FECHA
NUMERO RAEPROGRAMA Programa de ingenieria Aeronutica de la Universidad de San Buenaventura Bogot
AUTOR GARCIA ROJAS, Carlos EduardoTITULO Diseo de un banco de pruebas para el motor de pistn ciclo otto de cuatro tiempos amc 200.
PALABRAS CLAVES Motor, Banco de pruebas, Estructura, Esfuerzos.
DESCRIPCION
Este proyecto presenta un diseo de un banco de prueba para el motor AMC 200 de cuatro tiempos ciclo Otto, el cual posee una metodologa bsica para el diseo de motores de cuatro tiempos, una seleccion de los sensores de adquisicin de datos, un diseo de la estructura del banco de prueba y la elaboracin de los planos de ingenieria y construccin.
LVAREZ Jess. Motores alternativos de combustin interna: Caractersticas operativas del motor. Edicions UPC, 2005. p. 100. ISBN:84-8301-818-5
CREUS SOLE, Antonio. Instrumentacin industrial, septima edicin. Espaa: Marcombo S.A, 2005, p.1 359. ISBN 84-267-1361-0
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HERMOSA DONATE, Antonio. Principios de electricidad y electrnica. Resistencia electrica . Segunda edicin, Espaa: Marcombo S.A, 2005, p. 63 - 187. ISBN 84-267-1343-2
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NTC 5613:2008, Referencias bibliograficas. Contenido, forma y estructura
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FUENTES BIBLIOGRAFICAS
NUMERO RAEPROGRAMA Programa de ingenieria Aeronutica de la Universidad de San Buenaventura Bogot
CONTENIDO
Objetivo General: Disear un banco de pruebas para el motor de pistn ciclo Otto de cuatro tiempos AMC 200.
1.4.2 Objetivos Especficos Planificar una metodologa bsica para el diseo del motor de cuatro tiempos Seleccionar los sensores de adquisicin de datos para el banco de prueba Disear la estructura del banco de prueba Elaborar planos de ingenieria y de construccin.
ENFOQUE DE LA INVESTIGACINEl presente proyecto est enfocado a la investigacin Emprico-analtica, ya que el inters del proyecto es tcnico, orientado a la interpretacin y transformacin del mundo material.
3.2 LNEA DE INVESTIGACIN DE USB / SUB-LNEA DE FACULTAD / CAMPO TEMTICO DEL PROGRAMA Campo temtico del programa de ingeniera aeronutica. Motores. Lnea de investigacin de la universidad.Tecnologas actuales. La sub-lnea de investigacin de la facultad:Instrumentacin y control de procesos
Para el proceso de investigacin, se recurri como primera medida a la literatura disponible en centros como la biblioteca de la Universidad de San Buenaventura, biblioteca Luis ngel Arango, biblioteca Nacional, as como algunos libros de bibliotecas privadas y libros afines. Una vez se reuni el material en torno al funcionamiento de los diversos sistemas del motor y de los diversos instrumentos de medicin del banco se procedi a seleccionar el instrumental que se considero necesario para realizar las mediciones bsicas en el laboratorio.Al concluir la primera parte de la investigacin se inicio el proceso de diseo del banco de pruebas, configuracin del tipo de sistema de freno a utilizar en el banco y de la configuracin del panel de carga. Al finalizar este diseo se realizan los clculos estructurales de la seccin de pruebas y por ltimo se desarrolla la metodologa y programacin para el diseo bsico de un motor de cuatro tiempos
El diseo de la estructura del banco de prueba consta de dos secciones que son: el panel decontrol y la seccion de pruebas. El panel de control fue diseado de tal forma que el estudiantetenga un facil acceso a toda la instrumentacion para poder controlar sus mediciones desdeeste punto, con la ventaja de tener un espacio donde puede apuntar todos los movimientos querealice en las pruebas.La seccin de pruebas la compone el motor, el reductor de velocidad y el generador entreotros, los cuales son montados sobre una mesa con eleastomeros y se encuentraindependiente del panel de control para evitar factores que afecten la medidad en el panel deintrumentos por causa de ruidos que generen vibraciones.
El diseo del freno motor, por medio del conjunto reductor - generador - panel de carga, esexitoso ya que permite fijar la velocidad rotacional deseada en el motor para dar paso a lamedicion de las variables operacionales, por medio de la instrumentacin digital montada en elpanel de control y en el motor.
La elaboracin de planos de ingenieria y de construccin, son de vital importancia para laetapa de construccin ya que es la base fundamental para la realizacion de este proceso, enellos se muestra detalladamente que materiales se utilizan y las formas de cada una de laspiezas con medidas y representaciones determinadas.
METODOLOGIA
CONCLUSIONES
DISEO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA EL MOTOR DE PISTN CICLO OTTO DE CUATRO TIEMPOS AMC 200.
CARLOS EDUARDO GARCIA ROJAS
UNIVERSIDAD SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERA
DEPARTAMENTO INGENIERA AERONUTICA BOGOT D.C.
2010
DISEO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA EL MOTOR DE PISTN CICLO OTTO DE CUATRO TIEMPOS AMC 200.
CARLOS EDUARDO GARCIA ROJAS CODIGO 2000174011
Proyecto de grado Director
ARNOLD ESCOBAR GARZON Ingeniero Aeronutico
UNIVERSIDAD SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERA
DEPARTAMENTO INGENIERA AERONUTICA BOGOT D.C.
2010
Nota de aceptacin:
________________________________________ ________________________________________ ________________________________________ ________________________________________ ________________________________________ ________________________________________ ________________________________________
__________________________________
Firma Presidente del jurado
__________________________________ Firma del jurado
___________________________________ Firma del jurado
Bogot, D.C Octubre de 2010
AGRADECIMIENTOS Y DEDICATORIA
Este trabajo es la muestra de una larga dedicacin y de un gran aprendizaje de la
vida laboral cotidiana e ingenieril. Espero que el proyecto sea de gran beneficio
para nuevos estudiantes de ingenieria de la universidad de San Buenaventura y
as lograr cumplir con el objetivo propuesto. Deseo dedicar y agradecer con
inmensa gratitud a todos aquellos que de una u otra manera me ayudaron en el
desarrollo del proyecto.
Agradezco inmensamente a mis padres, Israel Garca y Ana Leticia Rojas, que
confiaron en m, me brindaron la posibilidad de lograr mis metas y que siempre
estn presentes para cualquier acontecimiento de mi vida, siendo la fuente de
apoyo y cario perfecto, deseo mostrarles mi inmensa gratitud y orgullo hacia
ellos, porque sin su apoyo no hubiese podido llegar a ser el buen ingeniero y
persona que soy.
Gracias a mi asesor de tesis, Arnold Escobar, por brindarme su apoyo
incondicional en la realizacin del proyecto y ser el gua durante el transcurso de
este largo trabajo, brindndome soluciones para hacer posible el desarrollo de
este banco de prueba.
Agradezco a Dios por darme la sabidura para solucionar cada uno de los
tropiezos que surgieron en el desarrollo de este proyecto y darme la energa para
no bajar nunca la cabeza ante las dificultades. Tambin agradezco a Andrea
Gutirrez por su lindo aporte sentimental y por estar incondicionalmente en las
situaciones buenas y malas.
Y a todas aquellas personas que siempre llevo en mi corazn como mi hermana y
mi familia, infinitas gracias les doy por su apoyo moral.
CONTENIDO
Pg. INTRODUCCIN......14 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........15
1.1 ANTECEDENTES.....15
1.2 DESCRIPCIN Y FORMULACIN DEL PROYECTO.......18 1.3 JUSTIFICACIN........18 1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIN......19
1.4.1 Objetivo General.......19
1.4.2 Objetivos Especficos.......19
1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO....19
1.5.1 Alcances........19 1.5.2 Limitaciones..20 2 MARCO DE REFERENCIA ..20
2.1 MARCO TERICO - CONCEPTUAL....20
2.1.1 Motor de cuatro tiempos......20
2.1.2 Componentes del motor de cuatro tiempos.............22 2.1.2.1 Cilindro....... 22
2.1.2.2 Pistn...24 2.1.2.3 Anillos......25 2.1.2.4 Biela.....26
2.1.2.5 Sistema Biela-Cigeal....29 2.1.2.6 Carter........30 2.1.3 Sistemas del motor de cuatro tiempos......31
2.1.3.1 Sistema de lubricacin......31
2.1.3.2 Sistema de refrigeracin.......34 2.1.3.3 Sistema de encendido.......36 2.1.3.4 Sistema elctrico.....38
3 DISEO METODOLGCO ...40
3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIN.......40
3.2 LNEA DE INVESTIGACIN DE USB/SUBLINEA DE FACULTAD/CAMPO TEMTICO DEL PROGRAMA..40 3.3 TCNICAS DE RECOLECCIN DE INFORMACIN......41 4 DESARROLLO INGENIERIL: METODOLOGA BSICA PARA
EL DISEO DEL MOTOR A CUATRO TIEMPOS.....42 4.1 PROPIEDADES GEOMTRICAS DE LOS MOTORES DE CUATRO
TIEMPOS...42 4.1.1 Relacin carrera del pistn dimetro......43 4.1.2 Desplazamiento del motor.........44 4.1.3 Relacin de compresin...................44 4.1.4 Relacin biela - manivela - carrera- dimetro.........46
4.1.5 Velocidad media del pistn.............47
4.1.6 Fuerza media que desarrolla la manivela por el pistn....47
4.1.7 Porcentaje de espacio muerto........47
4.2 PROPIEDADES TRMICAS Y PARMETROS DE FUNCIONAMIENTO........48
4.2.1 Eficiencia trmica.....48
4.2.2 Temperatura al final de la compresin.....49
4.2.3 Calor agregado por unidad de masa........49 4.2.4 Trabajo por unidad trmica.....50 4.2.5 Potencia mx.......50
4.2.6 Flujo de masa mx...........50
4.2.7 Presin media efectiva........51
4.2.8 Potencia indicada................52
4.2.9 Rendimiento mecnico...52
4.2.10 Potencia al freno........53
4.2.11 Rendimiento volumtrico......53
4.2.12 Consumo especfico de combustible.....54
4.2.13 Medicin del torque mximo........55
4.3. FUNCIONAMIENTO GENERAL DEL BANCO DE PRUEBA.....56 4.4 CLCULO BSICO PARA EL DISEO DE MOTORES CUATRO TIEMPO..........56
5. DESARROLLO DEL PROYECTO...........60 5.1 INSTRUMENTACIN DEL BANCO DE PRUEBA.....61 5.1.1 Dispositivos para el panel de control....61 5.1.1.1 Tacmetros (medidor de la velocidad rotacional)....63
5.1.1.2 Medidor de flujo de combustible.....66
5.1.1.3 Medidor de suministro de aire......70
5.1.1.4 Medidor de temperatura.....73 5.1.1.5 Voltmetro - Ampermetro (Medidores del generador y regulador).........77 5.1.1.6 Accesorios del panel de control......82 5.1.2 Dispositivos de la seccin de prueba.........84 5.1.2.1 Descripcin de los dispositivos.....84 5.2.1.1 Motor AMC 200......84 5.2.1.2 Reductor de velocidad.......85 5.2.1.3 Generador elctrico....86 5.2.1.4 Accesorios...87 5.2 DISEO ESTRUCTURAL DEL BANCO DE PRUEBAS......90 5.2.1 Clculo estructural de la seccin de pruebas.........90 5.2.1.1 Calculo esttico.91 5.2.1.2 Deformacin de la estructura modelada en ANSYS....114 6. CONCLUSIONES....118 7. RECOMENDACIONES..119 BIBLIOGRAFA.......120 ANEXOS .....123
LISTA DE TABLAS
Pg.
