Practica Otto 2 i 4T

 Enginyeria aeronàutica
Sistemes Propulsius
Laboratori
Motores de 2 y 4
tiempos
Otto
Xavier Matabosch
Grau en Enginyeria en
Vehicles Aeroespacials
Práctica 1: Motores OTTO de 4T y 2T
Angel Comas /Manel Quera /Ramon Carreras/Antonio Calvo
-2-
Lab. de Motors Tèrmics i Automòbils. ETSEIA Terrassa
Práctica 1: Motores OTTO de 4T y 2T
1.- MOTOR OTTO 4T
1.1- Características constructivas -3-
Fig. 1. 1 Motor Otto
El motor seccionado de la figura adjunta corresponde a un motor Otto 4T.
Identificar los siguientes componentes de dicho motor :
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Anillos -> 1
Árbol de levas de admisión -> 8
Árbol de levas de escape -> 9
Biela -> 3
Bujía -> 12
Bulón -> 4
Colector de admisión -> 7
Colector de escape -> 11
Inyector -> 6
Pistón -> 2
Válvula de admisión -> 5
Válvula de escape -> 10
Comentar brevemente de qué tipo de motor se trata : carburación o inyección, inyección
directa o indirecta, inyección unipunto o multipunto.
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1.2.- Describir brevemente el proceso de combustión y de regulación de par en un
motor Otto, utilizando los siguientes conceptos:
•
•
•
Mezcla estequiométrica
Regulación cuantitativa
Combustión homogénea
Se lleva a cabo una regulación cuantitativa. Se regula la cantidad de mezcla que
entra en el cilindro para mantener la mezcla estaquiométrica obtenida por
carburación o inyección.
En el cilindro se comprime la mezcla y cera del PMS se enciende por medio de
una bugía, iniciando una combustión homogénea.
1.3.- Identificar en la Fig. 1. 2
5
2
1
3
Carter (o deposito de aceite)
Válvulas
Árbol de levas
Árbol de levas
6
7
8
4
cigüeñal
Biela
Engranajes y caja cambios
Correa distribución
Fig. 1. 2
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1.4.- Identificar en la figura Fig. 1. 3
6 Muñequillas o codos
5 Contrapesos
4 Muñones principales
2
1
3
-5-
Conducto de aceite
Apoyo del cigüeñal
Contrapeso
Fig. 1. 3 Cigüeñal
1.5.- Determinar en el motor Seat despiezado los siguientes parámetros :
a) Carrera [mm]
70
b) Diámetro del cilindro [mm]
73
c) Relación carrera/diámetro [k]. (¿es supercuadrado, cuadrado o alargado?)
k = 70/73 = 0,9589
Vemos que, aunque no demasiado, k es inferior a 1 con lo que el motor es
supercuadrado o de carrera corta. Cabe comentar pero, que es posible que exista un
cierto error en la mesura y que en realidad el motor sea cuadrado.
d) Relación manivela/biela [λ]
λ = 60/130 = 0,5
e) Cilindrada unitaria y total [cm3]
Vdu = ¼ · π D2 · S = 292,98 cm3 -> Vd = 1171,91 cm3
f)
Si el cigüeñal gira a 4000 rpm, determinar la velocidad de giro del árbol de
levas (rpm) y la velocidad media del émbolo (m/s)
𝑉!" = 4000
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= 9,33 𝑚/𝑠
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1.6.- Determinar en el motor Renault seccionado los siguientes parámetros:
a) Carrera [mm]
90
b) Diámetro del cilindro [mm]
82
c) Relación carrera/diámetro [k]. (¿es supercuadrado, cuadrado o alargado?)
k = 90/82 = 1,098
k > 1, se trata pues de un motor de carrera larga.
d) Relación manivela/biela [λ]
(no se pudieron obtener los datos para la mesura de este parámetro)
e) Cilindrada unitaria y total [cm3]
Vdu = ¼ · π D2 · S = 475,29 cm3 -> Vd = 1901,17 cm3
f)
Si el cigüeñal gira a 4000 rpm, determinar la velocidad de giro del árbol de
levas (rpm) y la velocidad media del émbolo (m/s)
𝑉!" = 4000
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·
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·
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·
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! !"##.
