2012-4 Relación de compresión

UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA.
FACULTAD DE INGENIERIA.
TRABAJO PRÁCTICO Nº 1
AUMENTO DE POTENCIA
M0603 - PROYECTO DE MOTORES
COMISION
Borello, Gustavo (58152/9)
Dulbecco, Nicolás (57187/6)
Giminski, Fernando (56183/7)
Paz, Macarena (55036/2)
2012
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TRABAJO PRACTICO NRO. 1
AUMENTO DE POTENCIA
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OBJETIVO
En el presente trabajo se pretende hacer un análisis sobre una posible mejora para lograr
un aumento en la potencia de un motor de combustión interna naftero.
INTRODUCCION
El motor seleccionado para hacer referencia a lo largo del trabajo de aumento de
potencia es el motor de un Renault Gordini, este es un motor convencional naftero 4
tiempos, que posee 4 cilindros verticales en línea con dos 2 válvulas por cilindros a la
cabeza, enfriada por agua y lubricado por aceite a presión y en forma continúa.
El block es de fundición de hierro con camisas del tipo húmedas desmontables, la tapa de
cilindros es de aleación de aluminio, las válvulas son accionadas por medio de un juego
de balancines, comandado desde el árbol de levas por medio de botadores y varillas
impulsadores, datos técnicos a continuación:
Diámetro
Carrera
Cilindrada.
Relación de Compresión
Par máximo
Potencia máxima
Régimen máximo
58 mm
80 mm
845 cm³
7.75:1
6.2 kgm a 3300 rpm (28.6 CV)
36 CV a 4500 rpm (5.7 kgm)
5200 rpm
Por distribuidor de cierre hermético, con
Encendido
avance centrifugo y corrector al vacío
Por bomba mecánica a diafragma y
Alimentación de combustible
carburador con bomba de aceleración
Tabla 1.
Con estos datos podemos obtener cierta información del motor, como puede ser la
relación carrera-diámetro (
, que nos permite afirmar que se trata de un motor de
“carrera larga” es decir su carrera es mayor al diámetro del pistón. Las ventajas que
tienen estos tipos de motores son la de tener una mejor disipación de calor y que obtienen
un mayor rendimiento desde el punto de vista térmico de la cámara de combustión, como
contra principal podemos decir que presentan menor superficie para la ubicación de las
válvulas.
Para iniciar este análisis definimos el término potencia de un motor de combustión interna:
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Se ve claramente los tres factores primordiales que afectan al término potencia, estos son
la presión media efectiva (PME), el régimen de giro y la cilindrada.
El aumento de la potencia mediante el incremento de la cilindrada seria el camino más
fácil, pero en muchas ocasiones esto no se puede realizar, como en el caso de los autos
de carreras que deben renunciar generalmente a esta posibilidad debido a que los
reglamentos deportivos suelen limitar el volumen total del motor, y en nuestro caso al
tratarse de un motor con camisas flotantes no podemos aumentar la cilindrada ya que
debilitaríamos demasiado la resistencia de las paredes del cilindro.
Aceptando esta restricción, quedan otros recursos para obtener mejoras de potencia.
Elegimos para este trabajo la mejora de la presión media efectiva, mediante el aumento
de la relación de compresión. Por el momento no tocaremos el aumento de régimen de
giro ni la mejora del rendimiento orgánico, volumétrico o demás rendimientos, si bien son
sumamente importantes son demasiados extensos como para evaluar todos en un mismo
estudio.
PRESION MEDIA EFECTIVA
El principio de funcionamiento de los motores de combustión interna consiste en convertir
en trabajo el calor liberado por la combinación de oxigeno con el combustible, esto es lo
que mide el rendimiento térmico de un ciclo Otto.
La virtud de un motor de convertir cierta cantidad de calor en trabajo aumenta a medida
que se eleva el índice de compresión. Durante el ciclo de combustión el gas ejerce sobre
las paredes del cilindro que lo rodean una determinada presión, la que, naturalmente,
afecta también al pistón y es tanto mayor cuanto mas alta es la relación de compresión y
cuanto mas grande es la cantidad de mezcla aspirada.
Pero siendo que esta presión no es uniforme, sino que alcanza su punto máximo cuando
el pistón ha recorrido aproximadamente la quinta parte de su carrera descendente, se
utiliza a la expresión PME como sinónimo del promedio de todas las presiones.
La presión así engendrada hace que el pistón se desplace hacia abajo y produzca, a
través de la biela, una determinada fuerza en el muñón del cigüeñal, que no es otra cosa
que un brazo de palanca. Este momento de torsión, o par, es tanto mayor cuanto mas
elevada sea dicha presión, convirtiéndose en movimiento giratorio y, por lo tanto, en
trabajo útil y aprovechable. La presión media efectiva (PME) es tal vez el punto más
importante para aumentar la potencia de un motor desde el punto de vista práctico.
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La presión media efectiva máxima se da al mismo régimen que el del par máximo. El par
máximo a mediado régimen es siempre mayor que el correspondiente al régimen de
máxima potencia, donde el llenado ya no es “tan bueno” como a regímenes intermedios.
Calculamos los valores de nuestro motor:
La PME puede elevarse modificando el reglaje del árbol de levas, aumentando el número
(o diámetro) de los carburadores, incrementando el índice de compresión o introduciendo
otros cambios que conduzcan hacia el mismo objetivo.
Es importante señalar que lo que interesa, en beneficio de una mayor potencia, no solo es
la magnitud de la PME, sino también su ubicación dentro del diagrama de performance de
un determinado motor.
