UNIVERSIDAD POLITECNICA METROPOLITANA DE HIDALGO

DISEÑO DE MOTOR ALTERNATIVO

MOTOR 2015

JULIO EDUARDO ELIAS IBARRAFRANCISCO ZURISADDAI MENESES SALINAS

INTRODUCCION.

La aplicación y nuevos desarrollos de plantas motrices en la aviación han generado una gran variedad de modos de propulsión, entre los cuales cabe decir que los clásicos motores alternativos {de pistones} son de escasa o muy poco uso en estos tiempos, primordialmente por las condiciones a grandes alturas (baja temperatura). Por ello su uso se ha limitado casi exclusivamente a aeronaves ligeras y con un techo de servicio relativamente bajo, además de un tiempo corto de operación. El ciclo termodinámico que aplica en el mecanismo, es el Otto, el cual se diferencia al ciclo Diesel. Ya que requiere la aplicación de energía por medio de bujías para generar la carrera de potencia.

El diseño es un proceso de adaptación de parámetros, en este proyecto, nosotros determinamos arbitrariamente que el diseño sería de 6 cilindros con una cilindrada de entre 5 y 6 litros (550 ¿3 promedio) basándonos en diseños previos de la compañía Continental y Lycoming, generando una zona de diseño, para de esta manera proponer una velocidad angular (RPM) y una potencia (Hp), por medio de gráficas de dispersión.

ANTECEDENTES.

El motor alternativo está compuesto básicamente por un mono-block que contiene los cilindros en número par en diferentes disposiciones:

En línea, tipo “V”, de forma radial, opuestos horizontalmente, el cigüeñal es el principal elemento, que transforma el movimiento alternativo del pistón y de la biela en movimiento rotativo necesario para girar la hélice

Cada cilindro está compuesto de:

-Un pistón.

-Un par de válvulas

(Admisión: permite el ingreso de la mezcla al

Cilindro, y escape que permite el desalojo de los gases una

vez combustionados), sus asientos, retenes y resortes.

-Una bujía que producirá la chispa para la inflamación de la mezcla.

-Los aros o anillos:

-Anillo de compresión, utilizados como sello entre el pistón y las paredes del cilindro

-De control de aceite que se encargan de mantener la cantidad adecuada de lubricante entre el pistón y las paredes del cilindro.

-Anillo de aceite que se encargan de quitar el exceso de aceite.

Es un motor de combustión interna. Su uso específico es generar potencia mecánica para realizar un movimiento rotatorio de hélice y de neumáticos principalmente.

En el ciclo de cuatro tiempos existen cuatro movimientos del pistón, dos hacia arriba y dos hacia abajo.

Los cuatro tiempos:

Admisión: comienza cuando el pistón baja, la válvula de admisión se abre (en realidad ya está abierta para aprovechar la ventaja de la inercia de los gases escape que están saliendo) y se cierra después que empieza a subir.

Compresión: el pistón comenzó a subir y una vez que se cerró la válvula de admisión, la mezcla aire-nafta se comprime. Antes de que se al punto muerto superior la bujía enciende la mezcla que se quema progresivamente. El pistón alcanza el PMS y se logra la mayor compresión.

Expansión: es el momento donde la energía química se transforma en trabajo real. Los gases calentados y en expansión fuerzan el pistón hacia abajo realizando el trabajo. Momentos antes de llegar al PMI, ya comienza la apertura de la válvula de escape.

Escape: los gases de escape han comenzado a ser expulsados en el momento que el pistón estaba alcanzando el PMI y cuando sube va expulsando los gases hacia afuera del cilindro. Antes de llegar al PMS, ya comienza a abrirse la válvula de admisión mientras se comienza a cerrar la de escape (cruce de válvulas).

FAR 33.

Parte 33 Normas de Aeronavegabilidad: Motores de AviaciónSUBPARTE A General FAR 33.1 AplicaciónEsta parte establece las normas de aeronavegabilidad para la expedición de certificados de homologación y modificaciones de dichos certificados, para los motores de aeronaves.FAR 33.3 GeneralFAR 33.4 Instrucción para el mantenimiento de la aeronavegabilidadEl solicitante debe preparar instrucciones para la aeronavegabilidad continua de conformidad con el apéndice A de esta parte que sean aceptables para el administrador. Las instrucciones pueden ser incompletas en la certificación de tipo, si existe un programa para garantizar su conclusión antes de la entrega del primer avión con el motor instalado, o sobre la emisión de un certificado de aeronavegabilidad de la aeronave con el motor instalado, lo que ocurra más tarde.FAR 33.5 Manual de instrucciones para la instalación y el funcionamiento del motorCada solicitante tiene que preparar y poner a disposición del Administrador antes de la emisión del certificado de tipo, y al propietario en el momento de la entrega del motor, aprobó las instrucciones para la instalación y el funcionamiento del motor. Las instrucciones deberán incluir al menos los siguientes: a. Las instrucciones de instalación. 1. La ubicación de los elementos de fijación del motor, el método de fijación del motor de la aeronave, y la carga máxima permitida para los accesorios de montaje y estructura similares. 2. La ubicación y descripción de las conexiones del motor que debe atribuirse a los accesorios, tuberías, alambres, cables, conductos y capot. 3. Un dibujo esquema del motor, incluyendo las dimensiones totales. 4. La definición de las interfaces físicas y funcionales con las aeronaves y equipo aeronáutico, incluyendo la hélice cuando proceda. 5. Cuando un sistema de motor se basa en componentes que no son parte del diseño del tipo de motor, las condiciones de interfaz y requisitos de fiabilidad de los componentes sobre los que la certificación tipo de motor se basa debe ser especificado en las instrucciones de instalación de motores directamente o por referencia al caso documentación. 6. Una lista de los instrumentos necesarios para el control del motor, incluyendo los límites generales de la precisión y la respuesta transitoria requerida de tales instrumentos para el control de la operación del motor, también debe señalarse de manera que la idoneidad de los instrumentos instalados puede ser evaluado. b. Las instrucciones de operación. 1. Las limitaciones de funcionamiento establecidos por el Administrador. 2. El poder o calificaciones de empuje y los procedimientos de corrección para la atmósfera estándar. 3. Los procedimientos recomendados, las condiciones ambientales en las condiciones normales y extremas para:(i) A partir; (ii) el funcionamiento sobre el terreno, y (iii) de funcionamiento durante el vuelo. 4. Para los motores de helicóptero con una o varias habilitaciones OEI, los solicitantes deben proporcionar datos sobre las características y la variabilidad del rendimiento del motor para permitir al fabricante de aviones para poder establecer los procedimientos de aseguramiento de

