METODOLOGÍA DE DISEÑO DE UN MOTOR A PISTÓN DE DOS TIEMPOS DE 10 HP PARA AERONAVES NO TRIPULADAS DANIEL ALEJANDRO ESCOBAR CALDERÓN LUISA FERNANDA MÓNICO MUÑOZ MAURICIO RODRÍGUEZ ARANGO LILIANA SANDOVAL GARCÍA UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA AERONAUTICA BOGOTA, D.C. 2008 METODOLOGÍA DE DISEÑO DE UN MOTOR A PISTÓN DE DOS TIEMPOS DE 10 HP PARA AERONAVES NO TRIPULADAS DANIEL ALEJANDRO ESCOBAR CALDERÓN LUISA FERNANDA MÓNICO MUÑOZ MAURICIO RODRÍGUEZ ARANGO LILIANA SANDOVAL GARCÍA PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO AERONÁUTICO ASESOR TEMÁTICO ARNOLD ESCOBAR GARZÓN INGENIERO AERONAUTICO UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA AERONAUTICA BOGOTA, D.C. 2008 Nota de aceptación ____________________________ ____________________________ ____________________________ ____________________________ ____________________________ ____________________________ ____________________________ _____________________________ Firma del jurado _____________________________ Firma del jurado _____________________________ Firma del Asesor Metodológico Bogotá D.C. 23 de Junio de 2008 3 A Dios, quien permitió que este trabajo llegara a feliz término. A José, mi padre, en su memoria. A mi madre, Elisa, quien con sus oraciones, consejos y buena energía, me dio la fuerza para dar lo mejor de mi cada día. A mis hermanas, Sandra, Consuelo, Fanny y Gladys, quienes con su apoyo estuvieron todo este tiempo junto a mí. A Liliana, quien me impulsó a hacer las cosas de la mejor manera. A Laura Viviana, quien se ha convertido en una importante razón para salir adelante. A Luisa, Liliana y Mauricio, porque sin ellos este trabajo no se podría haber realizado. Y a todas aquellas personas que de una u otra forma, estuvieron junto a mí en el momento más indicado. DANIEL ALEJANDRO CALDERÓN 4 ESCOBAR A mi mamá, papá y Jorge Andrés, porque siempre me apoyaron, ayudaron, me brindaron una gran colaboración en los malos y buenos momentos, y soportaron mi carácter, LOS AMO. A mi familia porque de una u otra forma siempre estuvieron a mi lado colaborando. Gracias abuelito por ser un gran ejemplo a seguir. A Lili, Daniel y Mauro, por entenderme y soportarme, GRACIAS! Al resto de mis compañeros, por todo aquellos momentos buenos que pasamos. A todas aquellas personas que siempre de una u otra forma estuvieron pendientes. Y finalmente a Dios por todas aquellas buenas cosas que me ha dado y ha permitido que haga, y las buenas cosas que me tiene para el futuro. LUISA FERNANDA MÓNICO MUÑOZ 5 A mis padres Edgar y Julieta, ya que gracias a su constante aliento y sabios consejos, he podido llevar a cabo todos los proyectos que me he propuesto. A mi hermano, Jorge Hernán, por su apoyo incondicional, por ser un ejemplo a seguir, y por haber creído siempre en mí. A Daniel, Liliana y Luisa, por su paciencia y empeño para que este proyecto llegara a buen término. Por último, a todas aquellas personas que de una u otra forma me colaboraron en los buenos y malos momentos a lo largo de la carrera. MAURICIO RODRÍGUEZ ARANGO 6 A Dios, por iluminarme siempre. A mis papas Jairo y Claudia, por que siempre han creído en mi y me han dado todo lo que necesito. A mis hermanas Carolina y Laura y a la Familia García Celis, por todo el apoyo que siempre me dan. A Francisco por su paciencia y por todo. A Daniel, Luisa y Mauricio, compañeros de tesis y sobretodo amigos, por su trabajo y esfuerzo. Finalmente, a todas las personas que me acompañaron durante esta etapa. Muchas gracias, LILIANA SANDOVAL GARCÍA 7 AGRADECIMIENTOS Los autores expresan sus agradecimientos a: El Ingeniero Arnold Escobar por su guía y compromiso con el proyecto. A la Universidad de San Buenaventura sede Bogotá y al Grupo de Investigación Motor-Combustion (GIMOC) por su apoyo al proyecto. A los Ingenieros Diego Ospina, Yesid Gómez y Aurelio Méndez por sus asesorías y aportes para la realización del proyecto. Al Ingeniero Wilson Pinzón por su asesoría Metodológica. A Nelson Zuica por su paciencia, guía e invaluables aportes en la construcción del prototipo. Y finalmente a todas aquellas personas que de una u otra manera permitieron que esta tesis se llevara a un feliz término. 8 CONTENIDO pág. INTRODUCCIÓN 17 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 19 1.1 ANTECEDENTES 19 1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 19 1.3 JUSTIFICACIÓN 22 1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 23 1.4.1 Objetivo general 23 1.4.2 Objetivos específicos 23 1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO 24 2. MARCO DE REFERENCIA 25 2.1 MARCO TEÓRICO 25 2.1.1 Generalidades 25 2.1.2 Motor de dos tiempos 25 2.1.3 Componentes del motor de dos tiempos 27 2.1.4 Sistemas auxiliares 34 2.1.5 Funcionamiento del motor de dos tiempos 42 2.1.6 Ciclo termodinámico del motor de dos tiempos 43 2.1.7 Termodinámica 45 9 2.1.8 Leyes de la termodinámica 49 3. METODOLOGÍA 51 3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN 51 3.2 LÍNEA DE INVESTIGACIÓN DE USB/SUBLÍNEA DE FACULTAD/ CAMPO TEMÁTICO DEL PROGRAMA 51 3.3 METODOLOGIA DE DISEÑO 51 4. DESARROLLO INGENIERIL 57 4.1 CÁLCULOS TERMODINÁMICOS 57 4.2 GEOMETRIA Y DIMENSIONAMIENTO DEL MOTOR 62 4.2.1 Parámetros geométricos 63 4.2.2 Parámetros termodinámicos 67 4.3 CÁLCULO DE PARÁMETROS DE FUNCIONAMIENTO 73 4.3.1 Cálculo de RPM’s 73 4.3.2 Cálculos básicos de desempeño 78 4.3.3 Cálculo de porcentaje de mezcla que se pierde durante el barrido 81 4.4 ANÁLISIS DE MATERIALES 91 4.4.1 Aluminio 91 4.4.2 Acero 94 4.5 CARGA DEL MECANISMO PISTÓN-BIELA-CIGÜEÑAL 96 4.5.1 Cálculo de cargas que se ejercen sobre el pistón 96 4.6 CÁLCULO DE LOS CONTRAPESOS DEL MOTOR 100 4.7 PROCESO DE DISEÑO DE COMPONENTES 102 4.7.1 Diseño de la culata 102 10 4.7.2 Diseño del bloque 104 4.7.3 Diseño de la camisa 106 4.7.4 Diseño del pistón 108 4.7.5 Diseño de la biela 113 4.7.6 Diseño del cárter 116 4.7.7 Diseño del cigüeñal 122 4.8 PROCESO DE CONSTRUCCIÓN 123 4.8.1 Construcción de la culata 123 4.8.2 Construcción del bloque 127 4.8.3 Construcción de la camisa 130 4.8.4 Construcción del pistón 132 4.8.5 Construcción del bulón 134 4.8.6 Construcción de la biela 135 4.8.7 Construcción del cárter 137 4.8.8 Construcción de las contrapesas 141 4.8.9 Construcción del cigüeñal 142 4.9 Ensamble 144 5. CONCLUSIONES 148 6. RECOMENDACIONES 150 BIBLIOGRAFÍA 151 GLOSARIO 153 ANEXOS 157 11 LISTA DE TABLAS pág. Tabla 1. Especificaciones de motores similares al propuesto 58 Tabla 2. Diseños típicos y datos operacionales para motores de combustión interna 59 Tabla 3. Propiedades termodinámicas del aire 60 Tabla 4: Altura de lumbreras de transferencia y escape 65 Tabla 5. Geometría y dimensiones de la biela 74 Tabla 6. Promedios de presiones y temperaturas en las diferentes fases 84 Tabla 7. Descripción de Materiales 91 Tabla 8. Dimensiones estructurales relativas de los émbolos 12 112 LISTA DE FIGURAS pág. Figura 1. Comparación del consumo de combustible de tres tipos de motores a determinada potencia a nivel del mar. 20 Figura 2. Motor de dos tiempos 27 Figura 3. Carter y cilindro 28 Figura 4. Cigüeñal 29 Figura 5. Biela 30 Figura 6. Pistón 31 Figura 7. Camisa 32 Figura 8. Culata 32 Figura 9. Válvula reguladora de combustible 35 Figura 10. Esquema general del carburador 37 Figura 11. Flujo magnético en las tres posiciones del volante 40 Figura 12: Diagrama presión-volumen ideal para un motor 2T 44 Figura 13. Geometría del pistón y cilindro de un motor recíproco 63 Figura 14. Velocidad angular Vs. Posición del cigüeñal. 77 Figura 15. Velocidad del pistón Vs. Posición del cigüeñal 77 Figura 16. Coeficiente de descarga vs. Fracción de apertura de lumbrera 83 Figura 17. Distribución de cargas sobre el pistón 13 97 Figura 18. Fuerzas que contrarrestan los contrapesos 101 Figura 19. Vista preliminar de la culata 104 Figura 20. Vista preliminar del bloque 106 Figura 21. Vista preliminar de la camisa 108 Figura 22. Vista preliminar del pistón 112 Figura 23. Vista preliminar del bulón 113 Figura 24. Vista Preliminar de la Biela. 115 Figura 25. Rodamiento SKF 6000-2RSH 115 Figura 26. Vista preliminar del buje 116 Figura 27. Bosquejo preliminar para el volumen del cárter 118 Figura 28. Area de porción de circunferencia 119 Figura 29. Área de porción de circunferencia aplica a la parte vacía del 119 cárter Figura 30. Rodamiento SKF 61804 123 Figura 31. Refrentado del material para la construcción de la culata 124 Figura 32. Esmerilado del buril para apertura de aletas 124 Figura 33. Maquinado de las aletas de refrigeración 125 Figura 34. Construcción de la cámara de combustión 125 Figura 35. Construcción de las aletas de la parte superior de la culata 126 Figura 36. Culata terminada 127 Figura 37. Maquinado del material para la construcción del bloque 128 Figura 38. Refrentado del material para elaboración del bloque 128 Figura 39. Apertura de aletas de refrigeración 14 129 Figura 40. Bloque terminado 130 Figura 41. Material inicial para la construcción de la camisa 130 Figura 42. Maquinado del material 131 Figura 43. Camisa terminada 132 Figura 44. Material inicial para la construcción del pistón 132 Figura 45. Torneado de barra para pistón 133 Figura 46. Perforación orificio bulón y parte interior del pistón 134 Figura 47. Pistón terminado 134 Figura 48. Maquinado del material para el bulón 135 Figura 49. Biela terminada 137 Figura 50. Parte del cárter 139 Figura 51. Cárter terminado 141 Figura 52. Contrapesas y muñón 141 Figura 53. Segmento del cigüeñal 143 Figura 54. Cigüeñal 143 Figura 55. Partes a ensamblar: culata-camisa-bloque-pistón–biela. 144 Figura 56. Partes a ensamblar: cárter, contrapesas, eje, tornillos. 146 Figura 57. Ensamble del cárter en Solid Edge 147 Figura 58. Ensamble del prototipo 147 15 LISTA DE ANEXOS pág. Anexo A: Costos del proyecto 157 Anexo B: Planos del prototipo 159 Anexo C: Tabla de variables Utilizadas en el Diseño 179 Anexo D: Pruebas de encendido 185 16 INTRODUCCIÓN El origen de los motores reciprocantes se dió gracias al señor Nikolaus Otto quien creó el motor de combustión interna de 4 émbolos iniciado por chispa en 1876; en 1892 Rudolph Diesel modificó el motor de Otto para hacerlo de ignición por compresión. A partir de allí, los motores a pistón se han venido desarrollando hasta nuestros días debido al avance en la tecnología, las necesidades de la industria, entre otros, aunque el principio de funcionamiento ha sido siempre el mismo. A partir de aquí, se han hecho múltiples estudios e investigaciones enfocados en los procesos internos del motor, la polución que genera, los costos de combustible, y la competitividad del mercado, todo esto con el fin de hacer el motor a pistón cada día más eficiente, teniendo en cuenta sus más de 100 años de utilización y desarrollo. Por medio de este proyecto se pretende llevar a cabo una investigación y diseño de un motor a pistón de dos tiempos, incluyendo un análisis detallado de sus componentes principales, teniendo en cuenta la termodinámica, resistencia de materiales, dinámica entre otros. La metodología de diseño se ha llevado a cabo por medio del desarrollo de un modelo matemático, y los cálculos de diseño de los componentes del motor, los cuales permitirán conocer los parámetros fundamentales de funcionamiento y dimensiones del motor, para así poder entregar un resultado final. 17 El propósito de enfocar el motor hacia una aeronave no tripulada se debe a que estas aeronaves, en sus configuraciones más pequeñas, requieren el rango de potencia especificado en este proyecto, además que en la actualidad están siendo ampliamente utilizadas para diversas aplicaciones. El presente trabajo de diseño de motor para aeronaves no tripuladas ha tenido la finalidad de entregar un diseño lo suficientemente completo el cual permita su posterior optimización de diseño y construcción. 18 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1 ANTECEDENTES En el mundo existen diversas empresas destinadas al diseño y construcción de motores a pistón de dos tiempos para múltiples aplicaciones. Las más reconocidas, entre muchas otras, son: Rotax (para motores de Aviación), Kohler (para karts), Honda (para motocicletas), y la empresa Stihl (para guadañas y motosierras). Hasta donde los autores pudieron constatar, en Colombia no existe una industria que se dedique al diseño y a la construcción de dichos motores enfocados al sector aeronáutico. En el campo de la investigación, se realizó un proceso similar a este en el cual se pretendió implementar el hidrógeno gaseoso como combustible en motores de dos tiempos, proyecto de grado que se realizó en la Universidad de San Buenaventura. En este proyecto se analizó el comportamiento y los parámetros de funcionamiento de este tipo de motores. 1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA Pese a que en el mundo existen motores a reacción, los cuales poseen grandes prestaciones, no podrán igualar o mejorar a los motores a pistón en determinados campos, especialmente donde se requiere poca potencia, debido a que un motor a reacción ofrece mayores índices de potencia en relación al peso neto que impulsa. 19 Por lo cual es conveniente el uso de motores a pistón en aeronaves no tripuladas debido a su peso. Adicionalmente, a bajas velocidades los motores recíprocos y los turbo hélice tienen un consumo específico de combustible menor y una mayor eficiencia que los motores turbojet. Sin embargo a altas velocidades sucede lo contrario, debido a pérdidas en la hélice. Para aviones cuyas velocidades de crucero no excedan las 250 millas por hora, los motores a pistón son la elección usual.1 Por lo tanto, para un avión no tripulado, el cual vuela a baja velocidad, es preferible un motor a pistón. Figura 1. Comparación del consumo de combustible de tres tipos de motores a determinada potencia a nivel del mar. Fuente: Department of transportation, Federal Aviation Administration, flight standards service; Airframe and powerplant Mechanics, powerplant handbook, AC 65 – 12; 1971; p 3. 1 Airframe and powerplant mechanics, Powerplant handbook AC 65-12; Department of transportation, Federal Aviation administration 20 A pesar de los grandes avances que se han venido desarrollando en los últimos años en Colombia, es bien sabido que para cualquier proyecto de ingeniería donde se requiera un motor a pistón, es necesario recurrir a la importación de estos o de sus componentes desde países desarrollados, como los son los Estados Unidos, países europeos, y asiáticos, lo que eleva los costos de cualquier proyecto. Como ejemplos se puede tomar a los constructores de proyectos en Colombia, los cuales adquieren sus productos en el exterior, esto implica un trámite dispendioso y por lo general costoso. Adicionalmente ningún proyecto es de tecnología 100% nacional, debido a que muchos componentes se deben importar. Adicionalmente, se tiene el aspecto académico, en el cual está incursionando la universidad, en donde se hace necesaria la experimentación en el campo de motores, ya sea para fines aeronáuticos u otras aplicaciones en las cuales puedan ser necesarios éstos. Es de gran importancia la investigación por parte de los alumnos, y el desarrollo de proyectos en los cuales se apliquen los conocimientos adquiridos, y que, futuros grupos retomen proyectos actuales para optimizarlos. El problema que se resuelve con este trabajo es: ¿Cuál es el proceso de diseño y construcción de los componentes de un motor para que produzca 10 HP y responda a las necesidades termodinámicas, de rendimiento y de dimensiones para algunas aeronaves no tripuladas? 