= 12 𝑚/𝑠
1.7.- Comparación Motor Seat – Motor Renault
Enumerar, como mínimo, tres diferencias constructivas básicas entre los dos motores.
Comenta la evolución tecnológica que suponen estas diferencias, desde el motor Seat (1970
aprox ) al motor Renault ( 2009 ).
Cuando Seat fabricava sus propios motores los coches funcionaban con carburador,
mientras que en los Renault actuales, mucho más desarrollados, se utiliza el sistema de
inyección per a conseguir una mescla con la relación de aire i combustible necesaria más
precisa.
Los motores Seat se alimentaban mediante el uso de dinamos, cosa que ya no se suele
utilizar en la actualidad. El motor Renault se alimenta con un alternador del mismo modo
que la mayoría de coches actuales.
Otra diferencia es el sistema de encendido del motor. En el Seat se hacia a través de un
delco que era una frecuente fuente de fallos técnicos. Los Renault utilizan un sistema
electrónico mucho más preciso que y que presenta menores fallos que el anteriormente
comentado.
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2.- MOTOR OTTO 2T
1.
Localizar en la maqueta los siguientes elementos:
Motor: Cilindro, cámara de explosión, culata, pistón, deflector, bulón, segmentos de
compresión, segmentos de engrase (aros rascadores de aceite), biela (señalar el pie,
cuerpo y cabeza de biela), casquillo o cojinete de pie de biela, cigüeñal, casquillo entre
biela y cigüeñal, muñequilla o codo de cigüeñal, apoyos cigüeñal, contrapeso, volante,
cárter, lumbreras de admisión y escape, conducto de carga o transfer, bujía
2.
Identificar en la Fig.1.5
Lumbrera de transferencia -> 6
Culata -> 1
Orificios sujeción motor -> 7
Lumbrera de escape -> 4
Lumbrera de admisión -> 5
Carter -> 3
Bloque -> 2
Fig. 1. 5 Motor de 2T
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3.
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Observar el funcionamiento y la transferencia del fluido motor durante el ciclo.
Alimentación y encendido: carburador, cuba, flotador, válvula de aguja, surtidor,
difusor, válvula de mariposa (¿cómo se acciona?), bujía.
El funcionamiento del motor Otto se basa en dos fases: la fase de admisióncompresión y la fase de explosión-escape. En la primera el pistón sube desde el punto
muerto inferior hasta el superior, y se pueden definir en diferentes intervalos
características. Así pues primero se cierra la lumbrera de transferencia, mientras el
proceso de expulsión de los gases de la anterior combustión sigue en realizándose a
través de la lumbrera de escape. Posteriormente el pistón cierra la lumbrera de escape.
Por último el pistón realiza la compresión final de la mezcla aire-combustible encerrada
en el cilindro, hasta llegar al PMS. Poco antes del PMS la bujía genera la chispa que
iniciará el proceso de combustión. En cuanto a la segunda fase, la de explosión-escape,
la carrera descendente se puede dividir en varios intervalos característicos. En el primer
tramo el pistón situado en el PMS inicia la carrera descendente de expansión de los
gases calientes, a la vez que en la cámara inferior del cilindro (cárter) hay una entrada
de aire-gasolina por la lumbrera de admisión. Seguidamente, el pistón cierra el paso de
la mezcla aire-combustible a través de la lumbrera de admisión, realizando la precompresión de la mezcla situada en el cárter. Posteriormente al seguir el pistón con su
descenso la lumbrera de escape queda abierta iniciándose así el proceso de expulsión de
los gases de combustión. Por último, el pistón desbloquea la lumbrera de carga,
iniciando el traspaso de la mezcla aire-combustible desde el cárter al cilindro, mientras
sigue el proceso de escape o barrido de los gases de combustión.