las aeronaves. (5) Una descripción de la primaria y todos los modos alternativos, y cualquier sistema de respaldo, junto con las limitaciones asociadas, del sistema de control del motor y su interrelación con los sistemas del avión, incluyendo la hélice cuando corresponda.

(c) 33.7 Puntuaciones del motor y limitaciones operativasa. Del motor y las limitaciones de funcionamiento son establecidos por el Administrador y se incluyen en el motor de la hoja de datos certificado mencionado en FAR 21.41 de este capítulo, incluidas las puntuaciones y las limitaciones basadas en las condiciones de funcionamiento y la información especificada en esta sección, según corresponda, y cualquier otra información que considere necesario para el funcionamiento seguro del motor. b:Para los motores alternativos, las calificaciones y las limitaciones de funcionamiento son establecidos en relación con el texto siguiente: 1. Caballos de fuerza o torque, rpm, presión en el colector, y la hora en la altitud de presión crítica y el nivel del mar de altitud de presión para - (i) Potencia nominal continua máxima (en relación a la operación un supercargador o al funcionamiento de cada modo de sobrealimentación en su caso), y (ii) Potencia de despegue (en relación a la operación de un supercargado o al funcionamiento de cada modo de sobrealimentación en su caso). 2. Tipo de combustible o especificación. 3. El grado de aceite o pliego de condiciones. 4. Temperatura de (i) cilindros; (ii) aceite en la entrada de aceite, y (iii) la rueda turbocompresor de turbina de gas de entrada. 5. Presión de (i) de combustible en la entrada de combustible, y (ii) aceite de petróleo en la galería principal. 6. Par motor de accesorios y el momento saliente. 7. Rueda de turbina de turbocompresor rpm c. Ciclos de fatiga1. El número de inicio-paro aprobados para cada disco del rotor y el espaciador. 2. La distorsión de aire de admisión en la entrada del motor. 3. Del eje del rotor transitoria rpm exceso de velocidad, y el número de ocurrencias exceso de velocidad. 4. Exceso de temperatura de gas de transitorios, y el número de incidentes de sobrecalentamiento. 5. Los motores que se utilizan en los aviones supersónicos, rotor de motor de aspas de molino de rotación rpm d. Para determinar el rendimiento del motor y limitaciones de operación, los límites generales de precisión del sistema de control del motor y de la instrumentación necesaria tal como se define en: FAR 33.5 (a) debe tenerse en cuenta. FAR 33.8 Selección de la potencia del motor y puntuaciones de empujeLa potencia del motor de empuje requerido y clasificaciones deben ser elegidos por el solicitante. (b) Cada número de seleccionados deben ser de la menor potencia o empuje que todos los motores del mismo tipo se puede esperar que producen en las condiciones para determinar que la

calificación.