21 1.3 JUSTIFICACIÓN Hoy la mayor parte de las actividades industriales e investigativas del país y la región están interesadas en nuevas maneras de optimizar las máquinas o elementos que se han venido usando hasta el momento en la generación de energía mecánica. Este trabajo reúne y compila información para obtener los datos teóricos necesarios para desarrollar el diseño preciso de un motor a pistón de dos tiempos. Esta metodología de diseño podría servir de referencia para los estudiantes de ingeniería aeronáutica y carreras afines que deseen modificar el diseño original y optimizarlo, para poder lograr mejores resultados, pues es fácil de comprender. En Colombia no se ha logrado consolidar con éxito un sector de la industria especializado en el diseño y la construcción de motores a pistón para aeronaves de cualquier tipo. Mediante este proyecto y con el apoyo de un proceso de construcción y optimización a futuro, se abriría la posibilidad de generar industria a nivel nacional con el objetivo de reducir costos además de incentivar los proyectos de investigación a nivel nacional. 22 1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 1.4.1 Objetivo general. Diseñar y construir un motor a pistón de dos tiempos para aeronaves no tripuladas de 10 HP que cumpla las condiciones termodinámicas y de rendimiento requeridas. 1.4.2 Objetivos específicos. • Proponer una metodología de diseño con base en las características de potencia de 10 HP para aeronaves no tripuladas. • Plantear los métodos matemáticos necesarios, basados en los conocimientos teóricos, que simulen las características de operación esperadas del motor de dos tiempos en cuanto a requerimientos de potencia, torque y consumo de combustible. Así mismo realizar los análisis termodinámicos, dinámicos y de selección de materiales. • Analizar las cargas que se generan en el motor. • Construir un prototipo del motor a diseñar. 23 1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO • Alcances Desarrollar el estudio de los componentes básicos de un motor a pistón de dos tiempos, para realizar paso a paso un diseño de todos los componentes del motor y proceder a construir un prototipo. • Limitaciones Debido a la poca información metodológica que se consigue sobre el tema, fue necesario reducir la cantidad de variables a calcular, por esto el motor es de un solo cilindro que funciona con gasolina corriente de automóvil, así mismo los sistemas auxiliares tales como el carburador y el sistema de ignición no han sido diseñados sino sencillamente seleccionados de acuerdo a las características y necesidades del motor, debido a que no se contó con la cantidad de tiempo necesaria. Por otro lado, se tiene que el motor proporciona alrededor de 10 HP; los cálculos de diseño de las aeronaves no tripuladas no corresponden al enfoque de investigación de éste proyecto por lo cual cualquier aeronave en la cual vaya a ser adaptado el motor no tiene por qué ser validada en ningún área por los autores. El prototipo a construir sirve para validar el diseño dimensionalmente, pero no se asegura su operación continua. 24 2. MARCO DE REFERENCIA 2.1 MARCO TEÓRICO 2.1.1 Generalidades. El sistema propulsor es el elemento fundamental para lograr el vuelo, es el encargado de proporcionar el empuje a la aeronave, su tamaño, forma y funcionamiento varían de acuerdo al tipo de aeronave al que pertenece y según el trabajo que vaya a realizar, además, es fundamental para los futuros ingenieros aeronáuticos y afines, conocer el funcionamiento de un motor de este tipo. Los motores a pistón se clasifican en motores de 2 tiempos y los de 4 tiempos, su principal diferencia es su ciclo de operación. Otras diferencias son: su peso, potencia generada, tamaño, costos de operación, complejidad constructiva y tecnológica, entre otros factores. 2.1.2. Motor de dos tiempos. Se utiliza la denominación motor de dos tiempos para un motor de combustión interna que realiza los cuatro tiempos de un ciclo con ciertas variaciones como son la aparición de subprocesos adicionales a los ya conocidos (Admisión, compresión, expansión y escape), añadiéndole la compresión en el cárter (Crankcase compression), el barrido (scavenging), y escape (exhaust blowdown), en sólo una revolución del cigüeñal o en un solo 25 movimiento completo del pistón hacia arriba y hacia abajo, es decir, 360° de giro, a diferencia del motor de cuatro tiempos de ciclo Otto, el cual realiza los cuatro tiempos en dos revoluciones del cigüeñal (720° de giro). Para realizar los cuatro ciclos en una sola revolución o vuelta del cigüeñal, el pistón en el motor de dos tiempos es usado por ambas caras, es decir, por su parte superior y por su parte inferior. Para que el pistón pueda succionar la mezcla de combustible y aire por su parte inferior, el llamado "cárter del cigüeñal" debe estar sellado. Para pasar la mezcla combustible desde el cárter del cigüeñal hacia la cámara de combustión se usan unas “lumbreras de transferencia”. Actualmente, las lumbreras de transferencia desembocan en más o menos la mitad superior del cilindro y son abiertas o bloqueadas por el pistón. El ciclo de trabajo comienza en el punto muerto superior (PMS), el pistón desciende y abre la lumbrera de escape permitiendo la salida de los gases de combustión, siguiendo su carrera descendente el pistón abre la lumbrera de transferencia permitiendo entrada de mezcla de combustible- aire al cilindro, y ayudando a precomprimir la mezcla presente en el cárter. En el momento en que el pistón se encuentra en el punto muerto inferior (PMI) inicia su carrera hacia arriba; en este momento crea un diferencial de presión que succiona combustible procedente del carburador hacia el cárter, cierra las lumbreras de transferencia y 26 escape e inicia la compresión real de la mezcla dentro del cilindro. Al acercarse el pistón a la culata disminuye el volumen existente entre ambos, esto aumenta la presión, se comprime y sube en consecuencia, su temperatura. En el PMS hay ignición de la bujía, al realizarse la combustión, el pistón se desplaza con fuerza hacia abajo durante el ciclo de expansión y escape, y vuelve a iniciar el ciclo. 2.1.3 Componentes del motor de dos tiempos Figura 2. Motor de dos tiempos Fuente: Internal combustión engine Fundamentals. John B. Heywood. Pag. 28 27 • Cárter: Es la estructura que contiene los diversos mecanismos que rodean al cigüeñal: en él se aloja la mezcla, el sistema de encendido, el carburador, y en su parte superior va ubicado el cilindro. Esta unidad ha de estar cuidadosamente lubricada; generalmente son dos fundiciones de aluminio aleado acopladas en el plano vertical-central que forman un cárter completo. Cada una de estas dos mitades tienen sus respectivas inserciones y roscas especiales. El cárter soporta al cigüeñal y a las fuerzas que se realizan sobre él. Por tanto su forma, construcción y tipo de fijación que tenga al bloque de cilindros tienen una gran repercusión en la rigidez del motor. Figura 3. Carter y cilindro Fuente: Midland helicopters [online]. [Consultado el 13 de septiembre de 2006] Disponible en internet < http://www.modelhelicopters.co.uk 28 • Cigüeñal: Árbol que transforma el movimiento rectilíneo alternativo del conjunto pistón-biela de un motor, en movimiento circular. El cigüeñal convierte la fuerza producida por el movimiento rectilíneo en una fuerza tangencial, llamada torsión, que en motores de aviación es la que hace girar la hélice. El cigüeñal por lo general esta forjado en una sola pieza. La configuración y forma del cigüeñal varía en función del número y disposición de los cilindros del motor. El eje longitudinal de un cigüeñal pasa por los rodamientos principales, sobre los que se apoya en su movimiento de giro. Figura 4. Cigüeñal Fuente: Midland helicopters [online]. [Consultado el 13 de septiembre de 2006] Disponible en internet < http://www.modelhelicopters.co.uk • Bielas: Son barras, que mediante articulaciones fijadas (pasador o muñón), en sus extremos unen dos piezas móviles y sirven para transmitir y transformar el movimiento rectilíneo del pistón en movimiento rotatorio al centro del cigüeñal por medio de los muñones de biela del mismo cigüeñal. 29 Une el pistón con la correspondiente manivela del cigüeñal. Se pueden distinguir tres partes en una biela. El pie, es la parte más estrecha, y en la que se introduce un buje en el que luego se inserta el bulón, un cilindro metálico que une la biela con el pistón. El cuerpo de la biela es la parte central, y por lo general tiene una sección en forma de doble T. Figura 5. Biela Midland helicopters [online]. [Consultado el 13 de septiembre de 2006] Disponible en internet < http://www.modelhelicopters.co.uk> • Pistones: También llamados émbolos, transmiten la fuerza de los gases inflamados y expandidos en el interior del cilindro al cigüeñal por intermedio de la biela. Los pistones se sujetan a la biela por medio de un perno y éste a su vez se sujeta con unos seguros metálicos. Los anillos superiores actúan para evitar que la fuerza de la explosión de la mezcla escape a través de la holgura entre el pistón y las paredes del cilindro hacia dentro del motor, evitando pérdidas de potencia. 30 Figura 6. Pistón Fuente: Midland helicopters [online]. [Consultado el 13 de septiembre de 2006] Disponible en internet < http://www.modelhelicopters.co.uk> • Cilindros: Son cada uno de los espacios con esa forma que tienen como objeto alojar parte de la cámara de combustión, el pistón y parte de la biela. El cilindro consta de dos partes: el cuerpo y la culata. El cuerpo en su parte interior tiene una camisa en la cual se desplaza el pistón, con un movimiento rectilíneo alternativo, y la culata, la cual provee un lugar para la cámara de combustión y para alojar la bujía. Los cilindros básicamente tienen dos aberturas o lumbreras, una de transferencia y una de escape. La que esta más alta, es decir más próxima al borde superior del cilindro, es la de escape, un poco más abajo se encuentra la de transferencia. La altura de las aberturas y su disposición permiten deducir las distintas fases del ciclo. La parte exterior del cuerpo cuenta con una serie de aletas, que sirven para refrigerar el cilindro. Entre mayor sea la superficie y la profundidad de las aletas, mayor será la transmisión de calor. 31 Figura 7. Camisa Fuente: Midland helicopters [online]. [Consultado el 13 de septiembre de 2006] Disponible en internet < http://www.modelhelicopters.co.uk> Figura 8. Culata Fuente: Electromanuales.com Manuales [online]. [Consultado el 22 de septiembre de 2006] Disponible en internet < http://www.motosdeantes.com> • Lumbrera: Para que los gases salgan por sí solos y, para que la mezcla aire- combustible entre al cilindro, la pared del cilindro tiene unos orificios llamados lumbreras. La lumbrera por la cual entra mezcla al cilindro se conoce como 32 lumbrera de transferencia, la cual va por el otro extremo de su conducto, conectada al cárter. Y la lumbrera de escape, como su nombre lo indica, permite la salida de gases de combustión hacia el exhosto, y de allí hacia la atmósfera. Es necesario orientar bien las lumbreras para evitar que la mezcla fresca se salga directamente por el escape, sin empujar primero a los gases residuales. En los motores de cuatro tiempos, ésta función la realizan las válvulas (admisión y escape). Es normal en los motores de dos tiempos que un porcentaje de la mezcla airecombustible (aproximadamente el 21%) se salga por la lumbrera de escape antes del proceso de combustión, debido a la disposición de las lumbreras y al funcionamiento normal del ciclo. Este inconveniente es uno de los principales problemas encontrados en los motores de dos tiempos, pero no hay manera de eliminarlo. • Punto muerto inferior (PMI): Es el punto más cercano al cigüeñal que alcanza el pistón en su movimiento alternativo dentro del cilindro. Antes de llegar a ese punto, el pistón reduce su velocidad, se detiene, e inicia un nuevo recorrido en sentido contrario en permanente aceleración hasta que alcanza su velocidad lineal máxima. Esta velocidad lineal máxima de cada carrera se alcanza generalmente después de superar la mitad de la distancia que separa el punto muerto inferior del punto muerto superior. En el recorrido alternativo del pistón, el punto muerto inferior es el más alejado de la culata. 33 • Punto muerto superior (PMS): Es el punto más cercano a la culata que alcanza el pistón en su movimiento alternativo dentro del cilindro. Antes de llegar a ese punto, el pistón reduce su velocidad, se detiene, e inicia un nuevo recorrido en sentido contrario en permanente aceleración hasta que alcanza su velocidad lineal máxima. 2.1.4 Sistemas Auxiliares • Carburador: El carburador debe medir el flujo de aire a través del sistema de inducción y debe usar esta medida para regular la cantidad de combustible a descargar en el flujo de aire. El componente para medirlo es un tubo Venturi. El tubo de Venturi es un tubo con una sección más angosta conocida como la garganta, basa su funcionamiento en el principio básico que dice que a medida que la velocidad del fluido aumenta, su presión disminuye, por eso cuando el aire se acelera en la garganta del tubo, su presión disminuye. La presión en la garganta es la menor presión en todo el venturi. La caída de presión es proporcional a la velocidad, por lo cual se convierte en la medida del flujo de aire. La entrada de aire al carburador se produce por diferencia de presiones, cuando el pistón se desplaza hacia el cigüeñal, la presión en el cilindro disminuye, el aire entra al carburador debido a la mayor presión en la 34 entrada de este. La válvula reguladora del carburador se ubica entre la sección del venturi y el motor, mediante esta válvula se regula el flujo de aire hacia el cilindro. El carburador da la gasolina suficiente para mantener la relación aire - combustible apropiada. La válvula se encuentra completamente abierta cuando se encuentra paralela al flujo, y restringe el flujo de aire a medida que se cierra, en el sentido de las manecillas del reloj. Figura 9: Válvula reguladora de combustible Fuente: Department of transportation, Federal Aviation Administration, flight standards service; Airframe and powerplant Mechanics, powerplant handbook, AC 65 – 12; 1971; p 114. 