guiasyvalvulas.com/guias-y-valvulas/informacion-



general/datosgeneralesdevalvulasyguias   general/datosgeneralesdevalvulasyguias válvulas https://www.ro-des.com/mecanica/la-culata-del-motor-para-que-sirve/     https://www.ro-des.com/mecanica/la-culata-del-motor-para-que-sirve/



culatas http://es.slideshare.net/RO-DES/colector-de-escape-que-es-y-para-que-sirve     http://es.slideshare.net/RO-DES/colector-de-escape-que-es-y-para-que-sirve



colectores de escape

23