SUBPARTE B Diseño y construcción:GeneralFAR 33.11 AplicaciónEsta Subparte prescribe el diseño general y los requisitos para la construcción de pistón y motores de aeronaves de la turbinaFAR 33.15 MaterialesLa idoneidad y la durabilidad de los materiales utilizados en el motor:* (a) Se establecerá sobre la base de la experiencia o pruebas, y * Conforme a las especificaciones aprobadas (como la industria o de las especificaciones militares) que garantizan su haber la fuerza y otras propiedades asumidas en los datos de diseño. FAR 33.17 Prevención de incendiosa. El diseño y la construcción del motor y materiales, se debe reducir al mínimo la probabilidad de la ocurrencia y propagación del fuego. Además, el diseño y construcción de motores de turbina debe minimizar la probabilidad de la ocurrencia de un fuego interior que pudiera resultar en una falla estructural, el sobrecalentamiento o de otras condiciones peligrosas. (b)DurabilidadEl diseño del motor y la construcción debe minimizar el desarrollo de una situación de inseguridad del motor entre los períodos de revisión. El diseño del compresor y los casos de rotor de la turbina debe prever la contención de los daños de la falta de palas de rotor. Los niveles de energía y las trayectorias de los fragmentos resultantes del incumplimiento de la pala del rotor que están fuera del compresor y los casos de rotor de la turbina debe ser definido. (b) Cada componente de la hélice sistema de control de la hoja que es una parte del diseño de tipo motor, deberá cumplir los requisitos de FAR 35.21, 35.23, 35.42 y 35.43 de este capítulo. FAR 33.21 Refrigeración del motorEl diseño del motor y la construcción debe proporcionar la refrigeración necesaria en las condiciones en las que el avión esté prevista su explotación.FAR 33.23 Accesorios de montaje y estructura del motora. El límite máximo permitido y la carga máxima para el motor de accesorios de montaje y la estructura relacionados con el motor debe ser especificado. b. El motor de accesorios de montaje y la estructura relacionados con el motor debe ser capaz de resistir - 1. La carga límite especificado sin deformación permanente, y 2. Las cargas especificadas en última instancia sin fallo, pero puede presentar una deformación permanente. FAR 33.25 AccesoriosEl motor debe funcionar correctamente con la unidad de accesorios y elementos de fijación cargado. Cada unidad de accesorios del motor y el apego de montaje debe incluir disposiciones para el sellado para evitar la contaminación o pérdida inaceptable desde el interior del motor. Una unidad de montaje y fijación requieren lubricación para splines unidad externa o de acoplamiento de aceite del motor, debe incluir disposiciones para el sellado para evitar la pérdida inaceptable de petróleo y para evitar la contaminación de fuentes fuera de la cámara que encierra el sentido de unidad. El diseño del motor debe permitir el examen, el ajuste o eliminación de cada accesorio necesario para el funcionamiento del motor.FAR 33.28 Sistemas de control eléctrico y electrónico del motor(a) Aplicabilidad. Estos requisitos son aplicables a cualquier sistema o dispositivo que forma parte

del diseño del tipo de motor, que controla, limita o controla el funcionamiento del motor, y es necesario para el mantenimiento de la aeronavegabilidad del motor. (b) la validación - (1) Aspectos funcionales. El solicitante debe demostrar mediante pruebas, análisis, o una combinación de ambos, que el sistema de control del motor realiza las funciones previstas FAR 33.29 Conexión de InstrumentoA menos que se construye para evitar que su conexión a un instrumento incorrecta, cada conexión previstas instrumentos motor requeridos por las regulaciones de aeronavegabilidad de aeronaves o las necesarias para asegurar la operación del motor en el cumplimiento de cualquier limitación de motor deberá llevar una identificación con su correspondiente instrumento. Subparte C Diseño y construcción: Motores de aviación alternativos FAR 33.31 AplicaciónEsta Subparte prescribe adicionales de diseño ya la construcción de motores alternativos de aeronaves.FAR 33.33 VibraciónEl motor debe estar diseñado y construido para funcionar en todo su rango de funcionamiento normal de velocidades de rotación del cigüeñal y motores de potencia sin inducir esfuerzos excesivos en ninguna de las piezas del motor debido a las vibraciones y sin impartiendo fuerzas excesivas vibraciones a la estructura del aviónFAR 33.34 Rotores del turbocompresorCada caso turbocompresor debe estar diseñado y fabricado para ser capaces de contener fragmentos de un compresor o turbina que produce un error en la velocidad más alta que se puede obtener con dispositivos de control de la velocidad normal no funciona.FAR 33.35 Sistema de combustible e inducción(a) El sistema de combustible del motor debe estar diseñado y fabricado para proporcionar una mezcla adecuada de combustible a los cilindros en todo el rango de operación completa del motor en todos los vuelos y las condiciones atmosféricas. (b) Los pasajes de admisión del motor a través de la cual el aire o de combustible en combinación con el aire pasa con fines de combustión deben ser diseñados y construidos para reducir al mínimo el peligro de la acumulación de hielo en los pasajes. El motor debe estar diseñado y construido para permitir el uso de un medio de prevención de hielo. (c) El tipo y el grado de filtración de combustible necesario para la protección del sistema de combustible del motor contra las partículas extrañas en el combustible debe ser especificado. El solicitante debe demostrar que las partículas de extranjero que pase por los medios establecidos de filtrado no afectar gravemente el funcionamiento del motor de combustible del sistema. (d) Cada paso en el sistema de inducción que lleva a cabo una mezcla de combustible y el aire debe ser auto-drenaje, para evitar un bloqueo de líquido en los cilindros, en todas las actitudes que el solicitante establece como motor de los que la puede tener cuando el avión en el que está instalado en la actitud estáticas en tierra. (e) Si se da como parte del motor, el solicitante debe demostrar para cada inyección de líquidos (salvo el combustible) y su sistema de controles que el flujo del líquido inyectado se controla adecuadamente. FAR 33.37 Sistema de EncendidoCada motor de encendido por chispa debe tener un sistema de arranque dual con un mínimo de dos bujías para cada cilindro y dos circuitos independientes de electricidad con fuentes independientes de energía eléctrica, o tener un sistema de encendido de su equivalente en la fiabilidad del vuelo.FAR 33.39 Sistema de Lubricación