35 El inyector de combustible se encuentra localizado en la garganta del venturi, en el punto donde existe la menor caída de presión del aire que pasa por el carburador hacia los cilindros. Sobre el combustible actúan dos presiones, una presión baja en el inyector y una presión mayor (presión atmosférica) en la cámara de combustible, dada esta diferencia de presión, el combustible se ve forzado a fluir por el inyector. Entre más se abra la válvula inyectora de combustible, mayor va a ser el diferencial de presión, y como más aire pasa a través del carburador, mayor es la cantidad de combustible que sale del inyector para mantener la relación aire – combustible. El carburador tiene unos sistemas básicos para garantizar su buen funcionamiento, los sistemas principales son: el mecanismo de flotador y su cámara, el medidor principal, el sistema regulador de mínimos, el acelerador, el control de mezcla y el sistema de corte. El sistema medidor principal surte de combustible al motor en todas las velocidades, la cantidad de combustible dada por este sistema la determina la caída de presión en el venturi. El mecanismo del flotador provee un nivel constante de combustible al inyector mediante una válvula de aguja operada por un flotador. Cuando el nivel de combustible en la cámara baja, el flotador baja también, esto permite abrir la válvula para que entre más combustible a la cámara, el nivel de combustible sube y el flotador lo hace también, esto hace que se cierre la válvula, como se puede ver en la figura 10. 36 Figura 10: Esquema general del carburador Fuente: Department of transportation, Federal Aviation Administration, flight standards service; Airframe and powerplant Mechanics, powerplant handbook, AC 65 – 12; 1971; p 114. El sistema regulador de mínimos funciona, como su nombre lo indica, en las mínimas revoluciones, pues a bajas velocidades la caída de presión es mínima y no garantiza el funcionamiento adecuado del medidor principal. El acelerador incrementa la descarga de combustible cuando se necesita mayor potencia en el motor. El control de mezcla determina la relación de aire – combustible en la mezcla. Por último, el sistema de corte sirve para detener el flujo de combustible y de ésta forma, detener el funcionamiento del motor. 37 Para acoplar el carburador al cárter se usa un flanche, dentro de este flanche va ubicada una válvula Reed, conocida como torque, el cual al generarse vacio en el cárter, se abre y permite la entrada de combustible pulverizado proveniente del carburador. • Sistema de encendido: Los requerimientos del sistema de encendido del motor, son los mismos requerimientos básicos de todos los motores recíprocos, el sistema de encendido debe entregar una chispa de alta tensión al cilindro, cuando el pistón se encuentre a cierto número de grados antes de alcanzar el punto muerto superior. El voltaje del sistema debe ser tal que garantice que la chispa se produzca en la bujía bajo cualquier condición de operación. Los sistemas de encendido pueden ser: de encendido por batería o de encendido por magnetos. El sistema de ignición por magnetos se basa en el funcionamiento de un generador de corriente alterna que usa un imán permanente como fuente de energía, el magneto desarrolla el alto voltaje que produce la chispa en la bujía. La operación del magneto se configura de acuerdo al motor, para que la chispa se produzca poco antes de que el pistón en su recorrido llegue al punto muerto superior. El sistema de encendido por magneto se puede dividir en dos circuitos: el circuito magnético y el circuito eléctrico primario. 38 El circuito magnético consiste básicamente en un volante, el cual es un imán de varios polos que rota, un núcleo de hierro suave y polos fijos. El volante va conectado al eje del motor, y rota en el espacio entre los dos polos fijos para darle a las líneas magnéticas la fuerza necesaria para producir el voltaje eléctrico. Los polos del volante están configurados de forma alterna para que el flujo pueda pasar de polo norte del volante a la bobina y de ahí al polo sur del volante, cerrando el circuito Cuando los dos polos magnéticos del magneto están perfectamente alineados con los polos fijos se produce la posición en donde mayor cantidad de líneas magnéticas de fuerza se producen, a medida que el volante cambia de posición, la cantidad de estas líneas se reduce. La posición neutral del volante es esa en la que uno de los polos de este se encuentra centrado entre los dos polos fijos, impidiendo el flujo magnético a través de la bobina, la bobina entonces se ve sometida a un aumento y una disminución del campo magnético y a un cambio de polaridad cada 90 grados ya que el campo magnético se desplaza siempre del polo norte al polo sur. El cambio de polaridad en el sistema se muestra en la figura 11. 39 Figura 11: Flujo magnético en las tres posiciones del volante Fuente: Department of transportation, Federal Aviation Administration, flight standards service; Airframe and powerplant Mechanics, Powerplant handbook, AC 65 – 12; 1971; p.180. El circuito eléctrico principal consiste de una bobina, la cual es una estructura con un arrollamiento primario compuesto de unas pocas vueltas de hilo grueso de cobre y un arrollamiento secundario con un gran número de vueltas de hilo fino, un interruptor de circuito y un capacitor. Una de las puntas de la bobina va conectada a la carcasa de ésta y la otra punta va al lado del interruptor que no esta conectado a tierra. El circuito esta completo cuando el lado del interruptor que no va a tierra esta en contacto con el lado que si va a tierra. 40 Cuando el volante, accionado por el movimiento del motor, gira, induce en el primario una corriente que carga el capacitor; el ruptor interrumpe el circuito del primario cuando la corriente inducida alcanza su máximo valor, y el campo magnético alrededor del primario colapsa. El capacitor descarga la corriente almacenada en el primario induciendo un campo magnético inverso. Este colapso y la reversión del campo magnético producen una corriente de alto voltaje en el secundario que va las bujías para la ignición de la mezcla. El interruptor se cierra en la posición de registro máximo, en este momento el volante induce un flujo de corriente en el circuito primario, el cual genera su propio campo magnético, en una dirección que genera una resistencia al flujo magnético del circuito permanente del magneto. Mientras la corriente inducida fluye en el circuito electrónico primario, se opone a que disminuya el flujo magnético en el núcleo de la bobina, de acuerdo a la Ley de Lens, que dice que cuando un conductor se mueve cortando las líneas de fuerza de un campo magnético en un circuito cerrado se produce una corriente inducida. Al abrir los puntos del interruptor el flujo de corriente se detiene y el volante revierte el campo (como se ve en la figura 11, este cambio de flujo repentino que corta las líneas de fuerza induce el pulso de alto voltaje necesario para producir la chispa. La función de la bujía en cualquier sistema de encendido es conducir un pequeño impulso de una corriente de alto voltaje a través de las paredes de la cámara de combustión. Dentro de la cámara de combustión provee un pequeño 41 espacio de aire a través del cual este impulso produce la chispa eléctrica que enciende la mezcla aire-combustible. Los tres componentes principales de una bujía son: los electrodos, un material aislante y la carcasa exterior. La carcasa exterior está hecha generalmente de acero y se fabrica de tal forma que se pueda adaptar al cilindro. Tiene una rosca y un anillo que previenen que la presión generada en el cilindro se escape. El material aislante provee una capa protectora alrededor del electrodo, sirve como aislante eléctrico y térmico. Finalmente, los electrodos permiten el paso de la descarga de alto voltaje que viene de la bobina, esta descarga pasa a través del electrodo central, y de ahí hacia el electrodo lateral conectado a tierra, generando el arco de corriente. 2.1.5 Funcionamiento del motor de dos tiempos. Un motor de dos tiempos trabaja de acuerdo al movimiento de piezas, las cuales van acopladas unas a otras. En cualquier motor de dos tiempos se encuentra siempre un cigüeñal, que es un eje con una manivela. Al accionarse la manivela el cigüeñal gira. Por otro lado está el émbolo o pistón, que se desliza dentro del cilindro. Al moverse origina unas variaciones de volumen en él, necesarias para el funcionamiento del motor. 42 Como el movimiento del pistón es rectilíneo, no puede ser unido al movimiento del cigüeñal, que es giratorio. Por eso existe una pieza intermedia que lo permite, denominada biela. Esta es una varilla rígida con dos orificios en los extremos. Abraza a la manivela para hacer girar al cigüeñal por un lado, y a un eje existente en el pistón por el otro para poder oscilar, llamado bulón. Si se empuja el pistón, éste se desliza en el cilindro y mueve al cigüeñal, y viceversa: girando el eje del motor, él pistón subirá y bajará. Para soportar las grandes cargas que supone girar a elevado régimen y aguantar la fuerza que producen los gases en el momento de la combustión, por esto es necesario que el cigüeñal se apoye bien sobre cojinetes de bronce o sobre rodamientos. 2.1.6 Ciclo termodinámico del motor dos tiempos. El ciclo de operación del motor de dos tiempos se puede visualizar en el diagrama de la figura 12. 43 Figura 12. Diagrama presión- volumen ideal para un motor 2T Fuente: PULKRABEK, Willard W. Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engines. Estados Unidos de América: Prentice Hall. Pag. 109. La expansión se lleva a cabo desde los puntos 1 a 2, éste proceso también se denomina carrera de potencia, y se caracteriza por un caída de presión y temperatura a medida que el pistón desciende hacia el punto muerto inferior. Es un proceso isentrópico. El escape se desarrolla entre los puntos 2 y 3, y se caracteriza porque la presión en el punto 3 es similar a la presión atmosférica, después de éste proceso el cilindro queda lleno con gases de escape a presión baja. El siguiente proceso se desarrolla entre los puntos 3, 4 y 5, y se denomina barrido, se caracteriza por operar a presión y temperatura constantes; el pistón descubre la lumbrera de 44 transferencia y la mezcla aire- combustible entra a presión. Ésta mezcla que entra al cilindro empuja gran parte de los gases remanentes para que terminen de salir por la lumbrera de escape. El pistón llega al punto muerto inferior y asciende de nuevo para cubrir la lumbrera de transferencia y la de escape. La compresión, que abarca los puntos 6 a 7, se caracteriza por llevarse a cabo durante la ascensión del pistón cuando ambas lumbreras han sido cubiertas, aumentando aún más la presión y temperatura de la mezcla. El último proceso es la combustión (puntos 7 a 1), caracterizada por ocurrir casi a volumen constante y allí es donde ocurren los picos de presión y temperatura, el pistón se encuentra en el punto muerto superior, y la bujía enciende la mezcla para así volver a iniciar el proceso. En esta fase es donde se presenta la mayor temperatura de los gases, esta temperatura es bastante elevada (aproximadamente 3500 K); cabe aclarar que la temperatura media del gas no entra en contacto con las paredes de la cámara de combustión, ya que en la zona circundante a las paredes se produce pérdida de calor por convección, lo que provoca que la temperatura del material de la camisa y cámara de combustión no sea la misma que la del gas, sino una mucho más baja, menor que 3000 K. Si esto no ocurriera, el material cedería por sobrecarga térmica. 2.1.7 Termodinámica. Para comprender el funcionamiento de los motores es necesario entender los principios de termodinámica bajo los cuales operan. La 45 termodinámica es una rama de la física que se encarga de estudiar la energía, su transformación en distintas manifestaciones, como el calor, y su capacidad para producir un trabajo. Se define un sistema como la región limitada en la cual se estudian las transferencias de masa y de energía, el sistema puede ser abierto o cerrado. Un sistema cerrado contiene una cantidad de masa constante, mientras que en un sistema abierto, pueden ocurrir transferencias de masa y de energía libremente. La energía es la habilidad latente para producir un cambio en las condiciones existentes. Toda la materia contiene energía interna de forma química o molecular, esta energía es la energía de movimiento interno en forma desordenada que tienen las moléculas de una sustancia. Una determinada cantidad de masa posee energía potencial cuando está ubicada a cierta altura sobre el nivel de la tierra, la gravedad se emplea, en este caso, como fuente de energía. Cuando una cantidad de masa está en movimiento, considerando que cambia su velocidad, este cuerpo posee energía cinética, esta es energía disponible debido a la velocidad del cuerpo. El trabajo es energía que se transfiere entre sistemas debido a una diferencia considerable de una propiedad que existe entre un sistema y sus alrededores. No toda la energía contenida en cierta cantidad de materia puede convertirse en trabajo, solo una fracción de la energía queda disponible para hacerlo, a esta 46 fracción se le conoce como energía disponible. A mayor temperatura, mayor capacidad para realizar trabajo, si un proceso no implica pérdidas por fricción, temperatura etc., será posible invertirlo hasta volver a sus condiciones originales, mediante el retorno de la misma cantidad de calor y trabajo anteriormente recibidos pues no hay ni fricción ni disipación. A un proceso de este tipo se le conoce como un proceso reversible. Si el proceso es irreversible se necesitará mayor trabajo o energía disponible de la que se suministró originalmente, para volver a sus condiciones iniciales, el balance energético no es el mismo. El factor que usualmente ocasiona la transferencia de energía en forma de trabajo es la presión, esta, multiplicada por el área sobre la cual se ejerce da una fuerza, y finalmente, el producto de la fuerza y la distancia de su aplicación es la energía. Se puede medir el trabajo mecánico con la siguiente ecuación: W = P × A× L (1) La cual puede ser expresada en unidades del sistema internacional: N·m, y en el sistema inglés: lb·ft. Al establecer un sistema, también se deben especificar unas propiedades, las propiedades son una función del estado de la materia como la presión, el volumen y la temperatura, todas propiedades que pueden medirse. El estado de una 47 sustancia son todas las propiedades que sitúan a esa sustancia en una determinada fase, la fase de una sustancia es el conjunto de estados en donde la sustancia tiene ciertas características físicas y químicas. Los procesos ocurren siempre que el sistema cambia de un estado a otro. Las propiedades pueden ser intensivas o extensivas, las propiedades intensivas son independientes de la magnitud del sistema, como por ejemplo la presión, la velocidad, la temperatura; mientras que las propiedades extensivas sí dependen de la magnitud del sistema, ejemplo de estas propiedades son el volumen y el área. Un proceso isocórico es un proceso en el cual la presión y la temperatura varían, pero el volumen se mantiene constante, de la misma forma, en un proceso isobárico se presenta un cambio de volumen y de temperatura, pero la presión se mantiene constante, y en un proceso isotérmico se presenta un cambio de presión y de volumen, pero a temperatura constante. El calor es una forma de energía, esta energía se transfiere de un sistema a otro por diferencia de temperaturas, un proceso sin transferencia de calor se denomina proceso adiabático. Un proceso reversible y adiabático es conocido como un proceso isentrópico. La entalpía, es la suma de la energía interna de la materia, por definición matemática es el producto de su volumen multiplicado por la presión, se conoce también como contenido de calor. La entalpía es una función de estado 48 cuantificable, la entalpía total de un sistema no puede ser medida directamente, en cambio la variación de entalpía de un sistema sí puede ser medida. La entalpía se define mediante la siguiente ecuación: H = U + P ×V (2) Donde U es la energía interna, P es la presión del sistema y V es el volumen del sistema. Esta ecuación se expresa en Kcal/kg o en btu/lb, de acuerdo al sistema que se use. La entropía mide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo, se puede considerar como una medida de lo próximo o no que se halla un sistema al equilibrio; también se puede considerar como una medida del desorden (espacial y térmico) del sistema. 