Tabla1. Ficha tcnica motor AMC 200.....42 Tabla 2. Metodologa bsica del diseo de un motor de cuatro tiempos, programada en EXCEL: Parmetros iniciales....58 Tabla 3. Metodologa bsica del diseo de un motor de cuatro tiempos, programada en EXCEL: Parmetros a calcular..59 Tabla 4. Tacmetros digitales....64 Tabla 5. Vacumetros digitales.71 Tabla 6. Termmetros digitales.....75 Tabla 7. Tipos de termocupla........77 Tabla 8. Ampermetros digitales....79 Tabla 9. Voltmetros digitales....81 Tabla 10. Clculo estructural...110 Tabla 11. Propiedades del material: Acero estructural A36....114
LISTA DE FIGURAS
Pg. Figura 1. Banco de pruebas CT 110........16 Figura 2. Banco de pruebas CT 159.....17 Figura 3. Ciclo Otto..........21 Figura 4. Geometra del cilindro, pistn, biela, cigeal.........45 Figura 5. Panel de control......61 Figura 6. Descarga de combustible desde el recipiente calibrado ....67 Figura 7. Ubicacin del sensor de presin en el motor........73
Figura 8. Componentes del acople......88 Figura 9. Seccin estructural a calcular (estructura base)...93 Figura 10. Vista Superior.....93 Figura 11. Vista lateral.....94 Figura 12. Seccin de barras (k-l y h-g) y (a*-c* y b*-d*)95 Figura 13. Clculo de la seccin (a*-c* y b*-d*)...96
Figura 14. Clculo de la seccin (k-l y h-g)......97
Figura 15. Seccin de barras (k-j y h-i)..98
Figura 16. Clculo de la seccin (k-j y h-i)....98
Figura 17. Seccin de barras (m-n y f-e)...99
Figura 18. Clculo de la seccin (m-n y f-e).99
Figura 19. Estructura base simplificada...100
Figura 20. Clculo de la seccin (a-r)........101
Figura 21. Clculo de la seccin (b-k*).102
Figura 22. Clculo de la seccin (c-p)..103
Figura 23. Clculo de la seccin (d-o)......104
Figura 24. Clculo de la seccin (r-o).......105
Figura 25. Clculo de la seccin (a-d)..106
Figura 26. Esfuerzo cortante puro.112
Figura 27. Banco de la seccin de prueba modelado en ANSYS...115
Figura 28. Esfuerzos cortantes puros (ANSYS)..116
Figura 29. Deformaciones en la seccin de pruebas.117
LISTA DE ANEXOS
Pg. ANEXO 1 Variables utilizadas en la metodologa para el diseo de un motor de cuatro tiempos.........................................123
ANEXO 2 Ficha tcnica del acero estructural A36.........125
ANEXO 3 Instrumentacin del banco de pruebas..129
Anexo A. Tacmetro digital.....129 Anexo B. Balanza digital.............135 Anexo C. Cronmetro digital......136 Anexo D. Vacumetro.....137 Anexo E. Termmetro digital......142 Anexo F. Amperimetro.........145 Anexo G. Voltimetro..........149 Anexo H. Caja de conexiones elctricas..........153 Anexo I. Reductor de velocidad RG 06....157 Anexo J. Generador elctrico GTA161AIHJ ...160 ANEXO 4 Planos de ingenieria del banco de pruebas163 ANEXO 5 Anlisis en el proceso de soldadura mig/mag.196
RESUMEN
En este proyecto de grado se realizo el diseo del banco de prueba para el motor
de combustin interna AMC 200.
Se escogieron dispositivos e instrumentacin necesaria para el buen desempeo
del la maquina y se diseo el banco de pruebas con el freno motor y la estructura.
En la estructura se realizaron clculos estructurales en secciones donde las
cargas son apreciables y se simulo la deformacin en Ansys. Por ltimo se
muestra la metodologa bsica para el diseo de un motor de cuatro tiempos.
14
INTRODUCCIN
Este proyecto se presenta con el fin de lograr un avance en el aprendizaje de
motores recprocos de cuatro tiempos para el estudiante de Ingeniera
Aeronutica, ya que tendr la oportunidad de ratificar elementos con el manejo
directo de todas las variables que afectan el funcionamiento del motor, se
desarrolla para proporcionar al estudiante un conocimiento ms profundo en este
tipo de motores. La universidad cuenta con una serie de laboratorios para llevar a
cabo pruebas experimentales en diversos campos de ingeniera, pero no posee un
laboratorio para motores recprocos de cuatro tiempos, el propsito del proyecto
es realizar el diseo de un banco de pruebas para el motor AMC 200, donde el
estudiante pueda realizar pruebas para diferentes parmetros del motor.
El grupo de investigacin en motores de la Universidad de San Buenaventura-
Bogot GIMOC, han venido trabajando en diseo, construccin y mtodos de
enseanza; la metodologa que la universidad ha implementado en la materia de
Motores de pistn se ha dado de manera terica, con este proyecto se busca
tecnificar la metodologa de la materia, para que as el estudiante pueda obtener
una formacin ms completa, enfatizando en la parte experimental de los motores
de cuatro tiempos.
Finalmente, rene diferentes areas de formacin acadmica como son el rea de
motores, el rea de estructuras, el rea de diseo, programacin, modelos
matemticos, entre otros; los cuales son de vital importancia para la realizacin
del proyecto y de futuras investigaciones en el campo de los motores.
15
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1 ANTECEDENTES
El primer banco de prueba el cual fue montado para la construccin del primer
motor diesel data del siglo XX, del ao 1893. Se conoce muy poco acerca de este
banco, sin embargo los alcances que ha tenido el desarrollo en bancos de prueba
para motores de combustin interna han ido evolucionando en el transcurso de los
aos, ya que en estos motores se han llevado a cabo mejoras en cuanto al
rendimiento del mismo.
Todos los motores de nueva construccin son sometidos a una larga serie de
mediciones alternadas con severas pruebas de durabilidad y de carga, que se
repiten hasta una precisa puesta a punto, las pruebas principales son las que
sirven para obtener los valores relativos al par motor, la presin media efectiva, la
potencia desarrollada, el consumo especfico de combustible, los diferentes
rendimientos as como la composicin de los gases de escape.
En los bancos de pruebas, los motores se instalan en un soporte debidamente
diseado para realizarles las pruebas de laboratorio. El eje de salida del motor se
acopla a un freno para ofrecer resistencia a la rotacin del motor. El motor debe
tener los elementos para que pueda trabajar en forma continua durante los
periodos que incluyen las pruebas. Por este motivo el motor se debe equipar con
dispositivos que permitan medir las variables y tambin lograr que el proceso se
lleve bajo condiciones estables.
A los dispositivos fundamentales para la medicin de las diferentes variables se
suele adicionar la instrumentacin necesaria para medir los parmetros requeridos
y los medios para ajustar la carga de operacin.
16
En algunos casos se debe conectar auxiliares como sobrealimentadores o
enfriadores que tengan fuente exterior de energa, para que no tomen potencia del
motor.
Finalmente, los bancos de prueba que existen hoy da en el mercado, tratan de
obtener del motor, la mayor cantidad de parmetros indispensables para la
optimizacin del mismo, para obtener estos parmetros, los cuales son necesarios
para el anlisis del motor recproco, es necesario realizar ensayos sobre un banco
de pruebas. Se encuentra en el mercado diversos bancos de pruebas los cuales
cuentan con ciertas especificaciones que los difieren unos de otros, como las
siguientes:
Figura 1. Banco de pruebas CT110
Fuente: G.U.N.T. Equipment for engineering education. Disponible en:
http://www.gunt.de/static/s3689_3.php
Con este banco de pruebas se mide la potencia de motores de combustin interna
de hasta 7,5kW. El banco de pruebas completo consta de dos elementos
principales: CT 110 como unidad de mando y de carga y un motor opcional: motor
de gasolina de cuatro tiempos (CT 100.20), motor de gasolina de dos tiempos
(CT 100.21), as como dos motores Diesel de cuatro tiempos (CT 100.22,
17
refrigerado por aire, con inyeccin directa; CT 100.23, refrigerado por agua, con
inyeccin indirecta).
La funcin principal del CT 110 es poner a disposicin la potencia de frenado
requerida.
Figura 2. Banco de pruebas CT 159
Fuente: Ibd.
Con este banco de pruebas se mide la potencia de motores de combustin interna
de hasta 2,2kW. El banco de pruebas completo consta de tres elementos
principales: CT 159 para el alojamiento del motor y para el mando, la unidad
universal de accionamiento y frenado HM 365 como unidad de carga y un motor
opcional: motor Diesel de cuatro tiempos (CT 151), motor de gasolina de dos
tiempos (CT 153), as como dos motores de gasolina de cuatro tiempos (CT 150;
CT 152, motor con compresin variable).
La funcin principal de CT 159 es el alojamiento del motor, su abastecimiento de
combustible y aire y la adquisicin y la indicacin de datos de medicin relevantes.