(a) El sistema de lubricación del motor debe estar diseñado y fabricado para que funcione correctamente en todas las actitudes de vuelo y las condiciones atmosféricas en las que el avión está prevista su explotación. En los motores de cárter húmedo, este requisito se cumple cuando sólo la mitad de la oferta máxima es de lubricante en el motor. (b) El sistema de lubricación del motor debe estar diseñado y construido para permitir la instalación de un medio de refrigeración del lubricante. (c) El cárter del motor debe ser a la atmósfera para evitar las fugas de petróleo de la excesiva presión en el cárter. Subparte D Bloque de Pruebas: Motores de aviación alternativosFAR 33.42 GeneralAntes de cada prueba de resistencia que exige la presente subparte, el ajuste de configuración y funcionamiento propios de cada componente que tiene un entorno de ajuste y una característica de funcionamiento que se pueden establecer independientes de la instalación en el motor debe ser establecido y registrado.FAR 33.43 Prueba de vibracióna) Cada motor deberá someterse a un estudio de vibraciones para establecer la torsión y flexión características de vibración del cigüeñal y el eje de la hélice o el eje de salida de otros, en el rango de velocidad del cigüeñal y la potencia del motor, en situación estacionaria y en condiciones transitorias, de ralentí ya sea el 110 por ciento de la clasificación que desee velocidad máxima continua o 103 por ciento del máximo número de despegue deseado de velocidad, que sea mayor. La encuesta debe llevarse a cabo utilizando, para los motores de avión, la misma configuración del tipo de hélice que se utiliza para la prueba de resistencia, y utilizando, para otros motores, la misma configuración del tipo de dispositivo de carga que se utiliza para la prueba de resistencia. (bLa torsión y vibración de flexión del estrés del cigüeñal y el eje de la hélice o el eje de salida, no podrá superar el estrés límite de resistencia del material del que está hecho el eje. Si la tensión máxima en el eje no se puede demostrar que estar por debajo del límite de resistencia por la medición, la frecuencia y la amplitud de las vibraciones se deben medir. La amplitud del pico debe ser demostrado que produce una tensión por debajo del límite de resistencia, si no, el motor debe funcionar a la condición de productores de la amplitud del pico hasta que, por varillas de acero,10 millones de inversiones de estrés se han mantenido sin falla por fatiga y, por otro ejes, hasta que se demuestre que la fatiga no se produzcan dentro de la presión límite de resistencia del material. (c) Cada unidad de accesorio y el apego de montaje debe ser cargado, con las cargas impuestas por cada accesorio utilizado únicamente para un servicio de las aeronaves que se la carga límite especificado por el solicitante de la unidad o punto de unión. (d)FAR 33.45 Prueba de calibraciónCada motor deberá ser sometido a la calibración de las pruebas necesarias para establecer sus características de potencia y las condiciones de la prueba de resistencia especificados en el FAR 33.49. Los resultados de las características del poder de las pruebas de calibración de formar la base para establecer las características del motor a lo largo de su rango de operación de velocidades de rotación del cigüeñal, las presiones múltiples, de combustible y ajustes de mezcla de aire y altitudes. Puntuaciones de energía se basan en condiciones atmosféricas normales sólo con los accesorios instalados que son esenciales para el funcionamiento del motor. (b) un control de energía en las condiciones de nivel del mar debe realizarse en el motor de la prueba de resistencia después de la prueba de resistencia. Cualquier cambio en las características de poder que se produce durante el ensayo de resistencia debe ser determinado. Las mediciones realizadas durante la parte final de la prueba de resistencia pueden ser utilizadas en demostrar el cumplimiento con los requisitos de este párrafo.

FAR 33.47 Prueba de DetonaciónCada motor deberá someterse a prueba para establecer que el motor puede funcionar sin detonar en toda su gama de condiciones previstas de funcionamiento.

FAR 33.49 Prueba de ResistenciaGeneral. Cada motor deberá ser sometido a una prueba de resistencia que incluye un total de 150 horas de funcionamiento (salvo lo dispuesto en el apartado (e) (1) (iii) de esta sección) y, dependiendo del tipo y la prevista uso del motor, se compone de una de las series de carreras especificadas en los párrafos (b) a (e) de esta sección, según corresponda. Las pistas deben hacerse en el orden que proceda por el Administrador para el motor particular, se está probando. Durante la prueba de resistencia de la potencia del motor y la velocidad de rotación del cigüeñal debe mantenerse dentro de ± 3 por ciento de los valores nominales. Durante los recorridos a la potencia nominal de despegue y durante al menos 35 horas a potencia nominal continua máxima, uno de los cilindros debe ser operado a no menos que la temperatura límite, los otros cilindros deben ser operados a una temperatura no inferior a 50 grados F por debajo de la limitación de la temperatura y la temperatura de entrada de aceite debe mantenerse dentro de ± 10 grados F. de la temperatura límite. Un motor que está equipado con un eje de la hélice deberá estar equipado para la prueba de resistencia con una hélice que las cargas de empuje del motor al máximo empuje que el motor está diseñado para resistir condiciones de funcionamiento en cada caso se especifica en esta sección. Cada unidad de accesorios y el apego de montaje deben ser cargados. Durante la operación a potencia nominal de despegue y potencia máxima continua, la carga impuesta por cada accesorio utilizado únicamente por un servicio de aviones de carga debe ser el límite especificado por el solicitante

FAR 33.55 Desmontaje de inspecciónDespués de completar la prueba de resistencia - (a)Cada motor deberá ser desmontado completamente; (b) Cada componente tiene un valor de ajuste y una característica de funcionamiento que se pueden establecer independientes de la instalación en el motor debe conservar cada configuración y el funcionamiento característico dentro de los límites que se establecieron y registradas al comienzo de la prueba, y (c)Cada componente del motor deben ajustarse al diseño del modelo y ser elegibles para su incorporación en un motor para la operación continua, de acuerdo con la información presentada de conformidad con el FAR 33.4.

