Document

Carlos Guardiola
Septiembre 2012
L1.- Pérdidas mecánicas. Lubricación
OBJETIVOS
 Identificar los diferentes tipos de pérdidas mecánicas en un MCIA
 Analizar los factores que más afectan a cada tipo de pérdidas, así
como las formas de reducirlas
 Conocer los diferentes métodos de medida de pérdidas mecánicas
 Analizar los sistemas de lubricación como forma de reducción de
las pérdidas mecánicas por fricción
 Conocer los diferentes tipos de sistemas de lubricación
 Conocer los requerimientos que se deben exigir a un aceite
lubricante
Carlos Guardiola
Septiembre 2012
L1.- Pérdidas mecánicas. Lubricación
CONTENIDO
 Introducción. Análisis de pérdidas
 Pérdidas por fricción
 Pérdidas por bombeo
 Determinación de pérdidas mecánicas
 Lubricación
 Resumen
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
R
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Septiembre 2012
L1.- Pérdidas mecánicas. Lubricación
INTRODUCCIÓN
 Pérdidas mecánicas: factores que causan que pmi > pme
 Existen diversos fenómenos que pueden ser incluidos dentro de
este grupo
 El valor de las pérdidas mecánicas es significativo, disminuyendo la
potencia en ~20% en el mejor de los casos
 Una de los principales factores son las pérdidas por fricción. La
existencia de fricción entre las piezas implica la necesidad de un
sistema de lubricación
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
R
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L1.- Pérdidas mecánicas. Lubricación
ANÁLISIS DE PÉRDIDAS
 La potencia medida en el eje es menor que el resultado de integrar
el diagrama de indicador
pme  pmi  pmpm
 El término de pérdidas mecánicas puede dividirse:
pmpm  pmR  pmb  pma  pmc
 Cuantificación:
m 
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
pme
pmpm
 1
pmi
pmi
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
e   m ·i
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
R
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L1.- Pérdidas mecánicas. Lubricación
ANÁLISIS DE PÉRDIDAS
 El rendimiento mecánico varía de forma considerable según el punto
de funcionamiento
 Valor máximo
 0.7~0.9
 A ralentí  0
 Pérdidas por accionamiento de auxiliares:
 Bomba de aceite, de agua, de combustible, alternador
 Ventilador del radiador, compresor aire acondicionado, aire secundario…
 Bomba de vacío, dirección asistida…
 Optimización: accionamiento discontinuo de los auxiliares
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
R
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L1.- Pérdidas mecánicas. Lubricación
PÉRDIDAS POR ROZAMIENTO
 Existen piezas en contacto que experimentan un movimiento
relativo
 Las pérdidas dependen del coeficiente de fricción y de la carga
normal
 En general, la existencia de una capa lubricante permite funcionar
en régimen hidrodinámico
 c 
f  f 0  f1 ·