Esto implica que en un motor se tenga menos salida a regímenes bajos (menor
elasticidad) pero mayor respuesta en un alto régimen, o viceversa, la trasposición de la
mayor presión media efectiva se consigue modificando el reglaje del árbol.
AUMENTO DE LA POTENCIA INTERVINIENDO SOBRE LA RELACION DE
COMPRESION.
La relación o índice de compresión no es otra cosa que la relación entre el volumen total
de un cilindro más la cámara de combustión en relación con la cámara solamente.
La relación de compresión tiene una influencia nada despreciable sobre la potencia, pues
de ella depende el rendimiento térmico del motor. Dicho coeficiente es malo cuando la
compresión es baja y mejora a medida que la compresión aumenta, llegándose en la
practica a escasamente un 60% de rendimiento térmico con la máxima compresión útil
(16:1). Pasado este índice, el rendimiento comienza a declinar nuevamente, ya que las
piezas necesarias para soportar semejante presión se vuelven demasiado pesadas y su
gran masa neutraliza por completo la mayor potencia obtenible teóricamente.
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Tabla general en función de distintas relaciones de compresión y su correspondiente
aumento de potencia.
Relación de
compresión
3a1
5a1
7a1
8a1
9a1
10 a 1
11 a 1
12 a 1
13 a 1
14 a 1
15 a 1
Rendimiento
Aumento de potencia con
Térmico (%)
respecto del valor anterior (%)
29.0
37.0
27.5
42.0
13.5
45.0
7.0
47.0
4.5
49.0
4.1
51.0
3.8
52.5
3.0
53.6
2.0
54.5
1.8
55.1
1.2
Tabla 2.
Se puede ver que comprimiendo mas de 12:1 la ganancia es cada vez mas insignificante,
a cambio, lógicamente de una exigencia cada vez mas severa para pistones, bielas,
cojinetes y cigüeñal.
En nuestro caso tenemos una relación de compresión de 7.75:1 y tenemos el valor del
volumen de un cilindro por lo que podemos despejar el volumen de la cámara de
combustión. Este volumen no puede ser calculado por formula matemática ya que no
tiene una forma geométrica definida. Despejando obtenemos que la cámara tiene un
volumen de 31.3 cm³.
Si quisiéramos aumentar la relación de 7.5:1 a 10:1 el volumen de la cámara tendría que
ser de 23.48cm³, es decir tendríamos que disminuir la cámara en un 24.9%. Esto se
puede lograr rebajando el plano de la tapa de cilindros, colocando pistones de mayor
altura, rebajando el plano del block o una combinación de las tres anteriores, que seria lo
ideal para no sobrecargar ninguna pieza.
A medida que se aumenta la compresión mejora también la presión media efectiva, de
modo que para igual llenado, y con una relación de compresión mayor, se eleva la PME.
No hay una formula matemática que relacione la presión media efectiva con la relación de
compresión, pero por la experiencia y gran cantidad de trabajos de este tipo, podemos
decir de manera aproximada que con un aumento de compresión del tipo 7.75:1 a 10:1, la
presión media efectiva aumenta en un 9%, suponiendo que se mantienen inalterable los
demás factores, es decir se obtiene un aumento de potencia de igual porcentaje, por lo
tanto se consiguen sacarle unos 3.24 CV de potencia adicional. Este valor habría que
corroborarlo en un ensayo de banco de prueba, como los demás valores característicos.
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Valores que obtendríamos teóricamente con la modificación.
Original
Relación de Compresión
7.75:1
Par máximo
6.2 kgm
Potencia máxima
36 CV
Tabla 3.
Final
10.0:1
6.76 kgm
39.24 CV
Además del aumento de potencia, un incremento del índice de compresión conduce a un
aprovechamiento mejor de la energía contenida en el combustible, razón por la cual un
aumento de la compresión no solo se traduce en un par y una potencia mayor, sino que a
la vez implica una disminución del consumo específico (gramos por CV/hora). Se suele
tomar como regla, que el aumento de la potencia mediante el alza del índice de
compresión es inversamente proporcional al consumo específico de combustible, y
viceversa, todo ello gracias al mejor aprovechamiento del poder calorífico de la nafta.
De forma general y por ensayos, al aumentar la potencia aumentando la relación de
compresión, podemos afirmar que la exigencia mecánica de émbolos, bielas, pernos,
cigüeñal, etc., es siempre cuatro veces mayor que la potencia que acaba de ganarse. Es
decir que si aumentamos la potencia en un 9% esto provoca un incremento de los
requerimientos mecánicos ya existente en un 36%.
Esto involucra, naturalmente, un problema: todos los componentes afectados por el mayor
esfuerzo deben dimensionarse de manera de resistir sin inconvenientes la presión de
explosión resultante de la combustión, lo cual obliga a usar pistones, pernos, bielas y
metales capaces de soportar tales exigencias.
CONCLUSION
Como ya hemos dicho, nuestro objetivo primordial debe ser el de conseguir la mayor
PME posible, el incremento que se logra aumentando la relación de compresión es valido
y suele ser muy utilizado, pero este tiene limites bien definidos Por lo que se debe
encontrar el correcto balance entre aumento de potencia y aumento de esfuerzos, y
asegurarnos que las mismas se repartan en forma pareja sin crearle puntos que sean
concentradores de tensiones para no caer en daños irreversibles sobre el motor.
También es útil recordar que este factor depende, a su vez, del llenado. Cuanto mejor sea
la eficiencia volumétrica de un motor, tanto mayor será la cantidad de gas introducida en
el cilindro y tanto mas alta será, en consecuencia, la PME.