ESTUDIO COMPARATIVO.

Estudio de marcas Lycoming y Continental.

Se realizó una investigación comercial de los motores Lycoming y continental para establecer parámetros de operación del motor que se está diseñando, tales aspectos de importancia en los que se basa el diseño del motor son la relación de compresión, la potencia y las RPM.

LYCOMING

ENGINE RELACION COMPRESIÓN RPM HPAEIO-540-D4A5 8.5 2700 260

AEIO-540-D4B5 8.5 2700 260

AEIO-540-D4C5 8.5 2700 260

AEIO-540-L1B5 8.7 2700 300

AEIO-580-B1A 8.9 2700 315

TIO-540-AE2A 7.3 2500 350

L/TIO-540-U 7.3 2500 350

L/TIO-540-W 7.3 2600 350

L/TIO-540-J 7.3 2575 350

L/TIO-540-F 7.3 2575 325

TIO-540-A 7.3 2575 310

TIO-540-S 7.3 2700 300

TIO-540-AF1B 8 2575 270

TIO-540-C 7.2 2575 250

IO-540-AA 7.3 2700 270

IO-540-S 8.7 2700 300

TIO-540-AB1AD 8 2575 250

IO-540-K 8.7 2700 300

TIO-540-AA1AD 8 2575 270

IO-540-A 8.7 2575 290

IO-540-T4B5 8.5 2700 260

O-540-G 8.5 2700 260

IO-540-V 8.5 2700 260

IO-540-D 8.5 2700 260

O-540-A 8.5 2575 250

IO-540-C 8.5 2575 250

IO-540-W1A5 8.5 2400 235

O-540-E 8.5 2700 260

O-540-E 7.2 2575 235

O-540-J 8.5 2400 235

O-540-L 8.5 2400 235

TABLA 1

CONTINENTAL

ENGINE RELACION COMPRESIÓN RPM HPIO-520-B, BA, BB 8.5 2700 285IO-520-C, CB 8.5 2700 285IO-520-D & E 8.5 2700 285IO-520-F 8.5 2700 285IO-520-L 8.5 2700 285IO-520-M, MB 8.5 2700 285TSIO-520-B, BB 7.5 2700 285TSIO-520-C & H 7.5 2700 285TSIO-520-E, EB 7.5 2700 300TSIO-520-J, JB,N, NB 7.5 2700 310TSIO-520-(M) P & R 7.5 2700 285TSIO-520-T 7.5 2700 310TSIO-520-U & UB 7.5 2700 300TSIO-520-VB 7.5 2700 325TSIO-520-WB 7.5 2700 325GTSIO-520-D & H* 7.5 3400 375GTSIO-520-L* 7.5 3350 375GTSIO-520-M* 7.5 3350 375IO-550-A 8.5 2700 300IO-550-B 8.5 2700 300IO-550-C 8.5 2700 300IO-550-D, E, F, L 8.5 2700 300IO-550-G 8.5 2500 280IO/IOF-550-N, P, R 8.5 2700 310TSIO-550-B&E 7.5 2700 350TSIO-550-C 7.5 2600 310TSIOL-550-A 7.5 2700 350TSIOL-550-B 7.5 2500 300TSIOL-550-C 7.5 2600 350TSIO-550-G 7.5 2700 310TSIOF-550-D,J 7.5 2600 350TSIOF-550-K 7.5 2500 315TSIO-550-K,N 7.5 2500 315

TABLA 2

GRAFICAS COMPARATIVAS

En las siguientes graficas se muestran los rangos de operación de los motores de 6 cilindros de las marcas lycoming y continental (TABLA 1 Y TABLA 2), los cuales son de similares características en cuanto a los aspectos en que se basa el diseño de este motor.

GRAFICA 1) ESTA GRAFICA REPRESENTA POTENCIA VS RELACION DE COMPRESIÓN DE MOTORES LYCOMING Y CONTINENTAL, VALORES QUE SE OBTUBIERON DE LA TABLA 1 Y LA TABLA 2.

GRAFICA 2) ESTA GRAFICA REPRESENTA RPM VS RELACION DE COMPRESIÓN DE MOTORES LYCOMING Y CONTINENTAL, VALORES QUE SE OBTUBIERON DE LA TABLA 1 Y LA TABLA 2.

CICLO IDEAL.

Se realizó el cálculo del ciclo del motor propuesto para la obtención de las condiciones de operación mediante las cuales trabajará. Las condiciones de operación obtenidas de dicho cálculo como son la potencia y temperatura tres serán necesarias para seleccionar el tipo de material con el que se realizará.