Carburador: Es el primer equipo de preparación de la mezcla de aire-gasolina
que se inventó. Cuando el aire es aspirado por el pistón en su carrera descendente, pasa
por un filtro y posteriormente por un canal decreciente, que mediante el efecto Venturi
provocado por la depresión permite succionar la gasolina hallada en una cuba de nivel
constante a través de un tubo calibrado o surtidor.
Cuba: Consiste en un deposito adosado al difusor, donde hay una boya que
permite mantener el nivel de gasolina constante.
Flotador: Elemento que tiene menor densidad que la gasolina i por tanto flota
sobre esta. Al flotar permite tener una referencia del nivel de gasolina en el depósito, de
forma que si el nivel baja, esta bajará. Así pues permite controlar el nivel al abrir o
cerrar el paso al subir o descender el nivel de líquido.
Válvula de aguja: Válvula conectada con la bolla, de forma que se va abriendo
conforme la bolla baja (y por tanto conforme el deposito se vacía) y se cierra conforme
el nivel sube i por tanto la bolla con él.
Surtidor: Tubo calibrado que conecta el difusor con la cuba.
Difusor: Canal de sección decreciente que provoca el efecto Venturi.
Válvula de mariposa: Es una válvula que regula la cantidad de mezcla que llega
al motor mediante estrangulamiento. Esta es accionada mediante el pedal de aceleración
(pedal de gas)
Bujía: Como ya se ha apuntado anteriormente es el elemento encargado de
producir la ignición de la mezcla aire-gasolina mediante un arco eléctrico.
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4.
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Suponiendo que la maqueta representase un motor real a escala 1: 1, determinar:
(a) Carrera (mm)
50
(b) Diámetro (mm)
45
(c) Relación carrera/diámetro
k = 50/45 = 1.111
k > 1, se trata pues de un motor de carrera larga.
(d) Volumen cámara compresión (cc)
Vd = ¼ · π D2 · S =79,52 cc
(e) Cilindrada (cc)
V = Vd · N =79,52 · N cc
donde: N -> numero de cilindros
(f) Potencia fiscal española para motores de 4 tiempos: (cilindrada unitaria) 0,6. 0,08. nº
cilindros.
Pf = 0,08 (0,785 · D2 · R)0,6 · N
conde: Pf
->
Potencia fiscal
D
->
Diámetro del motor [cm]
R
->
Recorrido del pistón [cm]
(g) Relación volumétrica de compresión (o expansión)
𝜀=
𝑉!"# 𝑉! + 𝑉!"#
=
𝑉!"#
𝑉!"#
(h) Rendimiento térmico correspondiente al ciclo ideal de aire (Cte. politrópica aire k =
1,4)
𝜂! = 1 −
1
𝜀 (!!!)
(i) Si el motor girase a 7000 r.p.m. ¿Cual será la velocidad media de un émbolo
2𝑠𝑁 2 · 50 · 10!! · 7000
𝑣! =
=
= 11,67 𝑚/𝑠
60
60
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5.
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-
Con el auxilio de la maqueta, intuir la evolución de la presión en la cámara y
trazar un diagrama p = f(θ), siendo θ el ángulo de giro del cigüeñal. Indicar en él,
los puntos PMS, PMI, apertura y cierre de válvulas y encendido. A partir del
diagrama anterior trazar el ciclo indicado en coordenadas p-V y T-s y compararlo
con el ciclo Otto de aire normal (ideal).