2.1.8 Leyes de la Termodinámica • Ley Cero de la Termodinámica: El calor fluye de un cuerpo de mayor temperatura a uno de menor temperatura. Esta ley también se denomina equilibrio térmico. • Primera Ley de la Termodinámica: Establece que la energía no se crea ni se destruye, solo puede ser transformada en varias formas. Esta ley establece que 49 el resultado del calor o del trabajo será un cambio de energía en el sistema, si se realiza trabajo sobre un sistema, la energía interna del sistema variará. El cambio de energía interna de un estado inicial a uno final puede representarse como la diferencia entre el calor y el trabajo, el calor siempre va a ser positivo cuando entre al sistema, y el trabajo va a ser negativo si es el sistema el que lo efectúa (trabajo cedido por el sistema no al sistema). • Segunda Ley de la Termodinámica: Esta ley establece que no existe una máquina que trabaje en un ciclo completo y sea capaz de transformar todo el calor recibido en trabajo, niega la posibilidad de convertir completamente todo el calor suministrado en trabajo. Cualquier proceso que reciba calor mientras realiza un trabajo, deberá tener un proceso de rechazo de calor como parte del ciclo. • Tercera Ley de la Termodinámica: Esta ley afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos. Puede formularse también como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico. Esta ley permite calcular la entropía absoluta de una sustancia a partir de la definición de cambio de entropía. 50 3. METODOLOGÍA 3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN El enfoque de la investigación es empírico-analítico, ya que el objetivo de este trabajo es netamente técnico, pues se realizaron unos cálculos de parámetros geométricos termodinámicos y geométricos, los cuales dieron inicio a un diseño detallado y un posterior proceso de construcción para validar el diseño. 3.2 LINEA DE INVESTIGACIÓN DE USB/ SUBLINEA DE FACULTAD/ CAMPO TEMÁTICO DEL PROGRAMA Línea de investigación de la institución: Tecnológicas actuales y sociedad. Sublínea de investigación de la facultad: Automatización y control de procesos. Campo temático del programa: Diseño y Construcción de Motores. 3.3. METODOLOGÍA DE DISEÑO Para comenzar el diseño del motor, se necesitan unos datos iniciales para aclarar los parámetros básicos del motor, estos se calcularon de la siguiente forma: 1. Definir el número de revoluciones por ciclo. Teniendo en cuenta que para el caso de los motores de dos tiempos, este valor siempre será 1. 2. Definir un volumen desplazado, la relación de compresión y la presión media efectiva. Estos valores pueden calcularse por promedio de valores tomados de motores similares. 51 3. Asumir condiciones atmosféricas como valores iniciales y constantes físicas como las constantes adiabáticas. 4. Asumir un valor para la relación del largo de la biela y rendimientos, de acuerdo a los rangos establecidos. 5. Elegir la relación aire-combustible de la mezcla, y de acuerdo al combustible a utilizar, determinar su poder calorífico. 6. Calcular el desplazamiento del motor mediante la ecuación 4. 7. Calcular el diámetro del cilindro mediante la ecuación 5. 8. Calcular la carrera. Para efectos de este proyecto, se determinó que el motor sería cuadrado, por lo cual, la carrera será igual al diámetro. 9. Calcular el volumen de la cámara de combustión mediante la ecuación 6. 10. Calcular el radio de giro del cigüeñal mediante la ecuación 7. 11. Calcular el largo de la biela mediante la ecuación 8. 12. Determinar la altura de las lumbreras respecto a la camisa, de acuerdo al promedio de motores similares. 13. Calcular la altura de cada lumbrera mediante la ecuación 9. 14. Calcular los volúmenes contenidos en el cilindro desde la ubicación de cada lumbrera hasta el punto muerto superior, por medio de las ecuaciones 10 y 11. 15. Calcular el volumen en el punto donde comienza la compresión (V6) mediante la ecuación 12. 16. Por medio de iteraciones en un programa de CAD estimar volúmenes de los componentes del motor. 52 17. Calcular volúmenes iniciales y finales del ciclo por medio de las ecuaciones 13 y 14. 18. Determinar las presiones y temperaturas finales del ciclo de compresión en el cárter mediante las ecuaciones 15 y 16. 19. Determinar la temperatura real, la masa máxima y real del ciclo de barrido mediante las ecuaciones 17, 18, 19 y 20. 20. Determinar presión y temperatura para el punto 6 del ciclo, mediante la ecuación 21 y teniendo en cuenta que la temperatura en 6 es la misma temperatura real. 21. Para la compresión, el volumen del punto 7 será el mismo volumen de la cámara de combustión, y con esto calcular presión y temperatura en este punto mediante las ecuaciones 22 y 23. 22. Determinar la masa de la mezcla, y de esta forma la masa del combustible, con las ecuaciones 24 y 25. 23. Determinar temperatura y presión en el punto 1 del ciclo con las ecuaciones 26 y 27. 24. Se asume que el volumen para la expansión (punto 2) será el mismo que en el punto 6, esto por la gráfica del ciclo. Basado en esto, determinar presión y temperatura en el punto 2 mediante las ecuaciones 28 y 29. 25. Hallar la temperatura en el punto 3 (escape) mediante la ecuación 30. 26. Determinar las masas reciprocantes y rotativas mediante las ecuaciones 31 y 32. 53 27. Calcular la velocidad angular del cigüeñal para cada ángulo de rotación y posteriormente la velocidad final del pistón mediante las ecuaciones 33 y 34. 28. Hallar la velocidad promedio del pistón mediante las ecuaciones 35 y 36. 29. Sacar los valores promedio de los 360 datos calculados. 30. Hallar el trabajo en la expansión y en la compresión mediante las ecuaciones 37 y 38. 31. Hallar el trabajo neto del sistema mediante la ecuación 39. 32. Hallar la potencia indicada del motor mediante la ecuación 40. 33. Calcular la potencia al freno mediante la ecuación 41. 34. Determinar el flujo másico de combustible mediante la ecuación 42. 35. Calcular el torque real del motor mediante la ecuación 43. 36. Hallar el consumo específico de combustible al freno mediante la ecuación 44. 37. Hallar la proporción de lumbrera descubierta con respecto a la altura total de la lumbrera en los puntos en que el pistón se encuentre cubriendo y descubriendo la lumbrera mediante la ecuación 45. 38. Dividir el cálculo de la masa que se pierde en tres fases: escape, barrido y escape (exhaust scavening). Hallar los promedios de presiones y temperaturas para estas tres fases. 39. Hallar el gasto, la masa que se pierde y la masa remanente durante el escape mediante las ecuaciones 46, 47 y 48. 40. Hallar el tiempo total de la fase de barrido mediante la ecuación 49. 54 41. Calcular el gasto de fluido que sale por la lumbrera de escape y el tiempo remanente mediante las ecuaciones 50 y 51. 42. Hallar el gasto en el barrido mediante la ecuación 52. 43. Determinar la masa remanente mediante la ecuación 53. 44. Calcular la masa que entra al cilindro hasta que la lumbrera de transferencia se cierra mediante la ecuación 54. 45. Hallar la masa que se pierde mientras se cierra la lumbrera de transferencia mediante la ecuación 56. 46. Determinar la Masa Atrapada en toda la segunda fase mediante la ecuación 57. 47. Calcular el gasto en la última fase mediante la ecuación 58. 48. Hallar el tiempo total de la tercera fase mediante la ecuación 59. 49. Determinar la masa total atrapada en la última fase mediante la ecuación 60. 50. Hallar la masa total atrapada en todo el ciclo mediante la ecuación 61. 51. Calcular el porcentaje de mezcla que se pierde mediante la ecuación 62. 52. Hacer el cálculo de las cargas que se ejercen sobre el mecanismo pistónbiela-cigüeñal mediante las ecuaciones 63 a 70. 53. Determinar el peso de las contrapesas mediante las ecuaciones 71 y 72. 54. Para el diseño de la culata tener en cuenta el volumen de la cámara de combustión, su diámetro, el orificio para ubicar la bujía y la ubicación de las aletas de refrigeración. 55 55. Para el diseño del bloque determinar el diámetro interno que pueda alojar a la camisa, la posición y el tamaño de las lumbreras y las aletas de refrigeración. 56. Para el diseño de la camisa, tener en cuenta la posición de las lumbreras, el largo de la carrera y el diámetro del cilindro. 57. Para el diseño del pistón hay que tener en cuenta el diámetro del cilindro, la posición del orificio del bulón, la cavidad interna para alojar la cabeza de la biela y las ranuras para los anillos. La mayoría de estas relaciones se determinan según la tabla 8. 58. Para el diseño de la biela se debe tener en cuenta su largo entre centros, y el diámetro hallado mediante la ecuación 73. 59. Para el diseño del cárter hallar las ecuaciones de la cavidad interior mediante las ecuaciones 74 a 80. 60. Para diseñar el cigüeñal hay que tener en cuenta la longitud del eje con respecto al cárter y el tamaño y peso hallado de las contrapesas. 61. Según los planos de las piezas diseñadas proceder a su construcción. El proceso de diseño y construcción puede variar de acuerdo a las condiciones específicas de cada motor y a criterios de diseño. 56 4. DESARROLLO INGENIERIL 4.1 CÁLCULOS TERMODINÁMICOS Para describir el proceso termodinámico y calcular parámetros geométricos iníciales en un motor con las especificaciones requeridas en el presente trabajo, se desarrollaron los siguientes pasos: Como punto de partida para él diseño se toman los parámetros atmosféricos estándar al nivel del mar y los normales de funcionamiento en un motor que trabaje bajo el ciclo de dos tiempos. Los datos asumidos fueron: • Revoluciones por Ciclo = n = 1; debido a que el motor Otto de dos tiempos realiza un ciclo en un giro completo del cigüeñal, a diferencia del motor de cuatro tiempos que lo realiza en dos revoluciones. De la misma manera el número de ciclos es 1. • Para hallar el peso del motor se tomaron especificaciones de motores con rangos de potencia similar al determinado para este proyecto. 57 Tabla 1. Especificaciones de motores similares al propuesto. Motor Desplazamiento [cm³] Potencia [HP] Peso [Kg] Q75M 72 8-10. 3 Q75B 72 8-10. 2,4 Q75RSS 72 10-12. 2,3 Q100M 98 9,5-12. 3,8 Q100B 98 9,5-12. 3 Q1000B 105,6 9,4 2,7 Fuente: Rcuniverse [online]. [Consultado el 15 de Julio de 2006] Disponible en internet < www.rcuniverse.com/product-guide/engineprofile.cfm • La presión media efectiva al freno (bmep) por la tabla 2 se asumió que sería: 7 atm = 709.275 KPa. • Relación del largo de la biela (Ratio of Connecting Rod Length): RLB = 3.5. Esta es la relación entre la longitud de la biela y el radio de giro del cigüeñal. Para motores pequeños, esta relación está entre 3 y 5. 2 • La relación de compresión (Rc) se asumió como 7. Dato que se encuentra dentro del rango utilizado para motores 2T. Tomado de la tabla 2 2 PULKRABEK, Willard W. Engineering Fundamentals Of The Internal Combustion Engine. United States, Prentice Hall, 1997. p. 37. 58 Tabla 2. Diseños típicos y datos operacionales para motores de combustión interna Fuente: HEYWOOD, John B. Internal Combustion Engine Fundamentals. Estados Unidos de América: McGraw Hill, 1988.954 p. 51. • Se asumen condiciones atmosféricas de diseño a nivel del mar, las cuales son: Presión Inicial = Presión Atmosférica: Pi = 101325 Pa, y temperatura Inicial = Temperatura Atmosférica: Ti = 288.16 K. • Dadas las propiedades termodinámicas del aire, se tiene que la constante adiabática del aire será K=1.4; la constante adiabática de los gases de combustión será K. =1.35; el poder calorífico a volumen constante será CV = 821 J/Kg K, y la constante de los gases ideales será R = 287 J/KgK, de acuerdo a la tabla 3 : 59 Tabla 3. Propiedades termodinámicas del aire Fuente: PULKRABEK, Willard W. Engineering fundamentals of the internal combustion engine; Estados Unidos de América; Prentice Hall, 1997. p. 379 Tabla A1. • Porcentaje de mezcla que se escapa por la Lumbrera de Escape Z = 21 % Los valores de residuo del exhosto están en el rango del 3 al 7% a carga completa, este valor se puede incrementar hasta un 20% a baja carga. Se asume un valor de 21% teniendo en cuenta pérdidas adicionales por varios motivos como pueden ser defectos en la construcción.3 • Relación estequiométrica aire-combustible, AF = 15. El dosado estequiométrico ideal para la mayoría de combustibles es de 15:1. La 3 PULKRABEK, Op. cit., p. 88, 89. 60 combustión es posible para valores entre 6 y 19. Con 6 mezcla muy rica y 19, muy pobre. 4 • Rendimiento de la combustión, ηc = 0.95, y el rendimiento mecánico del motor, ηm = 0.75. La eficiencia mecánica está entre el 75% y el 95% para motores de última generación, y la eficiencia de la combustión se encuentra entre el 95% y el 98%. 5 Se asumió que el motor, por ser el primer diseño, no presentaría unos rendimientos muy altos, por lo tanto se tomaron los valores inferiores de los anteriores rangos. • Poder calorífico del combustible, QHV = 43000000 J/ Kg y el poder calorífico del aceite 2T, QHV = 45800000 J/ Kg. 6 Para el cálculo del poder calorífico de la mezcla combustible- aceite se utilizó la siguiente ecuación: ⎛ % Aceite ⎞ ⎛ %Combustible ⎞ QHV ≡ ⎜ ⎟ × QHV Aceite ⎟ × QHV combustible + ⎜ 100 ⎝ 100 ⎠ ⎝ ⎠ (3) J ⎛ 2,44 ⎞ J ⎛ 97,56 ⎞ QHV ≡ ⎜ ⎟ × 43000000 + ⎜ ⎟ × 45800000 kg ⎝ 100 ⎠ kg ⎝ 100 ⎠ QHV ≡ 43068320 4 J kg PULKRABEK, Op. cit., p. 56. PULKRABEK, Op. cit., p. 47- 59. 6 Valores de poder calorífico, consultados en:<http://www.redproteger.com.ar/poder_calorifico.htm> 5 61 Para la ecuación 3 se utilizó una relación de 40 partes de combustible por 1 de aceite7 por ende los valores anteriores correspondientes al 97,56% y 2,44% se obtienen de dicha relación. 4.2 GEOMETRIA Y DIMENSIONAMIENTO DEL MOTOR Con base en datos estadísticos de motores de aproximadamente diez caballos de potencia que existen en el mercado, se realizó un cálculo de datos promedio (ver tabla 1) cuyo resultado de desplazamiento obtenido se utilizó como dato de partida de diseño, junto con la necesidad de generar 10 HP. Adicionalmente se determinó que el motor va a ser cuadrado debido a que esto conlleva a la eliminación de una variable matemática y por ende, facilitar los cálculos. A su vez se determinó que el motor será de un solo cilindro debido a practicidad en el diseño. 