K Pa m^3/Kg K Pa m^3/Kg KΕ T1 P1 V1=V4 T2 P2 V2=V3 T3

8.5 288.15 101325 0.81589178 678.244365 2027230.39 0.09598727 20008.5 288.15 101325 0.81589178 678.244365 2027230.39 0.09598727 21008.5 288.15 101325 0.81589178 678.244365 2027230.39 0.09598727 22008.5 288.15 101325 0.81589178 678.244365 2027230.39 0.09598727 23008.5 288.15 101325 0.81589178 678.244365 2027230.39 0.09598727 24008.5 288.15 101325 0.81589178 678.244365 2027230.39 0.09598727 25008.5 288.15 101325 0.81589178 678.244365 2027230.39 0.09598727 26008.5 288.15 101325 0.81589178 678.244365 2027230.39 0.09598727 2604.0458.5 288.15 101325 0.81589178 678.244365 2027230.39 0.09598727 27008.5 288.15 101325 0.81589178 678.244365 2027230.39 0.09598727 28008.5 288.15 101325 0.81589178 678.244365 2027230.39 0.09598727 29008.5 288.15 101325 0.81589178 678.244365 2027230.39 0.09598727 3000Pa K Pa KJ/Kg KJ/Kg KJ/Kg Kg Watts HPP3 T4 P4 We Wc Wutil m POT POT

5977876.11 849.693753 298786.117 824769.579 279697.66 545071.919 0.00208659 153541.32 205.9022666276769.91 892.178441 313725.423 866008.058 279697.66 586310.398 0.00208659 165157.788 221.4802036575663.72 934.663128 328664.728 907246.537 279697.66 627548.877 0.00208659 176774.256 237.0581416874557.52 977.147816 343604.034 948485.016 279697.66 668787.356 0.00208659 188390.723 252.6360787173451.33 1019.6325 358543.34 989723.495 279697.66 710025.835 0.00208659 200007.191 268.2140167472345.13 1062.11719 373482.646 1030961.97 279697.66 751264.314 0.00208659 211623.659 283.7919537771238.94 1104.60188 388421.952 1072200.45 279697.66 792502.793 0.00208659 223240.127 299.369897783329.19 1106.32038 389026.247 1073868.55 279697.66 794170.89 0.00208659 223710.013 300.0000188070132.74 1147.08657 403361.258 1113438.93 279697.66 833741.272 0.00208659 234856.595 314.9478288369026.55 1189.57125 418300.563 1154677.41 279697.66 874979.751 0.00208659 246473.063 330.5257658667920.35 1232.05594 433239.869 1195915.89 279697.66 916218.23 0.00208659 258089.531 346.1037038966814.16 1274.54063 448179.175 1237154.37 279697.66 957456.709 0.00208659 269705.999 361.68164

FICHA TECNICA.

ε 8.5α 2700 RPM

POTENCIA 300 HPT. máx. 2604 k

Condiciones ambientalesP = 101.325 kPa

T = 288.15 kPar MotorCilindrada 550 in.# Cilindros 6

Tipo opuesto

CÁLCULO DE LOS TANQUES DE COMBUSTIBLE.

El combustible que utiliza este tipo de motor es el avgas (gas avión), este combustible tiene propiedades viables como lo es un alto octanaje y distintos grados para distintos usos, el diseño de los tanques se basan en función de un rango de operación del aeronave, al definir el tipo de combustible es necesario determinar la relación de masa de combustible entre masa de aire (f), al determinar primeramente la masa de aire y subsecuentemente f , se prosigue a la determinación de la masa de combustible total y determinar el volumen del tanque

Cvg = .82 (kj/kg)

Cv=.717 (kj/kg)

Pci= 43400 (kj/kgk)

N comb= .98

PRIMER DIMENSIONAMIENTO.

Dónde:

L = Longitud de biela

R = Radio de la manivela

C = Carrera

β = Ángulo formado entre la línea del eje del cilindro y el largo de la biela cuando gira

α = Ángulo formado por la línea longitudinal del cilindro, cuando el pistón esta en el PMS y al radio de la manivela al ir girando (0°-720°)

PMS = Es el punto donde el émbolo se encuentra más próximo a la cámara de combustión

PMI = Es el punto donde el émbolo se encuentra más lejano a la cámara de combustión

Sistema de biela-Manivela

Parámetros de diseño (Primer Dimensionamiento)

Se seleccionan los parámetros de diseño en función que el tipo de cilindro es rápido, para poder determinar la carrera, y con ello el radio, al igual se propone el valor λ, para finalmente dimensionar el diámetro del émbolo.

c=0.6∅ Émbolo

λ=0.25= LR

Dónde:

Cilu=Ciln

=π c (∅Émbolo )2

4

Ciln

=0.6 π4

(∅Émbolo )3

∅ Émbolo=3√ 4Cil0.6 πn

Se obtienen los siguientes resultados:

∅ Émbolo=14.71cm

c=8.83cm

R=c2=4.415cm

L=17.66 cm

Movimiento del pistón.

El movimiento alterno del pistón se transforma en movimiento circular continuo del eje al sistema Biela-Manivela. El pie de biela, por su unión con el pistón, está sometido a un movimiento rectilíneo alterno, y la cabeza de biela es obligada a describir un movimiento circular con el perno de la manivela. Para poder determinar la velocidad y la aceleración del pistón es necesario determinar, primero, la relación que hay entre los deslizamientos lineales x del pistón y los desplazamientos angulares.

r sen∝=Lsen β , sen β= r sen αL

;

De esta manera se puede determinar betha, y posteriormente determinar la posición del émbolo en función de x:

x=r (1−cosα )+L¿

Definido por este movimiento de vaivén destacando que en la carrera de potencia el piston regresa del PMS al PMI.