El motor se monta sobre un fundamento aislado contra las vibraciones y se
conecta a la unidad HM 365 a travs de una transmisin por correa. 1
1 G.U.N.T-Equipment for engineering education http://www.gunt.de/static/s3689_3.php
18
1.2 DESCRIPCIN Y FORMULACIN DEL PROYECTO
En la universidad, existen laboratorios para diferentes asignaturas, pero no
cuentan con un banco de pruebas para el laboratorio de motores. Este proyecto
presenta un diseo de un banco de prueba, el cual va a ser de gran ayuda para
los estudiantes de ingenieria aeronutica ya que podrn realizar pruebas prcticas
experimentales en dicho banco.
Cmo disear un banco de prueba para un motor de pistn ciclo Otto de cuatro
tiempos?
1.3 JUSTIFICACIN
Se diseara un banco de pruebas para un motor de cuatro tiempos (motor
prototipo AMC 200), que evala el funcionamiento del mismo y arroje
principalmente curvas de potencia y consumo especfico de combustible en
funcin de la frecuencia rotacional del motor (RPM). El banco cuenta con un
programa que contiene la metodologa bsica de construccin de un motor de
cuatro tiempos, para que el estudiante realice pruebas didcticas de comparacin
y as pueda comprender la teora con mayor facilidad.
El proyecto propone una visin de aprendizaje con mayor tecnologa, formando
ingenieros competentes para la industria colombiana. Contando con un banco de
prueba el docente tendr una herramienta esencial para la comparacin terico-
prctica y corroboracin de previos anlisis realizados por el estudiante de
ingeniera. El estudiante tendr la posibilidad de operar y manipular la maquina,
comparar diagramas y corroborar clculos tericos con clculos experimentales
para poder dar un veredicto real del anlisis.
19
1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIN
1.4.1 Objetivo General: Disear un banco de pruebas para el motor de pistn
ciclo Otto de cuatro tiempos AMC 200.
1.4.2 Objetivos Especficos
Planificar una metodologa bsica para el diseo del motor de cuatro
tiempos
Seleccionar los sensores de adquisicin de datos para el banco de prueba
Disear la estructura del banco de prueba
Elaborar planos de ingenieria y de construccin.
1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO
1.5.1 Alcances: El proyecto presenta el diseo de un banco de prueba para el
motor de cuatro tiempos (prototipo motor: AMC 200), el cual proporcionar
mltiples beneficios para los estudiantes de motores, donde tendrn la
oportunidad de corroborar elementos experimentalmente, con el manejo directo de
todas las variables que afectan el funcionamiento de los motores y obteniendo
curvas de potencia, consumo especifico de combustible, temperaturas y
presiones, en funcin de la frecuencia rotacional (RPM), las cuales son
procesadas en un programa, el cual analiza lgicamente esta informacin, para
as poder comprender la teora con mayor facilidad, identificar los efectos de
modificaciones previamente establecidas, probar teoras desarrolladas y verificar
la informacin del fabricante.
20
1.5.2 Limitaciones: El grupo de investigacin (GIMOC) cuenta con dos fases
para la realizacin del laboratorio de motores, que son el diseo y la construccin.
Este proyecto limita la etapa de construccin enfocndose directamente con la
etapa de diseo del banco de pruebas.
La etapa de diseo limita el clculo estructural de la seccin de prueba en un
clculo esttico, ya que las cargas ejercidas sobre este banco son despreciables
en comparacin a la resistencia estructural del mismo. Por otra parte se limita la
metodologa del diseo de un motor de cuatro tiempos, a una metodologa bsica
enfocada en el funcionamiento del motor AMC200.
2. MARCO DE REFERENCIA
2.1 MARCO TERICO - CONCEPTUAL
2.1.1 Motor de cuatro tiempos: El banco de pruebas a desarrollar es para un
motor reciproco de cuatro tiempos, se estudia en primera medida la parte
termodinmica, investigando acerca de cada uno de los ciclos operativos del
motor.
Se denomina motor de cuatro tiempos, al que precisa cuatro, o en ocasiones
cinco, carreras del pistn o mbolo - dos vueltas completas del cigeal - para
completar el ciclo termodinmico de combustin. Estos cuatro tiempos son:
1 Tiempo (Admisin)
2 Tiempo (Compresin)
3 Tiempo (Expansin)
4 Tiempo (Escape)
21
Figura 3. Ciclo Otto
Fuente: William H. Crouse, Donald L. Anglin. Mecanica de la motocicleta.
Barcelona:Mc Graw-Hill,2004. p 61.
22
Primer tiempo o admisin: en esta fase el descenso del pistn aspira la
mezcla aire combustible en los motores de encendido provocado o el aire
en motores diesel. La vlvula de cierre se encuentra cerrada, mientras que
la admisin por el contrario permanece abierta.
Segundo tiempo o compresin: cuando se llega al punto muerto superior,
la vlvula de admisin se cierra, y en este momento se comprime el gas
contenido dentro de la cmara.
Tercer tiempo o explosin: cuando el pistn se encuentra en el punto
muerto superior o (pms), la mezcla se encuentra totalmente en la presin
mxima. La buja provoca la chispa y se inflama la mezcla, por otro el
combustible es suministrado por medio del inyector, esta mezcla se auto
inflama a causa de la presin y temperaturas encontradas dentro de la
cmara. El pistn es empujado hacia el punto muerto inferior a causa de la
explosin y es la nico tiempo en el que se obtiene trabajo.
Cuarto tiempo o escape: en esta fase el pistn vuelve a ascender a punto
muerto superior, y de esta forma los gases son expulsados a travs de la
vlvula de escape, y de esta forma reinicia el ciclo de cuatro tiempos
2.1.2 Componentes del motor de cuatro tiempos:
2.1.2.1 Cilindro: El cilindro consta de dos partes prcticamente, un barril y una
cabeza tambin llamada culata.
El barril es fabricado de acero forjado con aleacin al cromo-nquel-molibdeno,
con cuerda en la parte superior para unirse a la cabeza mediante l apriete
trmico la cual es fabricada de aleacin de aluminio, ambos con aletas de
enfriamiento integradas. Los requisitos bsicos para su diseo y que deben
cumplir los cilindros usados en motores alternativos de aviacin son:
23
Proveer el espacio suficiente para encerrar la carga de mezcla que en cada
revolucin se requiere para, mediante reaccin qumica dar lugar a la
formacin de energa calorfica.
Servir de gua al embolo en su movimiento alterno.
Desalojar energa calorfica en mayor cantidad posible como producto de la
combustin.
Servir de soporte para las guas y vlvulas. Contar con un espacio
adecuado para la colocacin de la buja y en su caso los inyectores de
combustin.
Contar con una zona para ubicar y sujetar a los ductos o mltiples de
admisin y escape.
Adems de todos los requisitos antes sealados, los cilindros de uso aeronutico
deben ser los ms ligeros posibles.
La cabeza del cilindro fabricada de aleacin de aluminio como se menciona
anteriormente, tiene como funciones principales:
1) Alojar la cmara de combustin
2) Permitir el alojamiento del mecanismo de vlvulas
3) Permitir el alojamiento de las lumbreras (Bujas, ductos de admisin y
escape)
A estos cilindros se les aplican unas pruebas llamadas Pruebas No Destructivas
(N.D.T.) (No Destructing Test), cuando son prcticamente nuevos.
24
A la cabeza del barril se le practica una prueba llamada (P.T.) o Penetrant Test,
una prueba de penetramiento en el cual se establece que no sea propenso a
rupturas con facilidad
Al barril del cilindro se le practica el (M.T.) o Magnetic Test, esta es una prueba
magntica
2.1.2.2 Pistn: Fabricadas de aleacin de aluminio, las hay de tres tipos:
Cabeza Plana
Cabeza Cncava
Cabeza Convexa
Existen caractersticas definidas del material que servir para su construccin,
siendo el diseador con base a su experiencia quien seleccione el material y en
nuestro caso lo haremos con fundamento a la reglamentacin y a lo indicado en
nuestros medios de investigacin.
Con estos antecedentes a continuacin se indican las funciones que desempea
l embolo especficamente para un motor de aviacin, ya que ellos estn llamados
a satisfacer un gran nmero de requisitos, por tanto:
Debe tomar toda la carga de la presin del gas, sin que el material de
construccin se distorsione apreciablemente.
Ajustar perfectamente en las paredes del cilindro para evitar golpes o
ralladuras.
El material de construccin debe de tener un coeficiente de expansin lineal
que le permita no quedar apretado cuando la temperatura aumente, ni
demasiado flojo cuando se enfre.
25
Ser capaz de difundir una gran cantidad de calor tomado de la combustin
que se produce en la cmara de combustin, a su vez su construccin
evitara la formacin de puntos calientes.
Las dimensiones del faldn debern permitir transferencias de calor a las
paredes del cilindro y asa el lubricante. El lubricante no deber elevar
demasiado su temperatura ya que ello altera sus cualidades de lubricacin.
Por lo menos debe permitir el alojamiento de 3 anillos.
El material ser lo ms ligero posible.
Su diseo final deber ser tal que resista suficientemente el desgaste
prematuro.
2.1.2.3 Anillos: Fabricados de hierro colado con algo de acero, estos vienen en
los piones y desempean un papel muy importante dentro del cilindro.
Existen tres clases de aillos y estos son:
1) Anillo de Compresin
2) Anillo Aceitero
3) Anillo Raspador
Las funciones de estos anillos son:
Evitar que se escape la mezcla en el momento de la compresin
Facilitar el aceite al barril
Raspar el exceso de aceite
Transferir temperatura al exterior
26
Esta ltima de transferir temperatura al exterior lo hace por conveccin ya que
existe contacto de dos superficies; recordamos que la temperatura por conveccin
es cuando el aire de un ambiente se pone en contacto con la superficie de un
cerramiento a una temperatura distinta, el proceso resultante de intercambio de
calor se denomina transmisin de calor por conveccin. Este proceso es una
experiencia comn, pero una descripcin detallada del mecanismo es complicada
dado que adems de la conduccin hay que considerar el movimiento del aire en
zonas prximas a la superficie.
En el caso de que la fuerza motriz que mueve el aire proceda exclusivamente de
la diferencia de densidad en el aire que resulta del contacto con la superficie a
diferente temperatura y que da lugar a fuerzas ascensionales se producir el
proceso de transmisin denominado conveccin libre o natural.