En los ángulos de 0° i 360° estamos en el PMI donde el volumen es máximo,
por el contrario, en los 180° nos encontramos en el PMS donde el volumen es
mínimo. De 0º a 180° se produce la admisión juntamente con la compresión. El
encendido se produce a los 180° donde se llega al PMS. Finalmente la expulsión de
los gases juntamente con la expansión se producen en el intervalo 180º a 360°. Tal y
como podemos observar en la figura siguiente, existen ciertas discrepancias entre el
proceso real i el ideal que se comentaran seguidamente.
Podemos ver que, efectivamente, el ciclo real presenta una serie de perdidas
respecto del ideal:
Estas perdidas son principalmente debidas a:
− La Combustión no es instantánea, con lo cual no es isocora sino que tiene
cierta duración que se refleja en la gráfica como una corva en lugar de una
subida completamente vertical.
− El tiempo de apertura y cierre de las válvulas no es ~ 0 como es supone en el
cicle ideal sino que se accionan previamente para su correcto
funcionamiento.
− Perdidas de calor en las paredes que hacen que los procesos reales sean
politrópicos en lugar de ser adiabáticos como se considera en el ciclo ideal.
− Perdidas por per bombeo. En el ciclo ideal se considera que la admisión y el
escapamiento se producen a presión constante mientras que en la realidad no
sucede de este modo.
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6.
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-
¿Para que sirve el deflector?, Qué otro método se le ocurre la un pistón plano.
En los motores 2T, la función del deflector es la de orientar los gases de la
admisión de manera que por un lado empujen los gases de la salida hacia la
válvula de salida. A su vez, estos conductos hacen que la mayoría del gas que
entra por la válvula de entrada no salga por la válvula de escapamiento. Lo
comentado anteriormente es posible debido a la orientación del deflector.
Otro método posible par a la orientación de los gases en un pistón plano
seria introducir conductos de entrada de los gases repartidos por la cámara de
combustión de tal modo que, de un lado favorecerían la salida de los gases de
escapamiento, i al mismo tiempo se conseguiría reducir la cantidad de gas entrante
que se escapa por la válvula de salida.
7.
¿Por qué se mezcla la gasolina con el aceite?
Los motores Otto 2T no disponen de un cárter para lubricar el pistón, así
pues, y la lubricación se hace directamente con el combustible cuando este entra
en el cilindro.
8.
En el motor "Derbi" seccionado se observan únicamente dos segmentos idénticos y
sin embargo no dispone de un segmento rascador de aceite ¿cual es la razón?
La función del rascador de aceite es limpiar las paredes del cilindro de
posibles excesos de aceite lubricante. Como en un motor Otto 2T el lubricante se
mezcla previamente con el combustible, cuando se produce la combustión se
quema tanto combustible como lubricante, por lo tanto no es necesario limpiar el
exceso de aceite, porque no hay.
9.
Comentar la razón de las aletas y su disposición. ¿Es característica única de los
motores de dos tiempos?
Las aletas forman parte del sistema de refrigeración de algunos motores de
combustión interna de dos tiempos. Aumentan la superficie de contacto con el aire
favoreciendo de este modo a la refrigeración. En el proceso de combustión no
toda la energía generada se convierte en energía mecánica, ya que una parte se
disipa en forma de calor. De aquí viene la necesidad de un sistema de
refrigeración. No obstante, las aletas no son la única solución, sino que hay otras
alternativas:
-
Podemos encontrar el denominado diseño “Nido de abejas”,
donde el agua refrigerante circula por la parte externa y el aire por
la parte interna.
También hay otra alternativa compuesta por laminillas, pero no es
muy común debido a su fragilidad.
10. ¿Qué problemas y que ventajas presentan este tipo de motores?
La principal ventaja es su menor coste de fabricación comparado con el
“Nido de abejas”. Además no requiere de un sistema de mantenimiento muy
complejo.
Los principales problemas están relacionados con los materiales, puesto
que las temperaturas superan la temperatura de fusión de ciertos metales. También
presentan cierto rozamiento, aunque en comparación con las pérdidas térmicas es
prácticamente despreciable.
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