7 Parámetros de funcionamiento del motor de dos tiempos. Consultado en: <http://www.bogotaracingteam.com/foroBRT/viewthread.php?tid=707>) 62 4.2.1 Parámetros Geométricos Figura 13. Geometría del pistón y cilindro de un motor recíproco. B = Diámetro; S= Carrera; r = largo de la biela; a = Diámetro del cigueñal; s = Posición del pistón; θ = Angulo de crank; Vc = Volúmen de la cámara de combustión; Vd = Volúmen desplazado. • Volumen Desplazado: Con base en el rango que manejan los motores de la tabla 1, se determinó que el volumen desplazado del motor será de: 8.62 x10-5 m3, y por tal razón el desplazamiento tendrá un valor igual debido a que el motor tiene solo un cilindro, y el desplazamiento es igual al volumen desplazado multiplicado por el número de cilindros: D = Vd × N °Cilindros 63 (4) Por medio del volumen desplazado se pueden calcular algunos parámetros geométricos como son el diámetro y la carrera: Vd = B= 3 4 × Vd π =3 π .b 3 (5) 4 0,00008626 67 m3 π = 0,04789 m B = S = 0,04789 m • Volumen cámara de combustión: Teniendo en cuenta la relación de compresión (Rc = 7, tomada de los datos iniciales), y el volumen desplazado se calculó el volumen de la cámara de combustión. Rc = 7= Vd + Vcc Vcc (6) 0,0000862667 m3 + Vcc Vcc Vcc = 1,43x10-05 m3 Con el dato de la carrera, y mediante la ecuación que la relaciona con el radio de giro del cigüeñal (a), se encuentra este valor: S=2xa a= 0,0239 m 64 (7) Con la relación entre el largo de biela (RLB) y el radio de giro del cigüeñal (a), se determina el largo de la biela: RLB = 3,5 (tomado de los datos iniciales) RLB = r/a (8) r = 3,5 x (0,023945m) = 0,083 m • Altura de las lumbreras Para el cálculo de la altura de las lumbreras se estableció una relación entre la carrera de varios motores de dos tiempos y la ubicación de sus lumbreras, con esto se obtuvo el porcentaje de ubicación de cada una: Tabla 4: Altura de lumbreras de transferencia y escape. Carrera IAME Puma 85 cc. Yamaha 2008 Yamaha YZ 2008 DI BLASI M1 Altura de la Altura de la lumbrera lumbrera de de Escape. transferencia. (mm) (mm) Porcentaje de altura de lumbrera de escape Porcentaje de altura de la lumbrera de transferencia 46 26,8 51,7 58,4 80,9 72 39,8 55,1 55,4 76,6 54,5 32,4 44,5 59,5 81,8 41,88 22.2 31.3 53,2 74,8 65 Los porcentajes de los promedios de las alturas ambas lumbreras serán de 56,62% para la lumbrera de escape y de 78,52% para la lumbrera de transferencia Escape: B x 56.6 % = 0,04789 m * 0.565 = 0,027 m (9) Transferencia: B x 78.5 % = 0,04789 m * 0.785 = 0,037 m Estas dimensiones están tomadas desde el borde superior de la camisa hasta la mitad de la altura de ambas lumbreras. • Volumen ocupado del cilindro desde las lumbreras hasta el PMS: Para determinar el volumen que ocupa la mezcla desde la ubicación de ambas lumbreras hasta el PMS, se utilizan las siguientes ecuaciones: Escape: VLe = πB² 4 × hLe = π (0,04789m)² 4 × (0,027 m) = 4,88 × 10- 05 m³ (10) Transferencia: VLt = πB² 4 × hLt = π × (0,04789m)² 4 × (0,037m) = 6,77 × 10-05 m³ (11) Para efectos de cálculos termogasodinámicos, el volumen en el punto 6 del ciclo es la suma del volumen ocupado del cilindro desde la lumbrera de escape hasta el 66 PMS más el volumen de la cámara de combustión, como se muestra en la siguiente ecuación: V6 = VLe + Vcc. = 4,87 × 10-05 m³ + 1,43x10-05 m3 = 6,32 x 10-05 m3 (12) Con base en los parámetros geométricos determinados, se procedió a realizar simultáneamente el diseño de: biela, bulón y pistón. (Ver capítulo diseño de componentes del motor). Y de acuerdo al material utilizado y mediante la ayuda de un programa de CAD (Solid Edge Versión 18), se hallaron los siguientes volúmenes: • Volumen crankcase = 3.65x10-04 m³ • Volumen pistón y bulón= 5,54x10-05 m³ • Volumen biela = 1,97x10-05 m³ • Volumen cigüeñal = 7,86x10-05 m³ 4.2.2 Parámetros Termogasodinámicos. Los primeros parámetros a determinar son los volúmenes inicial y final. El volumen inicial se define como el volumen desplazado más el volumen del cárter, menos el volumen del conjunto pistónbulón-biela-cigüeñal. 67 El volumen final se define como el volumen ocupado por la lumbrera de transferencia hasta el punto muerto superior más el volumen del cárter, menos el volumen del conjunto pistón-bulón-biela-cigüeñal. Ambos volúmenes se determinan mediante las siguientes ecuaciones: Volumen inicial: Vi = (Vd + Vcr) – (Vp + Vb + Vcs) (13) = (8.62x10-05 m3+ 3.65x10-04 m³) + (5,54x10-05 m³ + 1,97x10-05 m³+ 7,86x10-05 m³) = 2.97x10 -04 m³ Volumen final: Vf = (VLt + Vcr) – (Vp + Vb + Vcs) (14) = (8.62x10-05 m3+3.65x10-04 m³) + (5, 54x10-05 m³ + 1, 97x10-05 m³+ 7,86x10-05 m³) = 2.78x10 -04 m³ • Compresión en el cárter (Crankcase compression): Para hallar la presión y la temperatura en esta parte del proceso se utilizan las siguientes ecuaciones: ⎛V PF = Pi ⎜ i ⎜V ⎝ f K -04 ⎞ ⎛ ⎟ = 101325Pa × ⎜ 2,92x 10 m³ ⎜ 2,73x 10 -04 m³ ⎟ ⎝ ⎠ 68 ⎞ ⎟⎟ ⎠ 1.4 = 1.11x 10 5 Pa (15) ⎛V TF = Ti ⎜ i ⎜V ⎝ f ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ K −1 ⎛ 2,92x 10 - 04 m³ = 288.16K × ⎜⎜ - 04 ⎝ 2,73x 10 m³ 1.4 −1 ⎞ ⎟⎟ ⎠ = 295.67 K (16) Las presiones P3, P4 y P5, que son las presiones de barrido, son iguales a la presión Pf = 1.11*105 Pa. Y las Temperaturas T3, T4 y T5 que también son de scavenging, son iguales a la Temperatura Tf = 295.67 K • Barrido (Scavenging): La temperatura real del ciclo es un promedio entre la temperatura final y la temperatura atmosférica, esta temperatura se halla mediante la siguiente ecuación: Temperatura Real = TRe al = T f + Tamt 2 = 295.67 K + 288.16 K = 291.91K 2 (17) Para calcular la masa máxima se utiliza la ecuación de los gases ideales: P ×V = m × R × T (18) Para determinar la masa máxima de combustible en el ciclo, se utilizó la presión y temperatura final, el volumen ocupado desde la lumbrera de escape hasta el punto muerto superior, y la constante de los gases ideales: 69 mmax = Pf × VLe R × Tf = (1.11× 105 Pa) × (4,88 × 10-05 m³) = 6.38x10−5 kg 287 × 295.67 K (19) Una desventaja de los motores de 2 tiempos es que cierto porcentaje de mezcla se pierde por la lumbrera de escape durante el ciclo, en el momento en que ambas lumbreras se encuentran abiertas. Para el cálculo de la masa real de combustible, se toma de los datos iniciales que dicha pérdida es del 21%. mreal = mmax (1 − Z ) = 6.38 x10 −5 Kg × (1 − 0.21) = 5.04 x10 −5 Kg (20) La presión en el punto 6 del ciclo se calculó también mediante la ley de los gases ideales utilizando la masa real de mezcla aire- combustible, la temperatura real, y el volumen en el punto 6, el cual es el volumen de la cámara de combustión mas el volumen de mezcla que puede alojarse en el espacio comprendido desde la lumbrera de escape hasta el punto muerto superior. P6 = mreal × R × Treal = V6 5.04 x10−5 Kg × 291.91K × 287 J kg × K 6.32x10−5 m³ T6 = Treal = 291,91K 70 = 66810.20Pa (21) • Compresión: Utilizando el volumen de la cámara de combustión hallado previamente, se determina la presión y la temperatura para esta parte del ciclo. Volumen Cámara de Combustión = V7 = 1,43x10-05 m3 K 1.4 ⎛ V6 ⎞ ⎛ 6,32 *10 - 05 m 3 ⎞ ⎜ ⎟ ⎟ P7 = P6 ⎜ ⎟ = 66810 ,20 Pa × ⎜⎜ - 05 3 ⎟ V 1,43x10 m 7 ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎛V ⎞ T7 = T6 ⎜⎜ 6 ⎟⎟ ⎝ V7 ⎠ • K −1 = 531035 ,50 Pa (22) 1.4 −1 ⎛ 6,32 *10 - 05 m 3 ⎞ ⎟ = 291,91K × ⎜⎜ - 05 3 ⎟ ⎝ 1,43 × 10 m ⎠ = 527 .81K (23) Combustión: Para este punto de los cálculos se asumió que la masa de la mezcla sería igual al valor de la masa real. mmezcla = mreal = 5.04*10-5 kg (24) La masa del combustible puede determinarse mediante la siguiente ecuación: mf = 1 1 × ( mmix ) = × (5.04 x10−5 Kg ) = 3.15 x10− 6 kg 15 + 1 AF + 1 (25) De la siguiente ecuación se despeja T1, obteniendo: mf × QHV × η c = mmix × CV × (T1 − T7 ) 71 (26) ⎛ mf × QHV × ηc ⎞ ⎟⎟ + T7 T1 = ⎜⎜ × m C mix v ⎝ ⎠ T1 = 3642,53 K La combustión se lleva a cabo entre los puntos 7 a 1 del ciclo, la presión en el punto 1 se halla mediante la siguiente ecuación: ⎛T ⎞ ⎛ 3642,53K ⎞ P1 = P7 ⎜⎜ 1 ⎟⎟ = (531035,50 Pa ) × ⎜ ⎟ = 3664732,49 Pa ⎝ 527,81K ⎠ ⎝ T7 ⎠ (27) Volumen Cámara de Combustión = V1 = 1,43x10-05 m3 • Expansión: El volumen en el punto 2 del ciclo es igual al volumen en el punto 6 (Ver gráfica del ciclo). V2 = V6 = 6,32 x 10-05 m3 El punto 2 es la expansión en el ciclo, la presión y temperatura en este punto se hallan mediante las siguientes ecuaciones: ⎛V ⎞ P2 = P1 ⎜⎜ 1 ⎟⎟ ⎝ V2 ⎠ K. 1.35 ⎛ 1.43 × 10 − 5 m 3 ⎞ ⎟ = 3664732 ,49 Pa × ⎜⎜ - 05 3 ⎟ ⎝ 6,32 × 10 m ⎠ 72 = 496494 ,45 Pa (28) ⎛V ⎞ T2 = T1 ⎜⎜ 1 ⎟⎟ ⎝ V2 ⎠ • K . −1 1.35 −1 ⎛ 1.43 × 10 − 5 m 3 ⎞ ⎟ = 3642 ,53 K × ⎜⎜ -5 3 ⎟ ⎝ 6,32 × 10 m ⎠ = 2169 ,36 K (29) Escape (Exhaust blowdown): Se realizó el cálculo para hallar la temperatura durante el escape de los gases. ⎛P ⎞ T3 = T2 ⎜⎜ 3 ⎟⎟ ⎝ P2 ⎠ k . −1 k. ⎛ 1,11 × 10 Pa ⎞ ⎟⎟ = 2169 ,36 K × ⎜⎜ ⎝ 49694 ,45 Pa ⎠ −5 1, 35 −1 1, 35 = 1470 ,76 K (30) La presión en el punto 3 fue hallada previamente en el cálculo de temperaturas y presiones. 4.3 CÁLCULO DE PARÁMETROS DE FUNCIONAMIENTO 4.3.1. Cálculo de revoluciones por minuto • Valores iniciales: Los datos de la siguiente tabla se obtuvieron con la ayuda de un programa de CAD (Solid Edge versión 18), el cual halló masas y centros de gravedad, Dada la geometría de los componentes y su material. 73 Tabla 5. Geometría y dimensiones de la biela Geometria Simbolos Valores Brazo desde el c.g hasta orificio Bulon s (mm) 28,73 Brazo desde el c.g hasta orificio Muñón b (mm) 55,09 Largo Biela L(mm) 83,82 Masa De la Sección mayor de la Biela ms (kg) 0,073 Masa De la Sección menor de la Biela mb (kg) 0,082 Masa reciprocante Mp(kg) 0,26 Masa rotativa Mr(kg) 0,082 Radio Cigüeñal r(mm) 23,945345 De esta forma se determinó la masa rotativa la cual es la suma de la masa del pistón, bulón y sección mayor de la biela, y la masa reciprocante, la cual es la masa de la sección menor de la biela. Para la masa reciprocante: m R = m pistón + mbulón + msec ciónmayorbiela mR = 0,146kg + 0,026kg + 0,073kg =0,245kg 74 (31) Para la masa rotativa: m r = msec ciónmaenorbiela (32) m r = 0,082kg Para cada ángulo de rotación del cigüeñal se determinó la velocidad angular por medio de la siguiente ecuación: ω² = ω= 2 Wneto r ⎡ ⎤ r ² ⎢m R ( senθ + sen2θ )² + mr ⎥ ² 2L ⎣ ⎦ (33) 2 * Wneto r ⎡ ⎤ r ² × ⎢m R × ( senθ + sen2θ )² + mr ⎥ ² 2L ⎣ ⎦ Esta ecuación es una manera de expresar la relación entre el principio de trabajo y energía y varias relaciones cinemáticas. Teniendo la velocidad angular (ω), se halló la velocidad del pistón (Vf), para cada ángulo de rotación, por medio de la siguiente fórmula: Vf = rω ( senθ + 75 r sen2θ ) 2L (34) Posteriormente para hallar la relación entre la velocidad para cada ángulo de rotación con la velocidad promedio, se uso la siguiente fórmula: Up U prom = ⎡ ⎤ cos θ senθ ⎢1 + 1 ⎥ 2 ⎢⎣ (R ² − seno²θ ) 2 ⎥⎦ π (35) La velocidad promedio del pistón fue calculada teniendo en cuenta el promedio de las velocidades angulares y la carrera por medio de la siguiente ecuación: Up _ prom(m / s ) = ω × 2× B 60 (36) Utilizando como variables la velocidad angular y la longitud de la carrera, se calculó para cada ángulo de giro su correspondiente velocidad en metros por segundo. Las ecuaciones anteriores se realizaron por medio de una programación usando Microsoft Office Excel, para calcular los resultados para cada ángulo del cigüeñal, finalmente se obtuvieron los siguientes valores: • RPM promedio: 9790,97 • RPM máximas: 14244,2 • RPM mínimas: 7136,22 • Velocidad promedio del pistón: 16.003 m/s 76 Figura 14. Velocidad angular Vs. Posición del cigüeñal. Figura 15. Velocidad del pistón Vs. Posición del cigüeñal 77 4.3.2 Cálculos básicos de desempeño Teniendo en cuenta los valores calculados de RPM, se calculan los siguientes parámetros de performance básicos: • Trabajo: La fuerza debida a la presión del gas sobre el pistón genera el trabajo en un motor de combustión interna. Es el resultado de cualquier motor, se genera gracias a los gases de combustión dentro del cilindro. 8 A) En la Expansión: El trabajo en la expansión es el resultado de la masa de la mezcla por la constante de los gases ideales por la diferencia de temperaturas durante este proceso, sobre la diferencia entre la unidad y la constante adiabática de los gases de combustión: WE = mmix × R × (T2 − T1 ) = 1− K 5.040 x10− 5 kg × 287 J × (2169,36 K − 3642,53K ) kg × k 1 − 1,35 (37) WE = 60,88 J B) En la compresión: El trabajo en la compresión es negativo debido a que la máquina es la que está realizando trabajo sobre el sistema (mezcla airecombustible), y se calcula con los mismos parámetros que en la expansión, pero con las temperaturas de la compresión como tal, y la constante adiabática del aire: 8 PULKRABEK Op. Cit., p. 44. 78 WC = mmix * R * (T7 − T6 ) = 1− K 5.04 x10− 5 kg × 287 J × (527,81K − 291,91K ) kg × K 1 − 1,4 (38) Wc = −8,53 J El trabajo neto del ciclo es la suma de los anteriores trabajos: WNETO = WE + WC = 60,88 J + (−8.53 J ) = 52.35 J • (39) Potencia indicada: Es el trabajo realizado por un cilindro en un ciclo, se halla multiplicando el trabajo neto por el número de revoluciones por segundo por el número de cilindros del motor, lo anterior dividido entre el número de revoluciones por ciclo, así: Wi = WNETO × N × ( N º CIL) 53,35 J × (237,321RPS ) × 1 = = 12429,11W = 16,6 HP n 1rev / ciclo (40) • Potencia al freno: Es la potencia real que produce el motor al deducirle de la potencia indicada las pérdidas mecánicas del motor expresadas como un rendimiento mecánico: Wb = Wi × ηm = 16,66 HP × 0.75 = 12,50 HP = 9321,83W 79 (41) • Flujo másico de combustible: Se determina multiplicando la masa de combustible por la velocidad angular en revoluciones por segundo por el número de cilindros, dividido entre las revoluciones por ciclo: . mf = • mf × N × Nocilindros 3,150 x10 −6 kg × 237,321RPS × 1 kg = = 7,476 x10 − 4 rev n s 1 ciclo (42) Torque real: El torque es un indicador de la habilidad de un motor para realizar trabajo, se define como la fuerza transmitida al conjunto rotatorio del motor, por la distancia al centro del cigüeñal. Se multiplica una constante de conversión por la potencia al freno en HP, sobre la velocidad angular: τb = • 159,2 × W 159,2 × 12,488Hp = = 8,377 N .m N 237,321RPS (43) Consumo específico de combustible al freno (BFSC): Es un parámetro comparativo que muestra con qué tanta eficiencia convierte un motor el combustible en trabajo.9 Se halla con la relación entre el flujo másico de combustible y la potencia al freno. 9 OBERT, Edward F. Motores de combustión interna, análisis y aplicaciones. México, Compañía editorial continental S.A., 1966. P. 70 80 . BSFC = mf . Wb = 7,476x10− 4 12,50HP kg s = 5,98x10−5 kg HP × s (44) 4.3.3 Cálculo de porcentaje de mezcla que se pierde durante el barrido. Para realizar este cálculo, se divide el porcentaje de masa en tres partes: la masa que se pierde durante el escape, que es la fase en la cual se abre la lumbrera de escape; la masa que se pierde durante el barrido que es la fase que transcurre desde que se abre la lumbrera de transferencia, hasta que se vuelve a cerrar y finalmente la masa que se pierde durante el barrido de escape que es la fase que transcurre hasta que se cierra de nuevo la lumbrera de escape. Lo primero que se determinó fue la posición del pistón para cada ángulo de giro del cigüeñal, para eso se asumió que para la posición de 90° de giro del cigüeñal, el pistón se encontraría en la mitad de la carrera (23,94mm desde el PMS ó PMI). Los demás valores se hallaron tomando una proporción directa entre el ángulo de giro del cigüeñal y el avance del pistón en su carrera, los valores se calcularon de 0° a 179°, y como para la posición 180° a 359° el pistón realiza su carrera ascendente, los valores serán los mismos teniendo en cuenta que el movimiento se invierte. 