Cuando exista una fuerza motriz exterior, como el viento, que mueva el aire sobre
una superficie a diferente temperatura se producir una conveccin forzada, que
debido al incremento de la velocidad del aire se transmitir una mayor cantidad
de calor que en la conveccin libre para una determinada diferencia de
temperatura. En el caso de que se superpongan ambas fuerzas motrices, por ser
de magnitudes semejantes, el proceso se denomina conveccin mixta. En
cualquiera de los casos el fenmeno se puede evaluar mediante la Ley de Newton
del enfriamiento.
2.1.2.4 Biela: Es el eslabn que convierte el movimiento lineal a movimiento
alterno y este a un circular continuo que hace girar a la flecha o cigeal por
medio del par motor.
Es definida estructuralmente como una columna corta, la cual tiene dos
condiciones de trabajo, que depende de la condicin de sus puntos de fijacin,
para el diseo de la biela, debe ser considerada la condicin mas desfavorable
27
que provoca la concentracin del esfuerzo de fractura en la parte media del
cuerpo.
Esta condicin crtica es cuando se encuentra sus extremos fijos por lo tanto lo
que hay que definir es el esfuerzo de ruptura de la seccin transversal de la biela,
considerando que estar cumpliendo con los siguientes requisitos.
Soportar los esfuerzos de compresin debido a las cargas combinados de
fuerzas de gases y de inercia (fuerza neta).
Soportar los esfuerzos de tensin provocados por las fuerzas de inercia.
Soportar a la tensin producida por el latigazo derivado de la fuerza de
aceleracin lateral.
Constantes de fijacin 1/10000, 1/40000.
Para cubrir estos requisitos y sabiendo que se trata de una columna corta, que
tome en cuenta la relacin de esbeltez, es calculada la seccin transversal
mediante el uso de la formula de Rankine, que define perfectamente la falla de
esta columna y que en nuestro caso corresponde al elemento de seguridad de los
componentes de sistema biela-manivela.
Como esta frmula relaciona al esfuerzo permisible de trabajo del material de
fabricacin, con su radio de giro de la forma o rea de la seccin transversal y el
tipo con que estn tomados los extremos del elemento definidos a travs de una
constante de fijacin e deber de obtener el valor del rea transversal que tendr
la biela.
Dentro de la biela tenemos los cojinetes que son piezas cuya funcin fundamental
es reducir los coeficientes de friccin entre un eje y un soporte. En su forma ms
sencilla, los cojinetes no sustituyen piezas separadas del soporte, sino que estn
28
formados por una delgada capa de material adecuado, aplicada a las superficies
de aqul encaradas al rbol o eje giratorio. Los casos ms complicados, el
cojinete presenta la forma de un casquillo cortado en dos manguitos por un plano
diametral y provisto de diminutos resaltes que, al alojarse en las correspondientes
cavidades del soporte, impiden los movimientos relativos de ste respecto al
propio cojinete.
Para que trabajen correctamente, es necesario practicar en ellos y en los
soportes, unas ranuras por las que pueda circular el lubricante. Segn la clase de
contacto entre ejes y cojinetes, stos pueden ser cojinetes de desplazamiento,
construidos con metales blancos, bronces, bronces con plomo o bronces y hierros
sinterizados. Entre los diversos tipos de esta clase de cojinetes, los ms
empleados son los cojinetes de empuje Michell, con segmentos orientables, cuya
movilidad facilita la formacin de un velo lubricante al cambiar la velocidad,
permitiendo superar as la comn rigidez de las superficies inclinadas. Tambin
son muy utilizados los cojinetes de rozadura o simplemente rozamientos, que
reducen a una dcima aproximadamente el coeficiente de rozamiento con
respecto a los cojinetes de deslizamiento, aunque presentan la desventaja de
ocupar un mayor espacio radial. Entre los tipos de rozamientos ms difundidos
cabe citar:
Los cojinetes para cargas radiales o cojinetes a bolas
Los cojinetes radiales de una corona de rodillos cilndricos
Los cojinetes para cargas axiales o cojinetes de rodillos cnicos (los ms
utilizados)
Los cojinetes de agujas.
Se le denomina biela o conecting road y existen dos tipos de bielas para los
motores a pistn, est la biela sencilla y la biela maestra.
29
2.1.2.5 Sistema Biela-Cigeal: Como sistema la biela est ligado al sistema del crankshaft o cigeal entonces se relaciona el sistema biela-cigeal como un
sistema mecnico interno principal del motor, es la interfase entre la energa
liberada en la combustin del combustible y la energa mecnica resultante.
Su importancia radica en que es el sistema del motor que relaciona todos los
movimientos que en l se producen, para obtener un trabajo til en el eje de
salida.
Este mecanismo transforma el movimiento rectilneo alternativo del pistn en el
movimiento de rotacin variado del cigeal. Consta de un pistn articulado a una
biela y sta a su vez conectada a una manivela o cigeal, estas articulaciones
son a travs de bujes o cojinetes de metal anti-friccin.
El funcionamiento es el siguiente: El pistn confinado a moverse en un recinto
cerrado o camisa, produce un movimiento rectilneo alternativo, primero baja
debido a la accin de la presin que ejercen sobre l los gases de la combustin
en su expansin, y como est vinculado a una biela sta lo acompaa en su
movimiento, pero a su vez como la biela est vinculada a la manivela del cigeal,
produce la rotacin de ste, el movimiento contina, cuando el pistn sube debido
a la inercia de los contrapesos del cigeal, logrando una vuelta completa, luego
el ciclo se repite dando como resultado el movimiento de rotacin del cigeal, el
cual transmite este movimiento al exterior a la mquina que est acoplada.
El sistema funciona sin inconvenientes si se mantiene el rgimen de revoluciones
fijado para el motor y no se producen detenciones indeseadas.
Para que este sistema funcione deben responder correctamente otros sistemas
relacionados a l como son el de lubricacin y el de refrigeracin para evitar su
engrane. Adems debe asegurarse una correcta combustin para mantener el
movimiento alternativo del pistn.
30
Si el mecanismo produce un funcionamiento irregular, prdida de rendimiento,
dificultad en el arranque, engrane del motor o una detencin brusca, es posible
que el mecanismo biela-manivela se encuentre daado, presentando un desgaste
excesivo de los cojinetes de friccin, o exista una interferencia fuera de rango
entre pistn y camisa debida a depsitos de residuos carbonosos o a un
calentamiento excesivo de sus partes, por falta de lubricacin y/o de refrigeracin.
La reparacin de este mecanismo, no es muy simple, requiere el desmontaje de
sus partes componentes, una revisin y control de dimensiones, tolerancias,
alineacin y paralelismo de sus componentes, en general se requerir verificar si
la biela no est torcida, si el eje del buje de biela y el eje del cojinete de friccin no
han perdido paralelismo y el estado de los metales anti-friccin, del mun del
cigeal y su concentricidad. Probablemente la reparacin adems, consista en el
reemplazo del buje y metales anti-friccin de la biela, el perno de pistn, rectificar
el mun del cigeal y tambin comprobar el estado y fijacin de sus
contrapesos.
Respecto a la seguridad de las personas, hay que tener en cuenta que el sistema
consta fundamentalmente de partes en movimiento y que slo podr acceder a
ellas con el motor detenido y fro, por otro lado estos mecanismos funcionan
lubricados, utilizando para ello un circuito que los provee de aceite a cierta
presin, en consecuencia, hay que extremar las precauciones en la manipulacin
del lubricante evitando derrames y teniendo presente el grado de inflamabilidad.
2.1.2.6 Carter: Son hechos usualmente de aluminio, y es la estructura dentro
de la cual se pueden contener varios elementos slidos o lquidos. El motor de
aviacin se divide en tres partes mecnicamente:
Carter de nariz, (Hlice y reductores planetarios)
31
Carter de potencia, (Bloke, cilindros, pistones, cigeal)
Carter de accesorios (Gobernador, generador, arranque, magnetos)
Las funciones del Carter son:
Permite el alojamiento a diferentes unidades como el cigeal, eje de levas,
piones, etc.
Permite el alojamiento del aceite
Permite la traccin de la hlice al fuselaje
2.1.3 Sistemas del motor de cuatro tiempos: El sistema de alimentacin de
combustible de un motor de combustin interna consta: de un depsito de
combustible, un dispositivo que atomiza el combustible y la bomba de
inyeccin. Se llama carburador (motores pasados) o inyectores (motores
actuales) al dispositivo utilizado para pulverizar el combustible y despus
ser quemado en el proceso de combustin. 2.1.3.1 Sistema de lubricacin: Una bomba de engranajes toma aceite del
crter del motor y lo enva al filtro con cierta presin regulada por medio de
conductos interiores y exteriores hacia las partes que va a lubricar o refrigerar.
Cuando termina de realizar la funcin de lubricacin, este pasa por el radiador a
fin de expulsar el calor absorbido y retornar nuevamente al crter para reiniciar el
ciclo.
Generalmente lo constituyen partes del sistema de lubricacin tales como:
Filtro: Evita que pasen las impurezas o partes plomo, esta debe cambiarse
cada 50 horas
Bomba de aceite: Lo constituyen un par de piones, las presiones que
maneja son entre 40PSI y 90PSI, esta se mueve debido a que un pin se
encuentra conectado al cigeal
32
Vlvula de Bypass: Es un resorte y una bola, encargada de la obstruccin
del paso de aceite hacia el filtro y bomba de aceite
Vlvula reguladora presin de aceite: Encargada de mantener constante la
presin de aceite para diferentes regmenes de potencia hasta de 120 lb, la
vlvula de bypass en full potencia llega hasta 90 lb si esta se daa baja la
presin de aceite
Radiador: Es el encargado de mantener la temperatura normal del aceite
dentro del motor su funcin ms exactamente es refrigerar
Varilla medidora: La funcin de esta varilla es medir la cantidad de aceite
6/4 como mnimo para un motor de 2 galones
Tubo de relleno: Este es por donde se adiciona el aceite. Algunas funciones
del aceite son evitar el contacto pieza con pieza, lubricar, limpiar, accin
hidrulica y caractersticas de lubricacin:
Grado de inflamacin: Es la mxima temperatura que soporta el aceite
antes de que se produzca llama
Punto de encendido: Es la mxima temperatura que soporta el aceite antes
de llegar a perder sus propiedades lubricantes sea antes de encenderse o
producir la llama.