 pL 
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
n
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
R
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L1.- Pérdidas mecánicas. Lubricación
PÉRDIDAS POR ROZAMIENTO
 Diagrama
de Stribeck
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
R
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PÉRDIDAS POR ROZAMIENTO
 Cojinetes:
 Esfuerzos según diagrama polar
 Las deformaciones aumentan la fricción
 20-30% de las pérdidas
 Segmentos:
 Funcionamiento crítico en PMS y PMI
 Segmento de compresión
 50-70% de las pérdidas
 Pistón:
 Cojinete oscilante
 Poco desgaste de la falda
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
R
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PÉRDIDAS POR ROZAMIENTO
 Considerando la contribución a la normal debida a:
 Peso de las piezas
Fp  K1  L3
2
 Fuerzas de inercia
Fi  K 2  L2  cm  (cos    cos 2  ...)
 Presión de los gases en la cámara
Fg  K 3  pmi  L2
Es posible deducir:
pmR   (C p L  Ci cm2  C g pmi) f
 Disminución de pérdidas de fricción:
 Aligerar piezas
 Aumentar juegos (pistón-cilindro y cojinetes)
 Pistones de falda corta
 Disminuir número de segmentos y tensión radial
 Eliminar deslizamientos
 Optimización aceite (f)
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
R
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PÉRDIDAS POR ROZAMIENTO
 Ejemplo de pistones de falda corta:
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
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PÉRDIDAS POR BOMBEO
 Son debidas al proceso de renovación de la carga  lazo de
bombeo (en el caso de motores 2T ya están contabilizadas en el ciclo
indicado)
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
R
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PÉRDIDAS POR BOMBEO
 Proceso de escape:
Puede disminuirse la presión media de escape mediante el AAE
(aprovechar el escape instantáneo)
 Reducción de pérdidas
en el escape
 Sección válvulas escape
 Diseño colector
 Línea de escape
 Silenciador
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
R
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PÉRDIDAS POR BOMBEO
 Proceso de admisión (I):
 Aumento de la sección de
paso en válvulas (evitar
condiciones sónicas y caída
de presión)
p
 Optimización del
diagrama de distribución
 Optimización de la línea
de admisión:
 Sintonizado
 Caída de presión en
V
filtros, codos, etc.
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
R
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PÉRDIDAS POR BOMBEO
 Proceso de admisión (II):
 Efecto de la mariposa (MEP)
 Alternativas para la eliminación de la mariposa
 Mezclas pobres
 Combustión estratificada
 Dilución del aire de admisión (EGR)
 Distribución variable (cierre temprano o tardío de la válvula)
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
R
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L1.- Pérdidas mecánicas. Lubricación
SÍNTESIS
 El régimen de giro (cm) es el
factor que más importantemente
afecta a pmpm:
m
 pmr ≈ f(cm2)
 pmb aumenta con cm (efectos
de compresibilidad y fricción
fluida)
 La regulación de la carga en
MEP también afecta a la pmpm
n
aunque pmpm se mantenga
(MEC), ƞm disminuye al
disminuir la carga
pmpm
Nota:  m  1  pmi
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
R
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MEDIDA DE PÉRDIDAS MECÁNICAS
 Existen varios procedimientos para la determinación de pérdidas
mecánicas:
MEDIDA
 Diagrama de indicador
 Arrastre
 Recta de Willans
 Método Morse
 Deceleración libre
 Ecuaciones semiempíricas
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
ESTIMACIÓN
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
R
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L1.- Pérdidas mecánicas. Lubricación
MEDIDA DE PÉRDIDAS MECÁNICAS
 Diagrama de indicador. Precisa una medida de presión en cámara
 De la integración del diagrama
 Wi
 De la integración del lazo de bombeo
 Wb
 A partir de una medida de potencia/par
 We
 Auxiliares: se determinan por separado
 Wa+Wc
 El término de fricción se obtiene por diferencia
 Es un método complejo (errores de medida, de fase entre las
señales, etc.) y que requiere instrumentación cara e intrusiva
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
R
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L1.- Pérdidas mecánicas. Lubricación
MEDIDA DE PÉRDIDAS MECÁNICAS
 Arrastre
 Mediante un motor eléctrico (usualmente un dinamo-freno
actuando como motor), se arrastra el motor sin combustión
 La potencia absorbida corresponde a las pérdidas mecánicas
 Debe considerarse que al no haber combustión:
 Disminuyen las cargas asociadas a la pmi
 Varían presiones en el caso de motores sobrealimentados
 Disminución de temperatura de funcionamiento (juegos y
viscosidad del aceite)
 Debe hacerse rápidamente tras cesar la combustión
 Permite medida de pérdidas de diferentes elementos
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
R
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MEDIDA DE PÉRDIDAS MECÁNICAS
 Recta de Willans
 Linealidad entre gasto de combustible y PME
 No apto para MEP
 Hipótesis a n cte:
 ηi = cte.
 pmpm cte.
m f [kg / s] 18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
.
m f  K  pme  pmpm  Kpmi
m f
Ni
 gif 
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
Kpmi
K

 K'
Ni
n 2 VT
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
-6
-4
-2
2500 rpm
2000 rpm
1500 rpm
1000 rpm
0
2
4
6
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
8
10
pme[bar]
pmpm [bar]
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
R
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L1.- Pérdidas mecánicas. Lubricación
MEDIDA DE PÉRDIDAS MECÁNICAS
 Método Morse
 Desactivación sucesiva de cada cilindro
 N e(1)  0
 ( 2)  
 N e  1
 ( 3)  
 N e  1
 N e( 4 )  1
4
N
k 1
(k )
e
1 1 1  N e1   N pm1 


0 1 1  N e 2   N pm 2 




N
1 0 1  e 3   N pm 3 

1 1 0  N e 4   N pm 4 
4
4
k 1
k 1
 3 N ek   N pmk  3 N e  N pm
z
N pm   z  1N e   N e( k )
k 1
 Modificación de las presiones y temperaturas al desactivar el
cilindro
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
R
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L1.- Pérdidas mecánicas. Lubricación
MEDIDA DE PÉRDIDAS MECÁNICAS
 Deceleración libre
 En deceleración libre, sin combustión, se cumple:
M pm  I ·
 Conocido I se mide α
 Si no es conocido I, se puede colocar un volante de inercia, con
Ic conocido:
M pm  I ·
M pm 
M pm   I  Ic · '
Ic· '
'
1

 Como en el caso del arrastre, la variación de temperatura debe
ser tenida en cuenta. Además, n varía (n(t) Mpm(t))
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
R
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L1.- Pérdidas mecánicas. Lubricación
DETERMINACIÓN DE PÉRDIDAS MECÁNICAS
 Ecuaciones semiempíricas:
 Bishop (ejemplos)
 Pérdidas del sistema de distribución
4  n  Dv1.75

pmpm  0.70110   30 

1000  D 2  S

3
 Pérdidas en cojinetes de bancada y en cabeza de biela
pmpm  5.5 102
D n
S 1000
 Pérdidas en conjunto pistón-segmentadura
pmpm  3.69 10 3
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
S a
 3 b  cm