81 Conociendo la altura de la lumbrera de escape y su ubicación de acuerdo al PMS, se determinó en qué ángulos de posición del cigüeñal se abría y se cerraba la lumbrera de escape. Posteriormente se procedió a encontrar la proporción de la lumbrera descubierta con respecto a su altura total, por medio de la siguiente ecuación: m¨= hlumbreradestapada hlumbrera (45) Siendo m¨ la proporción de la lumbrera descubierta, respecto a la altura total de la lumbrera. Dada la altura de esta, se determinó que se empieza a abrir y queda totalmente abierta en 19° de giro de cigüeñal. La lumbrera de escape se empieza a descubrir en el ángulo 93° y queda totalmente abierta en el 111°; la lumbrera de transferencia empieza a descubrirse en el ángulo 131° y se destapa totalmente en el 149°. Para la carrera de retorno, la lumbrera de transferencia se empieza a cubrir nuevamente desde el ángulo 211 hasta el 229°, y para la lumbrera de escape lo mismo, desde el 249° hasta el 267°. Con base en la fracción de lumbrera abierta, y con ayuda de la gráfica, se determinó el coeficiente de descarga. El proceso de selección se realizó tanto para lumbreras cuadradas como para lumbreras redondas, ambas con entradas redondeadas. 82 Figura 16: Coeficiente de descarga vs. Fracción de apertura de lumbrera Fuente: PULKRABEK, Willard W. Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engines. Estados Unidos de América: Prentice Hall. p.247. La presión y la temperatura se obtienen a partir de los cálculos termogasodinámicos. Se tomaron promedios de presión para cada una de las fases así: • Fase A: Promedio entre la presión atmosférica y la de expansión. • Fase B: Promedio entre la presión de expansión y la de barrido. • Fase C: Promedio entre la presión de barrido y atmosférica. Para las temperaturas se tomaron los promedios de las diferentes fases igual que en el paso anterior. 83 Tabla 6. Promedios de presiones y temperaturas en las diferentes fases Po (Pa) • To (K) Fase A 298909,729 1228,764 Fase B 106103,607 291,918 Fase C 88846,209 293,798 Fase A: Escape (Exhaust Blowdown): Teniendo en cuenta que el gasto es un flujo másico por unidad de tiempo, al multiplicarlo por el tiempo durante el que permanecen abiertas las lumbreras, se encuentra la masa que se pierde, por lo tanto se tiene la siguiente ecuación: K +1 ⎞ 2 ( K −1) C × AR × p0 1 / 2 ⎛⎜ 2 ⎟ Geeb = D1 K ⎟ ⎜K 1 + R × T0 prod ⎠ ⎝ (46) El gasto es igual a la relación entre el coeficiente de descarga ( C D1 ), el área de referencia (AR) y la presión ( p0 ), y la raíz de la multiplicación de una constante adiabática (R) por la temperatura (T0), todo esto multiplicado por una constante. Con los datos anteriores se calculó el gasto para cada posición del cigüeñal durante una revolución, y, finalmente con todos los datos obtenidos, se halló un 84 gasto promedio. Con el gasto promedio se calculó la masa que se pierde durante el escape mediante la siguiente ecuación: m = eb e Geeb prom × (θ f − θ i ) ω (47) La masa que se pierde durante esta fase va será igual a la relación entre el gasto promedio ( Ge eb prom ) y su multiplicación por la posición del cigüeñal (θ f − θ i ) , sobre la velocidad angular del cigüeñal ( ω ). La masa remanente se halló restándole a la masa inicial la masa que se pierde durante el escape (exhaust blowdown). Esta es la masa inicial del barrido (scavenging). mremanente = mi − meb (48) Para los dos tipos de lumbreras se hizo un análisis igual y se obtuvo la masa remanente: Para la lumbrera circular: 3,45X10-5 kg Para lumbrera rectangular: 3,41X10-5 kg • Fase B: Barrido (Scavenging): Se supuso que la mezcla barrió los gases completamente sin mezclarse con los productos de la combustión. Lo 85 primero que se calculó fue el tiempo total que duró éste proceso, por medio de la siguiente ecuación: sc t total = sc ttotal = Δθ sc N (49) 1,71rad = 0,00166s rad 1025,11 s Que es el tiempo total que dura este proceso. El valor de 1,71 radianes equivale a 98° los cuales son los grados que gira el cigüeñal para que el pistón realice esta fase. Ge1sc representa el gasto de fluido que sale por la lumbrera de escape, que, por ser un flujo subcrítico, se calculó por la siguiente ecuación: 1 Ge1sc = C D × AR × Po ⎛ pT ⎜ R × To ⎜⎝ po 1 ⎞γ ⎟⎟ ⎠ γ −1 ⎧ ⎡ ⎤⎫ 2 ⎛ ⎞ pT γ ⎥ ⎪ ⎪ 2γ ⎢ ⎟ 1− ⎜ ⎨ ⎢ ⎜⎝ po ⎟⎠ ⎥ ⎬ γ 1 − ⎪ ⎢⎣ ⎥⎦ ⎪⎭ ⎩ (50) Este gasto se calcula con la relación entre ( C D1 ), el área de referencia (AR) y la presión ( p0 ), y la raíz de la multiplicación de una constante adiabática (R) por la temperatura (T0), todo esto multiplicado por una constante que utiliza las pesiones de esta fase. 86 El tiempo remanente se calculó mediante la siguiente ecuación: mremanente Ge1sc t remanente = (51) Con el tiempo remanente (tremanente) y el gasto en el scavenging (GiSC) se calculó la masa de esta parte del proceso (mi1SC): 1 1 Gi SC = C D × AR × Po ⎛ pT ⎞ γ ⎟ ⎜ R × To ⎜⎝ po ⎟⎠ mi1 SC γ −1 ⎧ ⎡ ⎤⎫ 2 γ ⎞ ⎛ p γ 2 ⎪ ⎢1 − ⎜ T ⎟ ⎥ ⎪ ⎨ ⎟ ⎥⎬ ⎢ ⎜ ⎪γ − 1 ⎢ ⎝ po ⎠ ⎥ ⎪ ⎣ ⎦⎭ ⎩ = Gi SC × t remanente (52) (53) Adicionalmente con el gasto en el barrido (scavenging) (GiSC) más el tiempo total del proceso de exhaust scavenging (tSE Total) se calculó la masa que entró al cilindro hasta que la lumbrera de transferencia se volvió a cerrar (mi2SC), y la masa que se perdió mientras se cerró la lumbrera de transferencia (me2SE) : mi2 SC SE = Gi SC × (tTotal − t remanente ) 87 (54) 1 Ge2SC = C D × AR × Po ⎛ pT ⎜ R × To ⎜⎝ po 1 ⎞γ ⎟⎟ ⎠ γ −1 ⎧ ⎤⎫ 2 ⎡ ⎛ ⎞ pT γ ⎥ ⎪ ⎪ 2γ ⎢ ⎟ 1− ⎜ ⎨ ⎢ ⎜⎝ po ⎟⎠ ⎥ ⎬ 1 γ − ⎪ ⎥⎦ ⎪⎭ ⎢⎣ ⎩ se mese2 = GeSC2 × (tTotal − t remanente ) (55) (56) Por medio de la diferencia de las masas anteriormente calculadas se determinó la masa atrapada para toda esta etapa. ( ) SC m atrapada 1 = miSC − m eSC2 1 + mi 2 SC • (57) Fase C: Escape (Exhaust Scavenging): Se calculó para esta última fase el valor de la masa que se perdió en este proceso, el cual era la relación del gasto, tomado como un flujo subcrítico, y el tiempo que se demoró el proceso. 1 Ge es = C D × AR × p o ⎛ pT ⎜ R × To ⎜⎝ po 1 ⎞γ ⎟⎟ ⎠ γ −1 ⎧ ⎡ ⎤⎫ 2 ⎛ ⎞ pT γ ⎥ ⎪ ⎪ 2γ ⎢ ⎟ 1− ⎜ ⎨ ⎢ ⎜⎝ po ⎟⎠ ⎥ ⎬ − 1 γ ⎪ ⎢⎣ ⎥⎦ ⎪⎭ ⎩ (58) Con esta ecuación se determina el gasto en esta fase, la variable es el coeficiente de descarga. Luego se halla el tiempo total por la siguiente ecuación: 88 es = t Total es = tTotal Δθ es N (59) 0,645rad = 0,006 s rad 1025,11 s es mese = Gees × t Total (60) La masa total atrapada de todo el ciclo era la relación de la masa atrapada en la fase B y la masa antes calculada salió de la siguiente ecuación. SC se mTotalAtrapada = m Atrapada 1 − me (61) Dando como resultado un total de masa total atrapada en el ciclo de 2,39 x 10-5 kg. Por último se calculó el porcentaje de mezcla que se perdió por la lumbrera de escape, la cual era la relación entre la masa total atrapada y la masa teórica, el cálculo se realizó por medio de la siguiente ecuación. Z% = mTotal: Atrapada mTeorica 89 (62) Para las lumbreras de geometría circular, el cálculo dio el siguiente resultado: Z% = 2,39 × 10−5 kg × 100 = 47,607% 5,04 × 10− 5 kg Para las lumbreras de geometría cuadrada los valores resultantes fueron: Z% = 1,055 × 10−5 kg × 100 = 20,94% 5,04 × 10− 5 kg Dado que el porcentaje de pérdida de las lumbreras de geometría cuadrada era menor, se utilizaron estas lumbreras. Su geometría de 5 mm por 16,5 mm. Pues con esta geometría y con la programación de los cálculos, se garantiza un porcentaje de pérdida de 21% aproximadamente. 90 4.4 ANALISIS DE MATERIALES Tabla 7. Descripción de Materiales MATERIAL PARTE Bloque Aluminio 6061 Cigüeñal Acero 4140 Biela Acero 4140 Pistón Aluminio 7075 Camisa Acero S1518 Culata Aluminio 7075 Carter Aluminio al 99% Contrapesas Acero 4140 Bulón Acero 4140 Buje Bronce fosforado SAE 65 4.4.1 Aluminio. El Aluminio es un material blanco plateado que suele estar recubierto por una capa de óxido. Esto hace que sea inerte a los ácidos. Este metal tiene buenas propiedades térmicas, es maleable y dúctil, aunque tiene menos resistencia mecánica que el acero. El Aluminio y sus aleaciones suelen ser utilizados para aplicaciones diversas que incluyen montajes de aviones o piezas de motores, debido a que muestran varias ventajas. 91 El aluminio es un material muy ligero, su densidad es de 2700 kg/m3, la cual es realmente baja comparada con la del hierro que es de 7900 kg/m3. Tiene muy buena resistencia mecánica cuando es aleado con otros materiales, funciona muy bien incluso a altas temperaturas. El aluminio presenta una muy buena resistencia a la corrosión gracias a la película de alúmina (óxido), que se forma en su superficie de forma espontánea y lo protege de la corrosión. Entre sus ventajas también se tiene que es un material especialmente reciclable. Sobre las propiedades físicas de este material, cabe resaltar que tiene un punto de fusión bajo 660ºC (933ºK), su peso atómico es de 26,9815 u.m.a. Además presenta muy buenas propiedades físicas y se resalta su alta conductividad térmica y eléctrica. Sobre sus características mecánicas, se puede decir que el aluminio es muy fácil de mecanizar, además es muy maleable por lo que permite la producción de láminas muy delgadas. Es bastante dúctil por lo cual permite la fabricación de cables eléctricos. Es un material blando (Escala de Mohs 2-3) su límite de resistencia en tracción es de 160-200 MPa en estado puro, en estado aleado el rango es de 140-600 MPa. El duraluminio es una aleación particularmente resistente, permite la fabricación de piezas por fundición y moldeo. Es un material soldable, no magnético, atóxico y no produce chispa. 92 Aluminio 7075 Para la construcción del pistón y la culata el Aluminio que se usó fue el 7075, el cual es comúnmente usado para la fabricación de componentes mecánicos, debido a sus propiedades como: la aleación de alta resistencia, la buena maquinabilidad y soldabilidad. La composición química de este elemento es de entre un 5,1 y un 6,1% de zinc, entre un 2,1 y un 2,9% de magnesio, entre un 1,2 y un 2% de cobre, entre un 0,18 y un 0,28% de cromo, menos del 0,30 % de manganeso, menos del 0,50% de hierro y menos del 0,40% de silicio. Entre sus propiedades de diseño se tiene que la aleación 7075 tiene la capacidad de desarrollar una alta resistencia por tratamiento térmico y muy buenas propiedades a bajas temperaturas. Es mejor maquinar esta aleación en estado recocido. La capacidad para ser mecanizada es buena y deben usarse aceites lubricantes. Esta aleación puede ser recocida por solución a 482,22 °C por 2 horas a esta temperatura, seguido de enfriamiento en agua. Luego puede dársele un tratamiento térmico de endurecimiento por precipitación (envejecimiento). 93 Aluminio 6061 Para la construcción del bloque se usó un aluminio 6061, el cual es una aleación de Magnesio – Silicio. Tiene un buen comportamiento al cambio de forma, buena soldabilidad y resistencia a la corrosión, es usado ampliamente en Ingeniería y aplicaciones estructurales. Entre las propiedades mecánicas de esta aleación se tiene que su resistencia a la tensión es de 45,000 psi, la resistencia a la Elongación es de 40,000 psi, el porcentaje de elongación en 2”es de 10 y su dureza es de 95 Brinell. 4.4.2 Acero. Los aceros son aleaciones de hierro-carbono, aptas para ser deformadas en frío y en caliente. Generalmente, el porcentaje de carbono no excede del 1,76%. Entre las ventajas del acero se tiene su alta resistencia, su tenacidad, su uniformidad en su composición, su durabilidad, ductilidad y resistencia a la fatiga. Las propiedades del acero se pueden mejorar con la adición de elementos aleantes. Acero 4140 Para la construcción del cigüeñal, biela, bulón, y contrapesas, se uso un acero 4140, el cual es un acero de temple en aceite de medio carbono aleado al cromo 94 molibdeno de buena penetración de temple y con buenas características de estabilidad en caliente hasta 400°C sin fragilidad de revenido, muy versátil y apto para esfuerzos de fatiga y torsión en secciones pequeñas y medianas. Puede ser endurecido superficialmente por temple directo (a la llama o por inducción), obteniendo durezas de 57 a 62 Rockwell C. Generalmente se entrega con un tratamiento de bonificado (con dureza entre 28 a 32 HRC). Sus propiedades físicas son, una densidad de 7.85 g/cm3, su módulo de elasticidad es de 2.1 x 1011 Pa, su coeficiente de Poisson es de 0,3. Su composición química es de entre un 0.38 y un 0.43% de carbono, entre un 0,75 y un 1 % de manganeso, un 0,035% máximo de fósforo, un 0.04% máximo de azufre, entre un 0,2 y 0,35% de cromo y entre un 0,15 y un 0,25 % molibdeno. Acero al carbón 1518 Es un acero al carbono con alto contenido de manganeso. Se utiliza comúnmente para fabricación de componentes de maquinaria que requieran alta resistencia. La forma de tubo le permite ahorro de material cuando requiera fabricar piezas que deben tener hueco en su centro. Entre sus principales propiedades mecánicas se tiene una dureza entre los rangos de 190 - 220 dureza Brinell, un esfuerzo de fluencia de 490 MPa, un esfuerzo máximo 657 MPa y una elongación máxima de 18%. 95 Respecto a su composición química, se tiene que este acero contiene entre un 0.15 y un 0.21% de carbono; entre un 1.10 y un 1.40 % manganeso; máximo de 0.04 % fósforo y máximo 0.05 % azufre. Este acero puede ser sometido a varios tratamientos térmicos, como por ejemplo la cementación, este acero se puede normalizar entre 900 y 920°C, se puede endurecer por austenizado entre 860 y 890 °C y se puede templar en agua. 4.5 CARGA DEL MECANISMO PISTÓN-BIELA-CIGÜEÑAL 4.5.1 Cálculo de cargas que se ejercen sobre el pistón El análisis de las cargas que se ejercen sobre el pistón es una parte fundamental del proceso de diseño para poder predecir el comportamiento del motor durante su normal funcionamiento. Determinado la dirección y la magnitud de las cargas se puede analizar el funcionamiento de este mecanismo. 96 Figura 17. Distribución de cargas sobre el pistón. De acuerdo con la dirección en la que se producen las distintas fuerzas que actúan sobre el pistón se realiza una sumatoria de fuerzas en cada uno de los ejes de acuerdo a cada ángulo de movimiento del pistón: ∑ Fy = P gas − Fr cos θ ± Ff r = Pj (63) Donde: Pj= Fuerza inercial, la cual se generan debido a que el sistema no es estático. Esta fuerza se puede expresar de la siguiente manera: 97 Pj = − M R * j = − M R * R * ω 2 (cos α + 4 ρ 2 cos 2α − 16 ρ 4 cos 4α ...) 1 1 15 5 ρ 2 = λ + λ3 + λ + ... 4 16 512 (65) 1 3 3 5 35 7 λ + λ + λ + ... 