Punto de congelacin: Mnima temperatura que soporta el aceite antes de
que se congele; la mnima temperatura del aceite para un rendimiento
aceptable del motor es aprox. de 30C
33
Viscosidad: Es el grosor del aceite y la unidad en que se mide la viscosidad
del aceite es (Centistokes) en esta caracterstica del aceite se encuentran
tres elementos muy importantes que son:
1. Aditivos: Mejora la adherencia en superficies lisas
2. Dispersantes: Son aquellos que evitan la formacin de grumos
3. Detergente o limpiador: Encargado de limpiar el aceite
Este sistema mantiene lubricadas todas las partes mviles del motor, ya que
mantiene en movimiento mecanismos con elementos las cuales producen friccin
entre s, de la misma forma que sirve como medio refrigerante, en conclusin la
funcin del sistema es evitar el contacto metal con metal a fin de evitar daos al
interior del motor.
Para el sistema de Lubricacin para un motor Turbo cargado, lo nico que se
adiciona para este sistema es una bomba de excavacin, el cual extrae el aceite
que se encuentra dentro del turbo.
Encontramos dos tipos de sistemas de lubricacin:
1. Hmedo : Generalmente lo encontramos en los motores recprocos,
consiste en que todo el aceite por efecto de la gravedad, cae al oil
sump o crter de aceite
2. Seco: Este tipo de lubricacin lo encontramos en los motores a reaccin,
consiste en una bomba de excavacin que extrae el aceite que circula
en el motor y lo manda al reservoi
34
2.1.3.2 Sistema de refrigeracin: Este sistema elimina el exceso de calor que
se genera dentro del motor. Su funcin es la de extraer el calor generado dentro
del motor, para que este se mantenga dentro de unos regmenes de temperaturas
eficientes.
Si el motor no se mantiene dentro de los regmenes de temperaturas, corre el
riesgo de perder la integridad del motor hasta llegar a la completa inutilidad de
este. Hay dos tipos de refrigeracin.
Sistema de refrigeracin por agua: Consta de una bomba de circulacin
(hay sistemas que no la utilizan), un fluido refrigerante, por lo general agua
o agua ms producto qumico (Glicol), para cambiar ciertas propiedades del
agua pura, uno o ms termostatos, un radiador o intercambiador de calor
segn el motor, un ventilador o u otro medio de circulacin de aire y
conductos rgidos y flexibles para efectuar las conexiones de los
componentes.
En la mayora de los sistemas de refrigeracin, la bomba de circulacin
toma el refrigerante (fluido activo) del radiador, que repone su nivel del
depsito auxiliar, y lo impulsa al interior del motor refrigerando todas
aquellas partes ms expuestas al calor, puede incluir refrigerar el mltiple
de admisin, camisas, culatas o tapa de cilindro, radiador de aceite, etc.,
pasa a travs de uno o varios termostatos y regresa al radiador donde se
enfra al circular por tubos pequeos de gran superficie de disipacin, el
intercambio de calor generalmente se realiza con el aire circundante el cual
es forzado a travs del radiador utilizando un ventilador que generalmente
es accionado por el mismo motor.
Sistema de refrigeracin por aire: Es el sistema donde el fluido activo es
el aire circundante, el cual es forzado por medio de una deflectoras que
35
posee el motor para ser conducido por las partes del motor que se quieren
refrigerar, cilindros, tapas de cilindros, radiador de aceite, etc.
En la parte posterior del motor encontramos los Cowl-flaps, estos son los
encargados de que el aire se mantenga dentro del motor
En general para verificar que el sistema funciona bien, los motores
disponen de uno o varios termmetros que indican en cada instante la
temperatura del motor que se desea medir. La temperatura medida por los
termmetros debe encontrarse en el rango de temperatura aceptado por el
fabricante para las condiciones de funcionamiento del motor.
Sistema con refrigerante: Este sistema consiste en controlar de forma
peridica el correcto nivel de fluido refrigerante, de la misma forma que el
radiador se encuentre libre de incrustaciones que obturen los conductos en
los cuales circula el fluido y el aire, igualmente el fluido refrigerante que se
usado, contenga la proporcin correcta de anticongelante de acuerdo al
ambiente donde funciona dicho motor y finalmente, la bomba de circulacin
se encuentre en buen estado y funcionando correctamente.
Las fallas se detectan precozmente si se observa los indicadores de
temperatura, estando atentos a incrementos inusuales de la misma; por eso
es aconsejable instalar protecciones y/o alarmas que paren el motor por
alta temperatura.
Los cuidados pueden abarcar desde un buen mantenimiento, rellenar fluido
refrigerante y limpieza externa del radiador hasta reparaciones con el
reemplazo de componentes daados como bomba de agua, termostatos,
radiador, mangueras, conexiones, etc.
Las precauciones de seguridad se basan fundamentalmente en trabajar con
el motor detenido y fro para evitar incidentes con objetos en movimiento y
36
quemaduras. Para cuidar el medio ambiente debe disponerse
adecuadamente el fluido refrigerante cuando se reemplaza evitando
derrames.
Los fluidos refrigerantes actuales son a base de alcoholes especialmente
los glicoles, que mezclados con agua en distintas proporciones protegen al
sistema de refrigeracin y al motor de daos por congelamiento cuando
funciona en regiones con muy bajas temperaturas. Segn la proporcin de
fluido anticongelante en el agua, variar el punto de congelamiento de la
mezcla, debindose adecuar la misma a cada regin de trabajo.
2.1.3.3 Sistema de encendido: Este sistema provee la energa elctrica
necesaria para producir el encendido de la mezcla combustible. Su
importancia radica en que su presencia garantiza el inicio de la
combustin en los motores que funcionan bajo el principio del ciclo Otto,
produciendo una chispa que enciende la mezcla combustible
La funcin principal es la de convertir energa elctrica de baja tensin
en alta tensin y distribuirla a cada uno de los cilindros del motor consta
bsicamente de:
Generador de corriente o batera Arrollamiento primario Interruptor mecnico Condensador Arrollamiento secundario Distribuidor y bujas
El generador de corriente o una batera suministra energa elctrica que
circula a travs de un interruptor mecnico y un condensador a un circuito
primario de una bobina, cuando se abre el interruptor se produce una
variacin rpida, ayudada por el condensador, del campo magntico, que
37
produce el paso de corriente por el arrollamiento primario, lo cual induce en
el arrollamiento secundario una tensin muy elevada (14000 o 20000 V),
esta tensin se distribuye al cilindro correspondiente de acuerdo a la
secuencia de encendido y provoca en los extremos de una buja una chispa
en el interior del motor, que es la que enciende finalmente la mezcla
combustible.
Sistema de encendido por magnetos: El alternador genera energa
elctrica a partir de la energa mecnica suministrada por el mismo motor,
sta se rectifica por medio de un circuito electrnico, y se almacena en un
condensador, cuando se genera la seal de disparo que es provista por un
circuito elctrico de bobinas captoras y segn la secuencia de encendido
del motor, la llave electrnica dispara la carga del condensador sobre un
arrollamiento primario cuya variacin del campo magntico induce una
corriente de alto voltaje en un arrollamiento secundario, la cual se conduce
hasta la buja correspondiente del cilindro del motor, que enciende la
mezcla combustible.
El funcionamiento de este sistema se puede verificar, si el funcionamiento
del motor se produce de manera uniforme y sin interrupciones. Para
asegurarnos que este sistema funciona bien, se pueden realizar mediciones
elctricas para verificar que a la salida del dispositivo generador y
sincronizador la corriente de baja tensin producida es la estipulada por el
fabricante y se detecta en la secuencia requerida por el motor. El
componente ms difcil de inspeccionar es la buja, ya que puede no
presentar fallas cuando se la prueba en condiciones que no son las de
funcionamiento real.
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La mejor manera de controlar si el sistema funciona es la de comprobar la
llegada de energa elctrica de alto voltaje hasta la buja, debindose
verificar esta ltima por separado y con dispositivos especiales para ese fin.
Las fallas ms frecuentes, son la rotura o prdida de aislamiento de una
buja, y se manifiesta por un funcionamiento desparejo a un rgimen o en
todo rgimen de marcha del motor. Si hubiera una discontinuidad elctrica
de algn arrollamiento o del cable de buja, la falla sera total, no
produciendo el encendido de la mezcla en el cilindro en cuestin. Los
circuitos electrnicos componentes tambin son susceptibles de falla y
deben ser inspeccionados por personal especializado.
La reparacin del sistema al igual que en los sistemas convencionales, se
limitan a la verificacin del sincronismo del encendido y al reemplazo de los
componentes daados, ya que todas las reparaciones deben ser realizadas
por personal idneo en electricidad y electrnica y con instrumental de
taller.
2.1.3.4 Sistema elctrico: La funcin del sistema elctrico es mantener el flujo
constante de corriente, ahora bien se puede observar que con relacin
al motor, su participacin no es de mucha importancia ya que el motor
no funciona con corriente, aunque se necesita para darle arranque al
motor, su participacin no se extiende ms all.
En el sistema elctrico se encuentra los siguientes elementos:
Arranque o starter: Es el encargado de prender el motor
Alternador: Es el encargado de cargar la batera, ya sea de 12 o 24 voltios, y adems convierte la corriente alterna en corriente directa.
39
Regulador de voltaje: Es el encargado de mantener el voltaje constante en el sistema.
Regulador de sobre voltaje: Es el encargado de suplir al regulador de voltaje en caso de que este falle.
Batera: Es el encargado de cargar la energa, las hay de dos tipos de acido para los motores a pistn y de nquel para los motores a reaccin.
Switches: Son encargados de servir de puente en el sistema elctrico.
Breaker: Son los encargados de prevenir el sobrepaso del amperaje.
Fusibles: Sirven de resistencias para los sobrepasos de voltaje, esto para que el dao no se produzca directamente en alguna parte importante del
sistema elctrico sino para que el dao caiga en los fusibles, son como
escudos para el sistema elctrico.
Ampermetro: Es el encargado de medir el amperaje, sea la corriente que est pasando por determinado dispositivo.