0 100 200 300 400 500 600 700 8000123456789

10

α Vs x

a vs x

Velocidad del pistón.

La velocidad del pistón no es uniforme. En un determinado instante, recorriendo el pistón una parte infinitesimal de carrera dx en un tiempo dt, de esta manera se determina que la derivada de la posición con respecto al tiempo es igual a la velocidad, derivando se obtiene la siguiente ecuación:

V=dxdt

=

dxdα

∗dα

dt=r (senα+

1λ∗λ2∗2 senα cosα

2√1−λ2 sen2a )ωSe obtiene la siguiente ecuación y comportamiento:

V=ωr (senα+ λ2sen2α)

0 100 200 300 400 500 600 700 800

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

a Vs ca Vs c'a Vs c''

Aceleración del Pistón

Las masas alternas en el movimiento están sometidas a aceleración a, cuyo valor es la doble derivada de la posición con respecto al tiempo:

α=dvdt

= λ2 xd λ2

, α=ω2r (cos α+λcos 2α )

La aceleración tiene su valor máximo positivo correspondiendo al PMS.

0 100 200 300 400 500 600 700 800

-400000

-300000

-200000

-100000

0

100000

200000

300000

400000

500000

a Vs aa Vs a'a Vs a''

Masas dotadas de movimiento alterno y masas circulares

Las partes dotadas de movimiento alterno están sometidas a fuerzas de inercia, la cual se puede calcular por la ley de newton, la cual determina que la fuerza es proporcional al producto de la masa por la aceleración.

Fα=−mα∗a

Donde

mα es la masa

a es la aceleración

Mientras que las partes unidas a la manivela y que giran con ella están sometidas a la fuerza centrífuga:

F c=mc∗ω2∗r

Donde

ω es la velocidad angular

Sin embargo, se debe determinar que partes están sometidas a un movimiento alternativo, ya que en el pistón y las partes directamente unidas no se encuentra duda, pero no incurre lo mismo con respecto a la biela, ya que se une por una extremidad, con el pistón, y por la otra con el perno de la manivela. Y se determinan las masas alternas de las siguientes partes:

1) Pistón completa con sus aros2) Perno del pistón y partes anexas3) Pie de biela y dos tercios de la caña4) Vástago y cruceta (depende)

Se consideran concentradas sobre el eje del perno de la manivela y dotadas de movimiento circular, las masas de las siguientes partes:

1) Perno de la manivela2) Cabeza de biela completa y un tercio de la caña

Hay que considerar también como partes generadoras de fuerza centrífuga los brazos de manivela y sus contrapesos. En el estudio del equilibrado intervienen las fuerzas centrífugas, Por efectos de cálculo cada fuerza, centrífuga o alterna, debe ser evidentemente aplicada a la masa que la genera.

Parámetros de diseño (masa alterna y rotativa)

0.024 AØ≤ma≤0.046 AØ

0.018 AØ≤mr≤0.035 AØ

ma mr5.9539552

24.5079946

7

Fuerzas Alternas de Inercia

La fuerza de inercia como se mencionó se puede calcular de una manera muy simple, y esta al estar en función de la aceleración, que describe un comportamiento senoidal, y que se genera una doble armónica para la generación de la curva. La cual se denota como de primer y segundo orden. Las fuerzas alternad de inercia son las causas más importantes de vibraciones.

0 100 200 300 400 500 600 700 800

-3000000

-2000000

-1000000

0

1000000

2000000

3000000

a Vs Faa Vs Fa'a Vs Fa''

Fuerza de los gases

Es la fuerza aplicada por producto de la combustión. La PMáx = P3 del cilo ideal, esta presente únicamente en la carrera de potencia (360°-540°). Primero, se determina la función del volumen con respecto al ángulo de la manivela, la cual se define como:

V α=A∅ ( x )+V 1−V 2

ε−1

Para de esta manera determinar la presión en función de α:

Pα=P3( V 3

V α)K

Y finalmente determinar la fuerza de los gases:

Fg=Pα( π∅24 );360 ° ≤α ≤540 °

0 100 200 300 400 500 600 700 8000

100000

200000

300000

400000

500000

a Vs Fg

a Vs Fg

Diagrama de las fuerzas resultantes

Dirigida según el eje del cilindro, actúa en cada instante sobre la manivela, se obtiene efectuando la composición de los valores en cada momento adquieren la fuerza debida a la presión del fluido activo sobre el pistón y la fuerza alterna de inercia. Según que estos componentes estén dirigidos en el mismo sentido u opuesto, la fuerza resultante será la suma o la diferencia de las mismos. Gráficamente se puede obtener el diagrama de las fuerzas debidas a la presión del gas de acuerdo con el de las fuerzas alternas de inercia. Analizando las diversas fases del ciclo, se puede observar que en la primera carrera (admisión/aspiración), actúa únicamente la fuerza de inercia de las masas alternas, por cuanto la fuerza debida a la ligera depresión que se produce en el cilindro es de carácter despreciable. En la segunda carrera, al moverse el pistón de abajo arriba, el diagrama de las fuerzas de inercia se invierte, y la presión causada por la compresión se opone a la presión de combustión. En la carrera de escape, el cilindro está en comunicación con el exterior, los gases ofrecen una resistencia mínima al movimiento del pistón y, por ello, actúa sobre la manivela solamente la fuerza de inercia.