64 256 4096 (66) R Radio _ Cigueñal = l Longitud _ de _ la _ Biela (67) ρ4 = λ= (64) • Pgas: Es la presión que el gas ejerce sobre el pistón en cada uno de los ángulos de movimiento del cigüeñal. La Fuerza que ejerce el gas, es el producto de la presión y el área del pistón (Ap). • Ffr: Fuerza de fricción. Se define a la fricción como una fuerza resistente que actúa sobre un cuerpo, que impide o retarda el deslizamiento de este respecto a otro o en la superficie que este en contacto. Esta fuerza es siempre tangencial a la superficie en los puntos de contacto con el cuerpo, y tiene un sentido tal que se opone al movimiento posible o existente del cuerpo respecto a esos puntos. Por otra parte estas fuerzas de fricción están limitadas en magnitud y no impedirán el movimiento si se aplican fuerzas lo suficientemente grandes. 98 Durante el movimiento de pistón se genera un esfuerzo cortante el cual actúa paralelamente a la dirección del movimiento. τ = F AP (68) F = AP *τ ⇒ F fr = μ du AP dy (69) Siendo: • µ: La viscosidad del aceite. (Stoke). • du: La velocidad instantánea del pistón (m/s). • dy: El espesor que existe entre la pared del cilindro y el pistón. (m). • AP: Área. (m2). Fr: Fuerza de reacción la cual tiene componentes en los dos ejes de movimiento del pistón. ∑ Fx = F senθ − F r t Donde: Ft, es la fuerza de empuje. 99 =0 (70) 4.6 CALCULO DE LOS CONTRAPESOS DEL MOTOR Los contrapesos del motor son una pieza fundamental para el correcto desempeño del mecanismo de movimiento del motor, ya que son las encargadas de generar la inercia necesaria para que el ciclo se cumpla correctamente, llevando el pistón nuevamente a su posición superior. Para calcular su peso es necesario realizar un análisis de las fuerzas que actúan sobre este mecanismo. Fuerza Centrifuga: La fuerza centrífuga es el producto de la masa por la aceleración centrifuga. La fuerza centrífuga surge al analizar el movimiento de un cuerpo desde un Sistema de Referencia No Inercial (acelerado) que describe un movimiento circular uniforme. Pc = M Ro * R * ω 2 (71) Donde M Ro es la masa rotativa, R es el radio de giro y ω 2 es la velocidad angular al cuadrado. Las fuerzas centrifugas de las masas rotativas son una causa de desequilibrio de un motor, estas fuerzas varían constantemente de dirección y de magnitud, lo que impide contrarrestarlas totalmente en todos los regímenes de funcionamiento. El cigüeñal incorpora un muñón a la que se une la cabeza de la biela y que sufre una fuerza centrífuga al girar que debe contrarrestarse por el apoyo del cigüeñal en el 100 cárter. Las fuerzas centrífugas generan vibraciones, para contrarrestar estas fuerzas, los cigüeñales incluyen unos contrapesos que tienen que cumplir las características necesarias para resistir inercias. La contrapesa del motor ejerce una fuerza igual a la centrifuga (Pc) pero en sentido contrario es decir: Figura 18. Fuerzas que contrarrestan los contrapesos. C1 2 *ω 2 = M R * R *ω2 + M R * R *ω 2 Pcw = Pc + mcw * rDC mcw = (72) 2M R R rDC 101 Donde: • R: Radio de Curvatura. • rDC: Distancia al contrapeso. • M R : Masa Reciprocante. • C1: M R Rω . Para nuestro análisis sólo se tomara el primer armónico. 2 De acuerdo con estos cálculos realizados en un documento de Excel, el valor de la masa de la contrapesa (mcw) es de 1,484,Kg. 4.7 PROCESO DE DISEÑO DE COMPONENTES 4.7.1 Diseño de la culata. Al diseñar la culata del cilindro se partió de las funciones principales de esta pieza: alojar la cámara de combustión y la bujía, además se diseñó para facilitar su montaje y desmontaje con el fin de facilitar la inspección del interior de esta misma y del cilindro. Un aspecto importante que se tuvo en cuenta fue las aletas de refrigeración pues cerca a la zona de la cámara de combustión es necesario concentrar la mayor cantidad de aletas posibles para garantizar la refrigeración adecuada de esta pieza. 102 Para el diseño de la cámara de combustión se tuvo en cuenta que el volumen de la cámara era de 14,37 cm3 y que el diámetro de la camisa era de 47,8 mm, el cual sería el mismo diámetro de la cámara. Con la ayuda de un programa de CAD (Solid Edge Versión 18) se determinó, partiendo de estos dos datos anteriores, la forma que debería tener la cámara, la cual iguala aproximadamente un cuarto de circunferencia. Como resultado de este proceso, se determinó que la altura de la cámara sería de 14,33 mm. La altura de la bujía adquirida para el sistema de encendido del motor es de 71 mm, se diseñó un orificio concéntrico de 6 mm de profundidad por 30 mm de diámetro para adaptar la bujía sobre la cámara de combustión. Con los datos anteriores y con la información de la altura de la cámara, se determinó que la altura de la culata sería de 51 mm. Se determinó el diámetro de la culata de 105 mm para conservar la continuidad en la forma con el bloque. Dadas las dimensiones de la culata se realizó una distribución del número de aletas que debería llevar esta pieza, se determinó que el espesor de las aletas laterales de la culata conservaría las mismas dimensiones de las aletas del bloque, espesor de 3 mm, espacio entre aletas de 3 mm, con el diámetro de la culata de 105 mm, se determinó que se realizarían 17 aletas en la parte superior, 103 las aletas de refrigeración de la parte superior de la culata tendrán una profundidad de 15 mm. Para conservar el diámetro de la culata y para evitar que interfiriera con la cámara de combustión, las aletas laterales tendrán una profundidad de 12 mm. Dada la altura de la culata, se determinó que se deberían hacer 6 aletas laterales. Figura 19. Vista Preliminar de la Culata. 4.7.2 Diseño del bloque. El proceso de diseño del bloque se basó principalmente en el tamaño de la camisa, tiene un perforado interno concéntrico a su diámetro exterior, el cual es del mismo diámetro externo de la camisa (57,8 mm) para así garantizar que ella entre dentro de este y debido a la expansión térmica generada durante la operación del motor, queden completamente ajustadas. 104 El diámetro externo del bloque tiene 105 mm, lo que asegura que contenga aletas de refrigeración por todo su contorno y que posean 3 mm de alto por 15 mm de largo, lo que daría como resultado la pared del bloque de 8,6 mm, suficientes para garantizar que no perfore la pared del material, aunque cabe aclarar que esta pieza no se verá sometida a fuertes cargas mecánicas, pero sí soportará buena parte del calor generado por la combustión y el movimiento del pistón con su rozamiento sobre las paredes de la camisa. Para disipar el calor, se diseñó la pieza en aluminio 6061, que posee buenas características de conductividad térmica, y las 12 aletas ayudarán a la extracción de calor. La base del bloque tiene un diámetro de 120 mm y un espesor de 6,5 mm con el objeto de tener suficiente espacio para unir el bloque al cárter. En un costado irá perforado un orificio el cual servirá como lumbrera de transferencia, dicho orificio proviene de la parte inferior de la base de manera longitudinal y hace un giro de 90° para alinearse con el orificio que comunica con un orificio rectangular idéntico en la camisa, y la cual se abre paso hacia el interior del cilindro. Enfrentado a este pero un poco más arriba se encuentra otro orificio rectangular que atraviesa todo el bloque y el cual servirá como lumbrera de escape e irá comunicada al exhosto. Las dimensiones de las lumbreras según los cálculos termodinámicos serán: 5 mm de alto por 15,13 mm de largo. 105 Figura 20. Vista Preliminar del Bloque. 4.7.3 Diseño de la camisa. Debido a que el pistón asciende y desciende por la camisa en múltiples ocasiones, para comprimir la mezcla y abrir y cerrar las lumbreras de transferencia y de escape, es necesario que tenga suficiente solidez para soportar las fuerzas de los gases. También es necesario que presente buena resistencia al desgaste debido a la fricción que se puede presentar entre esta y el pistón debido a la dilatación que se produce en ambas piezas por el aumento de la temperatura, y a la vez debe poseer buenas propiedades de antifricción y anticorrosivas. La camisa va ubicada a lo largo del cilindro o bloque, con una pequeña separación de aproximadamente 0,05 mm, la cual en el momento en el que el motor está en funcionamiento desaparece, por el aumento de la temperatura. 106 Adicionalmente posee una saliente que descansa en la superficie superior del bloque. Para el diseño de las paredes de la camisa se encontró que esta debe estar entre un rango de 3 a 5 mm de espesor, para el diseño se utilizó el valor máximo. El diámetro interior se calculó teniendo en cuenta el diámetro del pistón el cual es de 47,15 mm de diámetro, por ende la camisa tendrá un diámetro interno de 47,8 mm, y un diámetro exterior de 57,8 mm, de acuerdo al espesor que se seleccionó con anterioridad. La saliente que descansa sobre la parte superior del bloque tendrá 5 mm de espesor y cubrirá un diámetro equivalente a 77,8 mm. Esto servirá de ayuda para el encaje de la culata con el bloque y camisa. A lo largo del cuerpo del cilindro se ubicarán las lumbreras de escape y transferencia, en las alturas determinadas en los cálculos termogasodinámicos, es decir a 24 mm y 34 mm respectivamente, medidos desde la parte superior de la camisa hasta el límite superior de la lumbrera. Por ultimo se determinó que en la parte inferior de la camisa, se iba a maquinar un pequeño cono de 7 grados de inclinación y 2,5 mm de altura en la parte interior de la camisa para permitir el libre movimiento de la biela. 107 Figura 21. Vista Preliminar de la Camisa. 4.7.4 Diseño del pistón Cada una de las dimensiones del pistón se calcularon de acuerdo a ciertas relaciones encontradas: Lo primero que se tomo fue un diámetro (bore) de 47,15 mm. Teniendo las medidas de la camisa, y una vez hallada la tolerancia entre esta y el pistón, Se determinó una tolerancia entre la camisa y el pistón de 0.65 mm que resulta de: D´ = Bore – Tolerancia D´ = (47,8 – 0,65) mm D´ = 47,15 mm D´ = 0,04715 m 108 Con este diámetro se hallan todas las otras dimensiones del pistón, así: Para hallar la altura, se encontró que la relación H/D´ oscila en un rango de 0,9 a 1,3. Entonces se escogió un valor dentro de este rango, así: H = (D´)*1,094 H = 47,15 * 1,094 H = 51,6 mm H = 0,0516 m Para hallar la distancia desde la mitad del pasador hasta el tope de la cabeza del pistón, se encontró que la relación l1/D´ oscila en un rango de 0,42 a 0,65. Entonces se escogió el valor inferior dentro de este rango, así: l1 = (D´)*0,42 l1 = 47,15 * 0,42 l1 = 19,93 mm l1 = 0,01993 m Para determinar la distancia desde la mitad del pasador hasta el tope inferior del pistón, se encontró que la relación l2/D´ oscila en un rango de 0,5 a 1,2. Entonces se escogió un valor dentro de este rango, así: l2 = (47,15) * (0,67) 109 l2 = 31,67 mm l2 = 0,03167 m Para hallar la distancia desde la superficie superior hasta el primer anillo, se encontró que la relación e/D´ oscila en un rango de 0,06 a 0,09. Entonces se escogió un valor dentro de este rango, así: e = (47,15) * (0,0848) e = 4 mm e = 0,004 m Para determinar el espesor de la pared del pistón, se encontró que la relación S/D´ oscila en un rango de 0,05 a 0,106. Entonces se escogió un valor más grande dentro de este rango por factor de seguridad, así: S = (47,15) * (0,106) S = 5 mm S = 0,005 m Para hallar el diámetro donde va el pasador, se encontró que la relación db/D´ oscila en un rango de 0,23 a 0,30. Entonces se escogió el valor inferior de este rango, así: 110 db = (47,15) * (0,23) db = 11 mm db = 0,011 m Siguiendo éste mismo procedimiento, y de acuerdo los rangos encontrados para cada dimensión, los otros datos extraídos son: Lf = 47,15 * 0,9 Lf = 43 mm Lf = 0,043 m b = (47,15) * (0,5) b = 25 mm b = 0,025 m Las relaciones anteriores se obtuvieron de la tabla 8, la cual da unos rangos entre los cuales están los valores para diseñar un pistón. 111 Tabla 8. Dimensiones estructurales relativas de los émbolos Para motores de carburador H/D´ l1/D´ Lf/D´ e/D´ δ/D´ b/D´ db/D´ dt/db S/D´ l2/D´ 0,90 - 1,30 0,42 - 0,65 0,70 - 0,8 0,06 - 0,09 0,05 - 0,08 0,30 - 0,50 0,25 - 0,30 1,30 - 1,60 0,05 - 0,10 0,50 - 1,20 Fuente: JÓVAJ, M.S.; Máslov, G.S.; Motores de automóvil: Teoría, cálculo y estructura de los motores de combustión interna; Editorial MIR Moscú, 1973. P453. Figura 22. Vista Preliminar del Pistón. 112 • Bulón: El bulón se diseñó según el orificio de paso del pistón, pues se necesitaba una pieza que asegurara la biela a este. Esta pieza tiene 11 mm de diámetro y de largo tiene 34 mm, se hizo de esta manera para permitir la ubicación de dos topes de bronce para evitar que el bulón se desplace dentro del pistón y eventualmente raye la camisa. Figura 23. Vista preliminar bulón 4.7.5 Diseño de la biela. Al realizar el diseño de una biela lo primordial es asegurar que esta sea rígida pero a la vez tenga poca masa, de esta forma se disminuyen las fuerzas de inercia. Toda biela consta de tres partes principales las cuales son: Pie, cuerpo y cabeza. Las dimensiones del pie de la biela y su diámetro interior se calcularon teniendo en cuenta el diámetro del bulón, el cual tiene un diámetro de 11 mm. Para el cálculo del diámetro exterior, el promedio de esta magnitud se debe encontrar 113 entre 1,2 a 1,45 veces el diámetro del bulón, se determinó que este diámetro será de 14 mm. Diametro _ Exterior _ Pie _ Biela = 1,27 * 11mm = 14mm (73) El cuerpo de la biela por lo general se hace en forma de T, ya que tienen una masa relativamente pequeña, y poseen gran rigidez. La cabeza de la biela, es enteriza y posee un rodamiento de bolas. Debe poseer gran rigidez y a la vez debe tener las menores dimensiones exteriores posibles. Las dimensiones de la cabeza de la biela dependen del diámetro del muñón, el diámetro del muñón es de 10 mm, con esta medida se eligió un rodamiento que cumpliera las especificaciones de trabajo del motor, lo cual da como resultado un diámetro interior de la cabeza de la biela de 26 mm. Con los diámetros anteriores se dibujó la biela en Solid Edge, y con la ayuda de este programa se determinaron las medidas de la sección transversal de la biela. 114 Figura 24. Vista preliminar de la biela El rodamiento utilizado para la conexión entre la biela y el cigüeñal es un rodamiento rígido de bolas de una hilera, de la serie 6000 de SKF, se escogió un rodamiento de bolas debido a que soporta todas las cargas que se puedan generar durante el movimiento normal del motor. Sus principales dimensiones son: 26 mm de diámetro exterior, 10 mm de diámetro interior y 8 mm de espesor. Figura 25. Rodamiento SKF 6000-2RSH Fuente: SKF, consultado el 15 Mayo de 2007 en: http://www.skf.com/portal/skf/home/products?maincatalogue=1&lang=es&newlink= 1_1_0 115 • Buje: Para evitar problemas de rozamiento y de pérdidas de material entre la biela y el bulón se utilizó un buje de bronce fosforado SAE 65, el cual garantiza que no se rocen ambas piezas, y al ser un poco más duro, evita que eventualmente se frene el motor. Figura 26. Vista Preliminar del buje 4.7.6 Diseño del cárter. Por cálculos realizados en la etapa de diseño, se determinó que el volumen del cárter debe ser de 3.65 x10-04 m3. A éste volumen se le debe agregar, el volumen ocupado por cada contrapesa, el volumen de la porción de biela que alcanza a entrar en el cárter en el momento que el pistón llega a su PMI, además de las partes de cigüeñal que alcanzan a ocupar volumen dentro del cárter. Por medio de programación en CAD, se dibujaron unas piezas tentativas para realizar el cálculo y se determinó que dichos volúmenes serían: 116 • Volumen de cada contrapesa = 9.3 x10-02 m3 • Volumen de porción máxima de biela que entra en el cárter = 2.38 x10-02 m3 • Volumen del cigüeñal presente dentro del cárter = 6.940 x10-02 m3 (este volumen corresponde al de ambas porciones de cigüeñal) Así que: Volumen Real del Cárter: VRC = (VCR + (VCP X 2) + Vb + Vcs) (74) VRC = (3.65 x10-04 m3 + (9.3 x10-02 m3 x 2) + 2.38 x10-02 m3 + 6.940 x10-02 m3) VRC = 5.82x10-03 m3 Por diseño se determinó que el cárter debería tener una forma cilíndrica con un pequeño recorte de volumen en la parte superior, quedando de forma plana, permitiendo de esta manera posicionar la parte inferior del bloque, tal como se muestra en la figura 27. 