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3. DISEO METODOLGICO
3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIN
El presente proyecto est enfocado a la investigacin Emprico-analtica, ya que el
inters del proyecto es tcnico, orientado a la interpretacin y transformacin del
mundo material.
3.2 LNEA DE INVESTIGACIN DE USB / SUB-LNEA DE FACULTAD /
CAMPO TEMTICO DEL PROGRAMA
Campo temtico del programa de ingeniera aeronutica.
Motores.
Lnea de investigacin de la universidad.
Tecnologas actuales.
La sub-lnea de investigacin de la facultad:
Instrumentacin y control de procesos.
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3.3 TCNICAS DE RECOLECCIN DE INFORMACIN
Para el proceso de investigacin, se recurri como primera medida a la literatura
disponible en centros como la biblioteca de la Universidad de San Buenaventura,
biblioteca Luis ngel Arango, biblioteca Nacional, as como algunos libros de
bibliotecas privadas y libros afines. Una vez se reuni el material en torno al
funcionamiento de los diversos sistemas del motor y de los diversos instrumentos
de medicin del banco se procedi a seleccionar el instrumental que se considero
necesario para realizar las mediciones bsicas en el laboratorio.
Al concluir la primera parte de la investigacin se inicio el proceso de diseo del
banco de pruebas, configuracin del tipo de sistema de freno a utilizar en el banco
y de la configuracin del panel de carga. Al finalizar este diseo se realizan los
clculos estructurales de la seccin de pruebas y por ltimo se desarrolla la
metodologa y programacin para el diseo bsico de un motor de cuatro tiempos.
42
4. DESARROLLO INGENIERIL - METODOLOGA BSICA PARA EL DISEO DEL MOTOR DE CUATRO TIEMPOS
El proyecto al ser totalmente terico no fue posible realizar mediciones con el
banco en operacin, debido a que la construccin de este, se llevara a cabo en la
segunda fase de desarrollo por el grupo de investigacin GIMOC.
En la investigacin terica, se presentan las ecuaciones generales para
determinar las diferentes variables de motor
4.1 PROPIEDADES GEOMTRICAS DE LOS MOTORES DE CUATRO TIEMPOS
Para comenzar a realizar los clculos de los parmetros bsicos del motor se
debe definir diferentes aspectos, primero se toma como modelo al motor AMC 200
el cual es el prototipo a desarrollar.
En segunda estancia se toman los datos iniciales de la ficha tcnica dada por
fabricante del motor, que en su defecto, de no tenerla se tendra que realizar una
tabla de especificaciones de motores similares al propuesto, para as poder
obtener los datos deseados.
Tabla 1. Ficha tcnica motor AMC 200
Tipo Cruiser
Tipo de motor Mono cilndrico 4 tiempos
Cilindraje 198 cm3.
Dimetro por carrera 69 x 53 mm
43
Relacin de compresin 9,2 a 1
Potencia mxima 15 HP / 9000rpm
Sistema de refrigeracin Por aire y radiador de aceite
Fuente: AMC Motorcycles, Wind speed 200cc. Disponible en: http://www.amc-
motos.com/
Donde el dimetro y carrera del pistn son:
4.1.1 Relacin carrera del pistn dimetro: Para motores cuya relacin
carrera - dimetro del pistn es menor a la unidad, como es el caso, se conocen
como motores supe cuadrados: (ecuacin 1) 2
Tambin se asumen condiciones atmosfricas estndar a nivel del mar como:
2 Y. Calventus. Tecnologa energtica y medio ambiente II. Universidad Politcnica de Catalua. Barcelona: UPC, 2006: p. 19. ISBN:84-8301-849-7
44
4.1.2 Desplazamiento del motor: Es uno de los principales clculos que se
deben realizar para determinar las caractersticas de un motor a cuatro tiempos. El
desplazamiento del motor es el volumen desplazado por el motor en un ciclo
completo de trabajo, equivalente a dos vueltas en el eje del motor. (Ecuacin 2)3
= Volumen desplazado.
= Dimetro del cilindro.
= longitud de de carrera.
= Desplazamiento del motor.
Numero de cilindros
4.1.3 Relacin de compresin: Es la relacin del volumen desplazado por el
cilindro y el volumen de la cmara de combustin, sea es la relacin existente
entre el volumen total del aire desplazado y el volumen de la cmara de
combustin. Que para este motor, segn la (tabla 1) es de 9,2. (Ecuacin 3)4
,
3 ESCOBAR Arnold. Metodologa de diseo para motores de pistn de dos tiempos: Volumen desplazado. Bogot: Editorial Bonaventuriana, 2009, p.59. ISBN:978-958-8422-20-6
4H.CROUSE William. Mecnica de la motocicleta: Relacin de compresin. Barcelona: McGraw-Hill,2004, p.78. ISBN: 84-267-0850-1
45
Volumen del cilindro
Relacin de compresin = 9,2
Volumen de la cmara de combustin
Figura 4. Geometra del cilindro, pistn, biela, cigeal
Fuente: Y. Calventus, R. Carreras. Tecnologa energtica y medio ambiente II, primera edicin. Capitulo 1.Barcelona:Edicions UPC,2006. p 17.
46
4.1.4 Relacin biela - manivela - carrera- dimetro: La relacin del dimetro del
cilindro y la carrera del pistn (distancia comprendida entre el punto muerto inferior
y el punto muerto superior): (ecuacin 4)5
Y la relacin de la longitud de la biela con la longitud de la manivela:
Adems, la carrera y la manivela estn relacionados por: L = 2 por tanto
Los valores tpicos de estos parmetros en motores medianos y pequeos, segn
Heywood6, son: y y aplica para motores de combustin
interna alternativos a gasolina. Se asumi ya que el motor AMC200 por su
dimensin est catalogado como motor mediano para as obtener el valor
aproximado de la longitud de la biela.
5 Y. Calventus, Op.Cit., p.20
6 Heywood. Internal Combustion Engine Fundamentals. New York: McGraw Hill, 1988. p.43
47
4.1.5 Velocidad media del pistn: Es la velocidad aproximada a la real, que
lleva el pistn dentro del cilindro. (Ecuacin 5)7
4.1.6 Fuerza media que desarrolla la manivela por el pistn: Es la fuerza que
realiza la manivela la cual va conectada directamente con el pistn. (Ecuacin 6)8
4.1.7 Porcentaje de espacio muerto: Los cilindros de los compresores siempre
se fabrican con espacio muerto; esto es necesario para evitar el golpe del embolo
contra la tapa al llegar este a la posicin extrema.
El volumen del espacio muerto habitualmente se aprecia en proporciones o
porcentajes de volumen de trabajo del cilindro y se llama volumen relativo del
espacio muerto: (Ecuacin 7)9
7LVAREZ Jess. Motores alternativos de combustin interna: Caractersticas operativas del motor. Edicions UPC, 2005. p. 100. ISBN:84-8301-818-5
8 Ibid., p.96-98
9 J. KATES Edgar. Motores diesel y de gas de alta compresin. Segunda edicin. Barcelona: Editorial Revert, 1981: p. 205. ISBN:84-291-4837-X
48
4.2 PROPIEDADES TRMICAS Y PARMETROS DE FUNCIONAMIENTO:
Los coeficientes politrpicos estn dados segn el ciclo de trabajo trmico en el
cual se est trabajando por tanto:
En compresin;
En expansin; 1,4 El poder calorfico a volumen constante ser:
Y la constante de los gases ideales ser:
4.2.1 Eficiencia trmica: En un motor de pistn donde el combustible es
gasolina, no se alcanza un 100% de la eficiencia trmica. Es decir, no puede
aprovechar todo el calor generado por la combustin para transformarlo en fuerza
motriz, ya que los motores de combustin interna a gasolina aproximadamente
solo el 30% de la energa calrica que disponen, la transforman en movimiento y
la otra parte la disipan (prdida), hacia la atmsfera. (Ecuacin 8)10
10 LVAREZ Jess. Op. Cit., p. 57
49
4.2.2 Temperatura al final de la compresin: Despus de la etapa de admisin
el pistn presiona el flujo y como este no tiene por donde escapar, se genera un
aumento significativo de temperatura. (Ecuacin 9)11
Donde es la temperatura a la entrada del motor
4.2.3 Calor agregado por unidad de masa: Es tambin llamado calor especfico
a volumen constante y es la cantidad de calor cedido o liberado por un gramo de
una sustancia, para variar su temperatura en un grado. (Ecuacin 10)12
Donde es el calor calorfico a volumen constante del aire
t2
11 MORAN Michael. Fundamentos de termodinmica tcnica. Segunda edicin. Barcelona: Editorial revert. 2004: p.438. ISBN:84-291-4313-0
12 J. KATES Edgar. Op. Cit. P. 169
50
4.2.4 Trabajo por unidad trmica: Es la cantidad de calor real cedida por el
motor para generar trabajo. (Ecuacin 11)13
4.2.5 Potencia mx.: Cantidad de trabajo realizado por unidad de masa.
(Ecuacin 12)14
4.2.6 Flujo de masa mx.: Para obtener la cantidad de flujo msico entrante en
un motor es necesario conocer las condiciones a las que est expuesto en el
exterior. (Ecuacin 13)15
Velocidad de giro = 9000 rpm = 150rev/s
13 Y. Calventus, Op.Cit., p.35
14 LVAREZ Jess. Op. Cit., p. 245
15 Ibid., p. 245
51
Reemplazamos en anteriores ecuaciones
4.2.7 Presin media efectiva: La es una medida muy til del
funcionamiento relativo del motor y se obtiene dividiendo el trabajo por ciclo, por el
volumen desplazado en el cilindro por ciclo. (Ecuacin 14)16
Es el trabajo por ciclo
Realiza un ciclo cada dos revoluciones del rbol motor = 2
El ciclo se realiza en cuatro carreras del pistn y realiza un ciclo cada dos
revoluciones del rbol motor.
16 J. KATES Edgar. Op. Cit. p. 205.
52
La presin media efectiva mxima al freno ya est prefijada para un motor bien
diseado y es prcticamente constante en un amplio rango de tamaos de
motores.
4.2.8 Potencia indicada: Es la potencia desarrollada dentro del cilindro del
motor, por la expansin de los gases de la combustin. Es decir la potencia
indicada por los ciclos son usados para expulsar los gases de escape e inducir
carga fresca. (Ecuacin 15)17
La potencia indicada es mayor que la potencia en el eje dentro del cilindro
Parte de esta potencia es necesaria para vencer la friccin de las partes mviles
de la mquina (perdidas mecnicas), mover los elementos y accesorios, cargar el
aire fresco dentro del cilindro en la carrera de admisin y expulsar los gases
residuales en la carrera de escape.