0 100 200 300 400 500 600 700 8000

500000

1000000

1500000

2000000

2500000

3000000

3500000

4000000

4500000

a Vs Fq

a Vs Fq

Diagrama del Par Motor

El cálculo del par motor se llega descomponiendo la fuerza Fb en una componente radia y tangencial, la primera de las cuales no contribuye, evidentemente, al par motor mientras la segunda actúa con un brazo r= constante: Por ello el par motor vale:

M T=F t∗r

En la ficha técnica cabe recalcar que el valor que se introduce del par motor, es cuando el ángulo α se encuentra a 90°, es en ese valor angular y en 270° cuando el par motor es el máximo.

De esta manera resulta:

M T=Fb rsen (α+β )

0 100 200 300 400 500 600 700 800

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

Par motorPar motor

El gas que actúa en el cilindro y los órganos internos en movimiento ejercen fuerzas sobre la estructura del motor, la presión del gas en el interior del cilindro origina una fuerza resultante Fg que se transmite directamente a la estructura, en igual dirección e intensidad que la ejercida sobre el pistón, pero en sentido opuesto.

El pistón ejerce sobre el cilindro una fuerza dirigida perpendicularmente al eje del mismo cilindro, cuya intensidad es Fn y sobre la biela, una fuerza dirigida según el eje de la manivela, de una intensidad equivalente a Fb, la fuerza Fb se trasmite al botón de la manivela y de la manivela a los cojinetes de bancada y a una fuerza dirigida perpendicularmente al eje del cilindro y hacia la derecha, de una intensidad Fn.

De análoga manera, la fuerza centrifuga F c , aplicada sobre el botón de la manivela, actúa sobre los cojinetes de bancada y ejerce sobre la basada una fuerza, dirigida según el eje del cilindro hacia arriba y una fuerza dirigida perpendicularmente al eje del cilindro y hacia la derecha (F ccos α y Fc senα ,respectivamente)

En el caso de los motores con varios cilindros se procura que los ciclos de los diversos cilindros se sucedan con iguales intervalos angulares. Esto se obtiene desfasado entre si las manivelas del eje cigüeñal, de manera que las correspondientes a dos ciclos sucesivos se encuentren desfasadas en

un ángulo que esta dado en grados por la siguiente relación θ=720

cilindros .

Como se muestra en la tabla anterior, se propone un orden de encendido, donde por conveniencia, se trata de evitar poner contrapesos

para el equilibrio del motor, ya que este orden por naturaleza se encuentra equilibrado.

El diagrama siguiente ilustra la posición de la manivela de los cilindros en el motor opuesto a 120°, donde los cilindros impares se colocan en un solo lado y viceversa con los pares.

Se realiza el análisis de las fuerzas, donde se llega a la conclusión de que este orden de encendido es idóneo por estar equilibrado.

izquierda fa' fa''

α1=0 1k -1λkα3=300 0.5k 0.5λkα5=480 0.5k 0.5λksuma 0 0

derecha fa' fa''α2=360 -1k -λkα4=540 0.5k 0.5λkα6=120 0.5k 0.5λksuma 0 0

∑Fc 0∑MFc 0∑Mfa' 0∑Mfa'' 0

Vista de planta de la configuración del motor de 6 cilindros opuesto.

Dimensionamiento de cada parte

Embolo

El embolo debe tener un alto coeficiente de conductibilidad térmica debe de ser ligero, debe tener un alto coeficiente de abrasión (no corrosivo) se añade zinc (para evitar corrosión) bajo coeficiente de expansión lineal se manufactura a través de molde y forja de aleación de aluminio, el cuerpo es de acero y la cabeza de aluminio en la industria automotriz el acero es fundido.

Su función es transmitir la fuerza hacia la biela y hacia el cigüeñal.

Ecuaciones para dimensionar:

𝑑=0.25∗∅𝑒1=0.43∗∅∗√𝑃3/𝑠

𝑠= 𝜎/𝐹.𝑆𝑒2=𝑏𝑎+0.03∗∅+0.0018

Donde baancho del anillo

Diámetro externo del perno y el diámetro interno del mamelón:

𝑒3=0.33∗𝑒2𝑒4=0.25∗𝑒2

𝐿1= Δ∗∅Donde

0.7≤ Δ ≤0.8 motores rápidos1.1≤ Δ ≤1.4 motores lentos

Anillos

Existen para la compresión y para el aceite.

Se colocan a 120° a 180°, se dividen en uña, achaflanado, escalonado, rascador, plano y con ranura central.

Tipos de uniones

Unión al tope, unión diagonal o de traslape.

Ecuaciones para dimensionar

𝑏𝑎=∅∗√3𝑃𝑝𝑠𝑃𝑝=𝐹𝑛∅2∗𝐿1∅∗𝜋

ℎ≤0.7∗𝑏𝑎−−−−−−→𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛.

ℎ=0.7∗𝑏𝑎−−−−−−−→𝐴𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒

Mamelones

bah