7
.
56

10
K
DS
D2
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
R
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L1.- Pérdidas mecánicas. Lubricación
LUBRICACIÓN
 Condiciones de lubricación:
Desplazam.
T
P
Velocidad
relativa
Pistón-camisa
Alternativo
Alta
Moderada
Alta
Pistón-biela
Oscilante
Moderada
Muy alta
Baja
Biela-cigüeñal
Cigüeñal-bloque
Rotativo
Baja
Alta
Alta
Árbol de levasempujadores
Rotativo
Baja
Muy alta
Baja
Alternativo
Muy alta
Baja
Moderada
Rotativo
Alta
Baja
Muy alta
Conjunto
Válvula de escape
Eje turbogrupo
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
R
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L1.- Pérdidas mecánicas. Lubricación
LUBRICACIÓN
 Tipos de sistemas de lubricación:
 Barboteo:
 Abandonado en los motores modernos
 Aplicado en algunos puntos (falda del pistón)
 A presión:
 Sistema habitual
 Bomba de aceite
 Circuito específico
 Por mezcla:
 Motores 2T pequeños (directa o por separado)
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
R
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L1.- Pérdidas mecánicas. Lubricación
LUBRICACIÓN
 Sistema de lubricación a presión:
 Caudales de aceite de 15-30 l/hkW
 Presión de aceite del orden de 3~7 bar
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
R
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L1.- Pérdidas mecánicas. Lubricación
LUBRICACIÓN
 Bomba de aceite
 Potencia: 0.5-5 kW
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
R
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L1.- Pérdidas mecánicas. Lubricación
LUBRICACIÓN
Na
N , p
 Funcionamiento
p
ptarado
m aceite
m a ,bomba
aceite caliente
aceite frío (↑Na)
m a ,circuito
La válvula de alivio permite limitar el
consumo de potencia
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
n
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
m a ,válvula
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
R
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L1.- Pérdidas mecánicas. Lubricación
LUBRICACIÓN
 Detalles constructivos
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
R
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L1.- Pérdidas mecánicas. Lubricación
LUBRICACIÓN
 Propiedades:
 Aceites
 Funciones:
 Lubricar
 Refrigerar
 Limpiar
 Sellar
 Proteger
 Causas de degradación:
 Tenacidad
 Fluidez
 Poca volatilidad
 Ausencia de residuos
 Estabilidad
 Dispersividad, detergencia
 Alcalinidad y carácter
antioxidante
 Modificaciones físico-químicas intrínsecas
Contaminación (residuos de la combustión, impurezas metálicas
por desgaste, polvo atmosférico, agua, combustible)
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
R
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L1.- Pérdidas mecánicas. Lubricación
LUBRICACIÓN
 Composición de los aceites:
 Aceite base
 Paquete de aditivos
 Clasificación:
 Por viscosidad (grado SAE)
 Por tipo de servicio (API, ACEA, JASO, etc.)
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
R
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L1.- Pérdidas mecánicas. Lubricación
LUBRICACIÓN
 Grado SAE
Visc. Cinemática
(cSt)
10,000
SAE 30
5,000
SAE 10W30
Visc. Dinámica
(cP)
15
SAE 10W
10
5
-25
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
100
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
T (ºC)
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
R
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L1.- Pérdidas mecánicas. Lubricación
LUBRICACIÓN
kW / laceite
25
15000
20
12000
15
9000
10
6000
5
3000
laceite / VT
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
0
1930
1950
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
1970
año
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
1990
km entre cambios
 Cambio de aceite. Evolución histórica
0
2010
motores Opel ~2.5 l
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
LUBRICACIÓN
R
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L1.- Pérdidas mecánicas. Lubricación
RESUMEN
 Las pérdidas mecánicas suponen un porcentaje importante de la
potencia total
 El rendimiento mecánico depende de las condiciones de
funcionamiento
 Las pérdidas mecánicas incluyen la fricción, el bombeo y el
accionamiento de auxiliares (y compresor mecánico)
 Existen diversos métodos alternativos (y aproximados) para la
determinación de las pérdidas mecánicas
 El sistema de lubricación es clave en los MCIA
ANÁLISIS DE
PÉRDIDAS
PÉRDIDAS POR
FRICCIÓN
PÉRDIDAS POR
BOMBEO
MEDIDA DE
PÉRDIDAS
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BIBLIOGRAFÍA
F. Payri y J.M. Desantes
"Motores de Combustión Interna Alternativos"
(Cap. 6 y 7)
 J.B. Heywood
"Internal Combustion engines Fundamentals"
(Cap. 13)
 R. Stone
"Introduction to Internal Combustion Engines"
(Cap. 11)
 R. van Basshuysen y F. Schäfer
"Internal Combustion Engine Handbook: Basics, Components, Systems
and Perspectives"
(Cap. 8 y 9)
R