4.2.9 Rendimiento mecnico: Algunos valores tpicos del rendimiento mecnico
a plena carga son cerca del 90% para regmenes en torno a 1800 2400 rpm,
disminuyendo al 75% cuando el motor alcanza la mxima velocidad nominal. A
medida que se rebaja la carga en el motor, disminuye el rendimiento mecnico,
llegando a valer cero eventualmente en operacin al ralent18.
17 H.CROUSE William. Op. Cit., p. 80
18 HEYWOOD. Op. Cit., p. 254
53
4.2.10 Potencia al freno: Es la potencia real que produce el motor, sea la
potencia disponible en el eje de una mquina se conoce como la potencia al freno.
(Ecuacin 16)19
4.2.11 Rendimiento volumtrico: El sistema de admisin, compuesto
generalmente por: el filtro de aire, carburador y mariposa, colector de admisin,
puerto de admisin y vlvula de admisin; restringe la cantidad de aire que un
motor puede inducir. Un factor importante que influye en la disminucin de aire
que entra al motor es el poco tiempo que tiene de apertura las vlvulas de
admisin debido a las altas RPM. Por este motivo se realiza un adelanto en la
apertura de la vlvula de admisin antes de que el pistn comience el descenso o
carrera de admisin hacia el punto muerto inferior. Se suele emplear entonces, el
rendimiento volumtrico , como parmetro que indica la efectividad del proceso
de llenado del cilindro en el motor. ste se usa solo con motores de cuatro
tiempos los cuales tienen un proceso distinto de induccin. (Ecuacin 17)20
19 H.CROUSE William. Op. Cit., p. 79
20 J. KATES Edgar. Op. Cit., p. 212
54
4.2.12 Consumo especfico de combustible: Es un parmetro muy utilizado
porque relaciona el flujo msico de combustible por unidad de potencia de salida,
lo que representa una medida de la eficiencia de un motor, usando el combustible
suministrado para producir trabajo. Para poder calcular este parmetro es
necesario conocer de ante mano el flujo msico y la potencia por tanto:
(Ecuacin 18)21
Donde el flujo msico est relacionado directamente con: (Ecuacin 18)22
La masa del combustible es:
Por lo tanto el consumo especfico de combustible es de:
21 LVAREZ Jess. Op. Cit., p. 98
22 BEDFORD Anthony. Dinmica: mecnica para ingeniera: Pearson Educacion, 2000: p.220
55
4.2.13 Medicin del torque mximo: Es el momento de de fuerza del motor o
par motor que se ejerce sobre el eje de transmisin de potencia. La potencia
desarrollada por el motor es proporcional a la velocidad angular o frecuencia
rotacional del eje de transmisin.
La potencia elctrica seria igual al torque en (N*m) por la velocidad angular
(rotacional) que estara dada en (rad/s) y es de esta ecuacin de donde podemos
despejar el torque, ya que los otros dos valores ya son conocidos. (Ecuacin 19)23
23 PRADO Santiago. Calculo diferencial para ingenieros. Mxico: Pearson, 2006. p. 425. ISBN:970-26-0803-1
56
4.3 FUNCIONAMIENTO GENERAL DEL BANCO DE PRUEBA
En la seccin de prueba se encuentra acoplado el motor AMC200 con una salida
mxima de 9000 RPM a un reductor de velocidad el cual reduce a 1800 RPM
siendo esta la velocidad mxima de entrada al generador elctrico el cual esta
acoplado al mismo reductor velocidad pero en su salida.
El generador est conectado elctricamente con el panel de carga donde se
encuentran 14 resistencias de 800 W y una de ellas es regulada por un dimer. Al
energizarse todas las resistencias al tiempo, se frenara totalmente el rotor del
generador elctrico y por ende el eje del motor AMC200.
Estas resistencias son monitoreadas desde el panel de instrumentos por medio
de interruptores y de un Dimer (regulador de intensidad de voltaje) los cuales
regulan la cantidad de carga que se desee aplicar.
Despus de encendido el motor se fija la mxima velocidad rotacional de 9000
RPM, por lo tanto el generador tambin gira con su mxima velocidad, se
comienza a cargar el generador por medio de los interruptores y el dimer de cada
una de las resistencia dependiendo de las revoluciones que se quieran fijar en el
motor, para poder empezar a realizar las pruebas experimentales de los diversos
parmetros que se deseen calcular.
4.4 CLCULO BSICO PARA EL DISEO DE MOTORES
CUATRO TIEMPOS
El programa para el clculo de parmetros bsicos de un motor de cuatro tiempos,
toma los datos suministrados por el fabricante y resuelve fcil y rpidamente las
incgnitas que el estudiante desee obtener y as poder hacer la comparacin con
los datos que se obtengan de las prcticas experimentales.
57
Las siguientes tablas muestran los diferentes parmetros termodinmicos del
motor, calculados tericamente en funcin a los datos del prototipo AMC 200.
En la primera tabla se encuentran los datos iniciales con los cuales se comienza a
resolver los parmetros incgnita que se deseen calcular, tales como:
desplazamiento del motor
volumen de la cmara de combustin
relacin dimetro-carrera
velocidad media del pistn
temperatura al final de la compresin
eficiencia trmica
flujo msico de aire de entrada
temperatura max
presin media efectiva
potencia indicada
potencia al freno
rendimiento volumtrico
flujo msico de combustible
consumo especfico de combustible
Torque
58
Tabla 2. Metodologa bsica del diseo de un motor de cuatro tiempos, programada en EXCEL. Parmetros iniciales
PARMETROS INICIALES IDENTIFICACION VALOR UNIDADES
TIPO DE MOTOR TM Monocilindro adimensional CILINDRAJE CIL 198 [cm3] DIMETRO DEL CILINDRO d 0,069 [m] CARRERA DEL PISTN L 0,053 [m] RELACION DE COMPRESIN
Rc 9,2
adimensional
FRECUENCIA ROTACIONAL n 9000 [RPM] POTENCIA MAXIMA POTENCIA max 15 [HP]
NMERO DE CILINDROS N 1
adimensional
CONSTANTE POLITRPICA DE EXPANSIN
Ke 1,4
adimensional
CONSTANTE POLITRPICA DE COMPRRESIN
Kc 1,2
adimensional
CAPACIDAD CALORFICA Cv 1004 [J/(kg*K)]
CONSTANTE DE LOS GASES IDEALES
R 287
[J/(kg*K)]
REVOLUCIONES POR CICLO n' 2 adimensional PRESIN ATMOSFRICA P1 101325 [Pa] TEMPERATURA AMBIENTE T1 288,16 [K] CONSTANTE RELACIN BIELA MANIVELA
z 4 adimensional
RENDIMIENTO MECNICO nmec 0,75 adimensional
MASA DEL COMBUSTIBLE Mcom 3,15E-06 [kg]
DENSIDAD ESTANDAR DEN 1,225 [kg/m3]
Area del cilindro/pistn AV2 0,003739289 [m2] Volumen del cilindro V2 0,000198182 [m3] Relacin biela-carrera a 0,0265 [m] Potencia mxima en watts POT max 11190 [W]
Trabajo por ciclo We 149,2 [J]
Fuente: Autor.
59
Tabla 3. Metodologa bsica del diseo de un motor de cuatro tiempos. Programada en EXCEL: Parmetros a calcular.
PRAMETRO A CALCULAR IDENTIFICACION VALOR UNIDADES
RELACIN CARRERA DEL PISTN DIMETRO 0,768115942 adimensional DESPLAZAMIENTO DEL MOTOR Dm 0,000198182 [m3]
VOLUMEN DE LA CAMARA DE COMBUSTIN V1 2,41686E-05 [m3]
RELACIN DIMETRO-CARRERA Rbs 1,301886792 adimensional
BIELA l 0,106 [m]
VELOCIDAD MEDIA DEL PISTN U 15,9 [m/s]
PORCENTAJE DE ESPACIO MUERTO e 10,86956522 [%]
FUERZA MEDIA QUE DESARROLLA LA MANIVELA POR EL PISTN
Pm 2,811320755 [N]
TEMPERATURA AL FINAL DE LA COMPRESIN T2 530,2144 [K]
EFICIENCIA TRMICA ef 0,72826087 adimensional
CALOR AGREGADO POR UNIDAD DE MASA Qh 1131,037624 [J/kg]
TRABAJO POR UNIDAD TERMICA W 823,6904438 [Nm/kg]
FLUJO DE MSICO DE AIRE DE ENTRADA m 0,018210725 [kg/s]
TEMPERATURA MAX T3 2107,672732 [K]
PRESIN MEDIA EFECTIVA Pme 751,8328896 [J/m3]
POTENCIA INDICADA POTind 11,175 [W]
POTENCIA AL FRENO POTfreno 8,38125 [W]
RENDIMIENTO VOLUMTRICO nv 100.0149521 %
FLUJO DE MSICO DE COMBUSTIBLE FMC 0.00023625 [kg/s]
CONSUMO ESPECFICO DE COMBUSTIBLE gef 2.11126E-05 [kg/s*W]
Fuente: Autor.
60
5. DESARROLLO DEL PROYECTO
Despus de investigar sobre el tipo de instrumentacin necesario para monitorear
el funcionamiento del un motor y poder hacer posible la realizacin de pruebas
didcticas en el laboratorio, se realizo un estudio acerca del funcionamiento de los
diferentes sistemas del motor y de los diversos instrumentos de medicin
montados en los vehculos, se procedi a seleccionar el instrumental que se
considero necesario para realizar las mediciones bsicas en el laboratorio.
Es conveniente aclarar que para la realizacin de la investigacin no se logro
encontrar un documento relacionado directamente con mediciones de laboratorio
en motores de cuatro tiempos o con diseo de bancos de pruebas.
El banco de pruebas desarrollado es fundamentalmente un panel de control, un
panel de carga y una seccin de pruebas, el cual efecta experiencias didcticas
del motor de cuatro tiempos, marca AMC, que tiene las siguientes
especificaciones:
Tipo: Cruiser
Tipo de motor: Mono cilndrico 4 tiempos
Cilindraje: 198 cm3
Dimetro por carrera: 69 x 53 mm
.
Relacin de compresin: 9,2 a 1
Potencia mxima: 15 HP / 9000 RPM
Sistema de refrigeracin: Por aire y radiador de aceite.
61
5.1 INSTRUMENTACIN DEL BANCO DE PRUEBA
Para el anlisis experimental de los motores de combustin interna, se debe
disponer de elementos de medicin, en este caso para el banco de prueba del
motor AMC200 se utilizan sensores digitales por su mayor exactitud y su fcil
operacin.
Figura 5. Panel de control
Fuente: Autor.
5.1.1 Dispositivos para el panel de control: El panel de instrumentos se halla
localizado en la parte frontal del panel de control, el cual va anclado a la mesa por
medio de tornillos en sus extremos, los dispositivos de medicin y control se
encuentran distribuidos sobre el este mismo panel.
62
Para un banco de prueba se requiere un mnimo de instrumentos para poder
efectuar las mediciones pertinentes, tanto en el panel de control como en la
seccin de pruebas del motor. Para el panel de control tenemos los siguientes
sensores:
Tacmetro.
Indicador de temperatura.
Vacumetro.
Voltmetro.
Ampermetro.
Balanza digital.
Cronometro.
Vaso con graduacin de nivel.
Adems de los anteriores instrumentos de adquisicin de datos, se instalan en el
panel de control los siguientes accesorios:
Dimer de 800 watts.
Interruptores.
Caja de conexiones elctricas.
Contacto maestro y pulsador de corte de funcionamiento.
Por ltimo se instala un enmallado de proteccin al panel de carga, el cual asla
las resistencias del contacto del operario. Los dispositivos se clasificaron de la
siguiente forma:
Porcentaje de viabilidad: Para cada uno de los dispositivos que se van a instalar en el banco, se presentan tres opciones, las cuales estn
expuestas en tablas de porcentaje de viabilidad. Los dispositivos que se
63
encuentran en estas tablas cumplen con las caractersticas deseadas para
el correcto funcionamiento en el banco, su porcentaje de viabilidad se basa
en varios aspectos como son: el precio, la exactitud de medida y la facilidad
de adquisicin. Como el precio y la exactitud de los dispositivos son
similares en cada una de las tablas, el aspecto sobresaliente para
escogerlo fue la facilidad de adquisicin en el mercado.
5.1.1.1 Tacmetros (medidor de la velocidad rotacional): El rgimen de giro
del motor debe ser medido con el fin de poder determinar la potencia producida
por el mismo en un instante dado de tiempo.
Tipos de tacmetros: Existen tacmetros que dan la lectura directa. Los
cuales pueden ser mecnicos, electrnicos o digitales.
Los tacmetros mecnicos funcionan basados en la fuerza que se ejerce a un resorte por medio de un mecanismo
giratorio y que marca la desviacin de una aguja sobre una
escala graduada.
Los tacmetros electrnicos poseen la ventaja de poderse colocar a cualquier distancia del banco, pudindose situar
dentro del panel de control. El tacmetro electrnico es un
pequeo alternador conectado al eje y cuando gira genera un
voltaje que es proporcional a la velocidad. En el tacmetro
electrnico se producen impulsos elctricos a una frecuencia
proporcional a la velocidad del eje. Estos impulsos llegan a un
contador que suma los impulsos en un corto periodo de
tiempo que es fijo. Estos tacmetros promedian la velocidad
dando una buena aproximacin. Otra aplicacin es la de
64
detectar una deficiente puesta a punto, ya que al presentarse
este caso, la aguja indicadora, presentara una oscilacin
errnea, al operar en marcha mnima o ralent, lo que puede
significar un excesivo avance del encendido o un mal reglaje
de la mezcla del carburador.
Los tacmetros digitales miden de manera exacta el nmero
de revoluciones de un objeto, y en la pantalla o LCD se puede
visualizar la velocidad de rotacin y numero de revoluciones,
es una herramienta de trabajo fcil de entender para
comprensin del operario.
Se presentan 3 opciones para escoger el tacmetro a utilizar en el banco y son las
siguientes:
Tabla 4. Tacmetros digitales
TACOMETROS CARACTERISTICAS
PORCENTAJE DE VIABILIDAD
BAJO MEDIO ALTO
INST
RUM
ENTO
S
AUTONICS MP5W4N
*Medidor de pulsos escalizables 5 dgitos Tipo Indicador * Rango Mximo del display 19999 99999 * Entrada A - B, NPN/PNP, 50 KHz Max. * Alimentacin para sensor 12VDC ,Alimentacin 1 00-240VAC *Dimensiones: w96X48mm
x
x
x
x
x
65
KUBLER Codix 524
*Tensin de alimentacin: 10-30 V DC, con proteccin de polari-dad inversa *Consumo de corriente: mx. 55 mA *Presentacin: 6 dgitos rojos de 7 segmentos de LED 8 mm [0,315 "] de alto *Dimensin: medidas 48 x 24 mm [1,89 x 0,945 "] segn la norma DIN 43 700; RAL 7021, gris *Mostrar temporizador de intervalo: 0,001 s ... 999999 h
x
x
x
x
x
AUTONICS LA7N
*Dimensin: medidas 48 x 24 mm [1,89 x 0,945 "] *Voltaje de entrada: H:6-240 VDC, L: 0-2 VDC *Batera de litio interna *precio
*Tipo de terminal de tornillo
*Pantalla de LCD
*Controlado por microprocesador
x
x
x
x
x
x
x
Fuente: Autor
Para el banco se escoge el tacmetro AUTONICS MP5W4N, con alimentacin de
100-240VAC, el cual est ubicado en el panel de instrumentos y conectado tanto
al sensor como -a la caja de conexiones elctricas. Se opta por el sensor de
proximidad inductivo PR124DP, de dimetro 12mm, con un alcance de 4mm y
alimentacin de 12 a 24VDC, Salida PNP NA, marca AUTONICS, el cual es
66
ubicado al lado del cigeal del motor a no ms de 4mm, para que el sensor
pueda tomar la seal se deben realizar cuatro puntos balanceados alrededor del
eje para que este sensor inductivo capte la seal por vuelta del cigeal.
Para ver el diagrama de conexiones y dimensiones ver Anexo A.
5.1.1.2 Medidor de flujo de combustible: Para obtener la relacin de
combustible real, y realizar el clculo del consumo del motor, se debe disponer de
una medida del caudal del combustible consumido. La rata con que el motor
consume el combustible se puede determinar de varias maneras.
Estas mediciones se pueden hacer por peso o por volumen, midiendo el tiempo
que tarda en desocupar un recipiente (deposito) o midiendo el peso del
combustible por medio de una balanza, con el fin de realizar una medida directa
de consumo en mililitros (ml) contra tiempo (t).
Tipos de medidor de flujo: Se usa un tanque pequeo graduado donde se
puede medir el consumo por diferencia de nivel del combustible. En este
tipo de medidor de flujo se conecta de manera adecuada un cronometro
que se activa cuando el liquido comienza a fluir.
El recipiente medidor (deposito), esta calibrado para que se pueda leer en:
volumen ml/s o en peso gr/s.
Por masa: Se toma el peso en masa de una cantidad fija de combustible en el recipiente que est ubicado sobre una balanza
electrnica, el cual se debe descargar a travs de un orificio hacia el
motor, a medida que se va consumiendo, su peso en masa va
disminuyendo. Este procedimiento se realiza por un tiempo
determinado el cual debe ser contabilizado.
67
Por volumen: Se basa en el principio de que la descarga de un fluido a travs de un orificio depende de la cabeza o altura de la superficie
sobre el orificio, por medio de la siguiente relacin:
Figura 6. Descarga de combustible desde el recipiente calibrado.
Fuente: Autor
(ml/s)
68
El orificio se utiliza para medir el caudal que sale de un recipiente o pasa a
travs de una tubera. El orificio en el caso de un recipiente, puede hacerse
en la pared o en el fondo. Es una abertura generalmente redonda, a travs
de la cual fluye lquido y puede ser de arista aguda o redondeada.
La ventaja de este mtodo es su alta sensibilidad para mostrar los cambios
que ocurren en el fluido.
Este accesorio puede tener una vlvula con tres posiciones:
- A la entrada de la bomba de gasolina
- Al tanque de la gasolina
- Al retorno de la bomba
Las tres posiciones de la vlvula del medidor operan para su adecuado
funcionamiento. La marcha normal es la posicin intermedia, obturando el
retorno. Para el llenado es la posicin derecha permitiendo que el retorno
llene el vaso de nivel. Para la medicin de experimentacin se coloca la
perilla en la posicin izquierda donde por la variacin de volumen o peso se
puede tomar el combustible consumido en un determinado tiempo.
Para el banco de prueba se adapto un medidor de flujo ms sencillo pero
con el mismo principio del recipiente calibrado, el cual tiene una capacidad
de 2 litros de combustible y est montado sobre una balanza digital en el
panel de control, junto a l esta el cronometro de tiempo.
El recipiente es conectado a una manguera en el orificio ubicado en la parte
baja del mismo, desde all fluye combustible hacia la entrada del carburador
en el motor por efecto de la fuerza gravitacional.
Despus se fija un tiempo para realizar la prueba del consumo de
combustible. La densidad de la gasolina (sin plomo de 95 octanos) es de
aproximadamente 0.76 g/cm3 a diferencia de la del agua que es
69
aproximadamente 1 g/cm3
, por lo tanto el litro no equivale a un kilogramo
sino a 760 gramos. Ya que:
Masa= volumen * densidad
La densidad de la gasolina variar dependiendo de la clase de la misma, se
toma la gasolina de 95 octanos como una referencia para el clculo. Todas
las gasolinas tienen una densidad inferior a la de agua.
La balanza digital es un instrumento de medicin que se caracteriza por dos
rasgos fundamentales: su gran rango de pesaje y su capacidad para
obtener el peso con una precisin asombrosa
En cuanto a su estructura, esta conforman por un plato cuya funcin es la
del pesado, que adems es extrable, con lo cual la limpieza del aparato en
su totalidad podr ser ejecutada sin demasiadas dificultades (opcional).
Este instrumento va ubicado sobre la mesa del panel de control al costado
derecho del mismo y conectado a la caja de conexiones