117 Figura 27. Bosquejo preliminar para el volumen del cárter Se realizó un primer modelo tentativo con las siguientes medidas: R = 0,48 m El área de la circunferencia = πR2 Ac = 6,64 *10-3 m2 Cuerda = 0,48 m Para saber cuál es el área transversal circular sin la porción superior se realiza el siguiente procedimiento: El área de una porción de circunferencia se halla de la siguiente forma: 118 Figura 28. Área de porción de circunferencia Area _ De _ Segmento _ Sombreado θ = Area _ Circunferencia 360 10 (75) Figura 29. Área de porción de circunferencia aplicada a la parte vacía del cárter Por Pitágoras se determinaron las dimensiones del triangulo de la figura 29 donde H es el radio (0,046 m), P es la mitad de la cuerda (0,024m): H2 = P2 + h2 (0.046 m)2 = (0.024 m)2 + h2 2.11 x10-03 m2 – 5,76 x10-04 m2 = h2 10 CLEMENS Stanley. Geometría. 1998. P 421. 119 h = 3,92 x10-02 m2 Donde h es la altura desde el centro del espacio vacío del cárter hasta el segmento donde reposa el bloque. Por teorema de triángulos se calculo el ángulo necesario para satisfacer la ecuación (75): CO Cosθ = H 2 (76) 0.024 m Cosθ = 0.046 m 2 θ 2 = Cos −1 0.52174 θ 2 = 58,55º θ = 58,55º×2 = 117.102º Con base en la ecuación (75) y sustituyendo el ángulo calculado, se tiene que el área de segmento sombreado es 2,162 x 10-3 m2 Como el volumen del cárter se determinó en base a una superficie cilíndrica a la cual se le resta una porción de su área ya determinada, es necesario eliminar dicha área de la siguiente forma: 120 Del segmento sombreado de la figura (24) se restó el área del triangulo de medidas dadas, así: AT = b × h 4.8 × 3.92 = = 9.41 x10 - 04 m 2 2 Área a restar total = Área de segmento sombreado – Área del triángulo (77) (78) Área a restar total = 2.16x10-03 m2 - 9.41x10-04 m2 Área a restar total = 1.22 x10-03 m2 Luego, se halló un área de una circunferencia completa con los datos iniciales. A esta área se le restó el “área a restar total” Finalmente el área total de la superficie lateral del cárter, será el resultado del área total de la circunferencia menos el “área a restar total”, así: Area _ Total = Area _ De _ Circunferencia − Area _ a _ Re star _ Total (79) AT = 6.641.22 x10 - 03 m 2 - 1.22 x10 -03 m 2 = 5.42 x10 -03 m 2 Teniendo ya el área lateral (base) de lo que va a ser el volumen del cárter, se procede a hallar la longitud, en la cual como mínimo se deben tener en cuenta la vista lateral de biela y una aproximación del espesor de las contrapesas. Para que estos componentes tuvieran cabida sin complicaciones dentro del cárter, se determinó que la longitud debería ser mínimo de 0,1 m. 121 Vc = (5.422 x10-03 m2) * (0.1 m) (80) Vc = 5.422 x10-04 m3 4.7.7 Diseño del cigüeñal. Gracias a los resultados del programa de CAD se determinó que el diámetro del cigüeñal debería ser de 20 mm, pues se garantizó que le volumen del cárter iba a ser el que se necesitaba y entraba dentro de este sin inconvenientes. El peso de las contrapesas debe cumplir con lo determinado en el cálculo de las contrapesas del motor, ya sabiendo el peso, se determinó por medio del programa de CAD que dimensiones deberían tener las contrapesas. Además, las dimensiones de las contrapesas no podían ser más grandes que la cavidad en el cárter en la que iban a estar alojadas, finalmente las contrapesas quedaron con un espesor de 29 mm y su perfil tiene dos diámetros, el radio de la parte superior de 35 mm y otro de 47.29 mm. Para el muñón se determinó que según el rodamiento elegido para la biela este debe tener un diámetro de 10 mm, teniendo en cuenta el espesor de la biela y de las dos contrapesas se determinó que el muñón debería tener 45 mm de longitud para poder unir estas tres piezas. Para determinar el largo del cigüeñal se procedió a unir estas tres piezas y teniendo en cuenta su ubicación dentro del cárter se midió la longitud desde una contrapesa hasta el volante, y desde la otra contrapesa hasta la parte exterior del motor. 122 Ya determinado el diámetro del cigüeñal se procedió a buscar y elegir los rodamientos adecuados que acoplan el cigüeñal al cárter. Teniendo las dimensiones se escogió el rodamiento SKF 61804 con un diámetro interior de 20 milímetros, un diámetro externo de 32 mm y espesor de 8,7 mm. Figura 30. Rodamiento SKF 61804 Fuente: SKF, consultado el 15 Mayo de 2007 en: http://www.skf.com/portal/skf/home/products?maincatalogue=1&lang=es&newlink= 1_1_0 4.8 PROCESO DE CONSTRUCCIÓN 4.8.1 Construcción de la culata. Para la construcción de la culata se utilizó aluminio 7075; primero se prensó la barra de aluminio en el torno, se procedió a refrentar y maquinar la pieza para darle unas medidas aproximadas a las medidas finales, pero dejando cierta tolerancia para poder continuar trabajando sobre esta sin maltratarla. 123 Figura 31. Refrentado del material para construcción de la culata. Posteriormente se procedió a fabricar las aletas laterales, para esto se consiguió un buril, y por medio de una piedra esmeril se le dio una forma especial de cuchilla, la cual tenía 3 mm de ancho (la cual es la medida entre aleta y aleta del bloque), y 20 mm de largo para garantizar suficiente espacio del buril durante la penetración. El espesor de las aletas es de 3 mm, se le dio a las aletas una profundidad de 12 mm, de acuerdo al diseño. Figura 32. Esmerilado del buril para apertura de aletas. 124 Figura 33. Maquinado de las aletas de refrigeración Luego se abrió un agujero pasante de un diámetro inferior al diámetro final de la bujía para facilitar el trabajo de la cámara de combustión. Posteriormente se dio la forma a la cámara de combustión, para esto se utilizó un buril curvo con el cual se consiguió dar la forma semi-esférica de la cámara, las dimensiones de la cámara se comprobaron utilizando una galga, la cual se fabricó partiendo de una barra perforada a la cual se le dio un radio externo de 27,17 mm y la altura de la cámara la cual es de 14,33 mm. Figura 34. Construcción de cámara de combustión. 125 Para abrir la cama donde van los tornillos se utilizó una cuchilla de 5 milímetros de espesor y se le dieron varias pasadas en el torno hasta dejarla de las dimensiones dadas en el diseño. Para la construcción de las aletas superiores se prensó la pieza en la fresadora y mediante una sierra en T se procedió a abrir las ranuras de las aletas superiores. Figura 35. Construcción de las aletas de la parte superior de la culata Para unir la culata con el bloque se abrieron 10 agujeros en la cama hecha previamente, teniendo en cuenta que no fueran a perforar el espacio que ocupan las lumbreras al unirla con la camisa y el bloque. 126 Figura 36. Culata terminada 4.8.2 Construcción del bloque Se consiguió una barra de aluminio de 130 milímetros de diámetro por 100 milímetros de alto, al montarla en el torno se le dio el diámetro requerido, posteriormente se abrió el orificio interno con su diámetro final y por último se le dió la altura necesaria. Se hizo un alojamiento en la parte inferior del bloque con el objeto de asegurar dicha pieza al cárter y poderle fijar los tornillos que las sujetan. Esta cama es de mayor diámetro que el cuerpo del bloque (120 milímetros de diámetro por 6,5 de alto). 127 Figura 37. Maquinado del Material para la construcción del bloque Figura 38. Refrentado del material para elaboración del bloque. Se procedió con la pieza montada en el torno y girando, a rayarla superficialmente con un buril rayador cada 3 mm, para así tener una guía de donde hacer la penetración con el buril previamente preparado, al terminar este paso se empezó a cortar con dicho buril y se dio profundidad a cada aleta (15 mm). El proceso de la apertura de las ranuras para completar las aletas de refrigeración fue un proceso dispendioso, sobretodo porque el aluminio 6061 no se deja trabajar fácilmente. 128 Este proceso se realizó manualmente, porque el modo automático del torno podía penetrar demasiado rápido y hacer que la pieza se trabara a causa de la rebaba producida. Figura 39. Apertura de aletas de refrigeración La pieza fue montada en el torno y prensada por su interior en el orificio interno previamente abierto y se aseguró al otro lado. Surgió un inconveniente y fue que a pesar de haber hecho el proceso manualmente y muy despacio, la pieza se trababa debido a la rebaba que salía constantemente, y, el torno al seguir girando, rayó internamente el bloque, para lo cual después de todo el proceso de apertura de ranuras para las aletas, se le hizo a la pieza un nuevo torneado a la parte interna, quitándole unas décimas para así homogeneizar dicho orificio interno, esto con el fin de facilitar el ensamble con la camisa y darle un muy buen acabado superficial. 129 Figura 40. Bloque terminado 4.8.3 Construcción de la camisa. Para la construcción se utilizó un Acero S1518, el cual, como se mencionó anteriormente en la parte de materiales, tiene alta resistencia. Este material viene en forma de barra perforada lo cual facilitó la construcción de esta pieza. Figura 41. Material Inicial Para Construcción de la Camisa. 130 Inicialmente se torneo la pieza tanto en su superficie interna como externa, hasta llegar a las dimensiones necesarias es decir un diámetro interior de 47,8 mm y diámetro exterior máximo de 57,8 mm. Figura 42. Maquinado del Material. En uno de sus extremos se determinó la ubicación de la saliente que descansaría sobre la parte superior del bloque, y a partir de ahí, se continuó rebajando la pieza hasta el diámetro de 57,8 mm, teniendo en cuenta las dimensiones de la saliente es decir los 5 mm de espesor. Para abrir las lumbreras se prensó la pieza en la fresadora y por medio de un escareador de 3/16 de pulgada se abrieron los orificios, los cuales habían sido previamente delimitados. Por último se corto la pieza al largo indicado es decir a 84,5 mm. Luego se maquinó el cono en la parte interior de la camisa, debajo de las lumbreras. 131 En la parte superior se procedió a abrir los orificios de los tornillos, teniendo en cuenta que coincidieran con los orificios de la culata. Figura 43. Camisa terminada 4.8.4 Construcción del pistón. Para la construcción de esta importante pieza, se utilizó aluminio 7075 ya que cubre las necesidades de ligereza, resistencia mecánica y resistencia a la corrosión. Figura 44. Material inicial para construcción del pistón 132 Este proceso comenzó con el maquinado en el torno del material en barra, material que venía con tratamiento térmico de envejecido. Se torneó hasta dejarlo de las medidas exteriores finales extraídas previamente de la etapa de diseño. Figura 45. Torneado de barra para pistón Luego, en el mismo torno, se realizaron los maquinados interiores según medidas, para dejar la pared del pistón del diámetro requerido. Una vez culminado esto, se realizó el fresado del orificio por donde pasa el bulón. Finalmente se le hicieron detalles finales a la cavidad interior del pistón. Los anillos del pistón se consiguieron según el diámetro de la camisa, pues este es el parámetro para escoger esta pieza, se ajustaron de tal forma que el espacio entre sus extremos al estar instalados en el pistón y dentro de la camisa fuera menor de 4 milésimas de milímetro. 133 Figura 46. Perforación orificio bulón y parte interior del pistón Finalmente se tornearon las ranuras porta anillos y se le dio la última torneada para quitar rebabas que pudieran llegar a ser nocivas para el desempeño de esta pieza. Figura 47. Pistón terminado 4.8.5 Construcción del bulón. Se utilizó acero 4140 para su construcción. Se cortó una barra de acero con las medidas aproximadas a las de diseño y luego se maquinó en el torno hasta dejarlo con las medidas finales exactas. 134 Figura 48. Maquinado del material para el bulón. Adicionalmente se fabricaron dos topes en bronce fosforado SAE 65 con 11 mm de diámetro y 4 mm de alto con el objeto de ubicarlos en los extremos del bulón y dentro del pistón para así evitar que el bulón se desplace dentro de este y raye la camisa. 4.8.6 Construcción de la biela. Para la construcción de la biela se utilizó el corte por chorro de agua a presión, para realizar este tipo de corte se emplea una máquina conocida como ‘water jet’ o máquina de corte a alta presión, pues la presión del chorro para el corte es de 60 toneladas de fuerza constantes. Al chorro de agua se le agrega un material abrasivo especial para lograr el corte. Los planos de la pieza se entregaron en Autocad, la máquina de corte utiliza un programa llamado ‘Mach 3’, este es un programa universal de corte, el cual, según los planos entregados, genera unos códigos que son los que la máquina registra para realizar el corte. 135 El corte por chorro de agua no produce ningún cambio en la zona de corte. Independientemente de la clase de material, se pueden cortar láminas hasta de 60 mm de espesor. El corte de cualquier curva no tiene límites por el procedimiento de corte. Algunos materiales son sensibles a temperaturas y presiones elevadas, es por esto que la utilización de procedimientos clásicos de corte como métodos térmicos (Láser), los cuales provocan tanto quemaduras o heridas microscópicas interiores como alteraciones de la microestructura, no siempre son aplicables. El corte por chorro de agua, por ser un corte en frío, brinda mayores ventajas con respecto a los otros métodos de corte. Por tener diferentes técnicas de corte se pueden partir materiales blandos (madera, plásticos espumificados) con un chorro de agua purificado y materiales duros (piedras, vidrios, metales, plásticos, goma). A través del proceso específico del corte, prácticamente no se produce ninguna rebaba con un cortado recto y una entalladura de corte fino con muy pocas pérdidas de material. Durante el proceso de corte no se producen ni gases ni vapores, el proceso es además seguro, limpio y ecológico. El material para la biela es una placa de acero 4140, la cual tiene 150 mm de largo por 80 mm de ancho y un espesor de 25 mm, la velocidad de corte para esta pieza fue de 25 milímetros por minuto. 136 Adicionalmente se fabricó un buje de bronce fosforado SAE 65 para realizar el acople entre el bulón y la biela y evitar el desgaste de estas dos piezas por el movimiento. En la cabeza de la biela se insertó el rodamiento SKF 6000 y se aseguró por medio de un prisionero. Para evitar que se presentará algún desgaste entre las contrapesas y la biela debido a la fricción entre estas por el movimiento normal del motor, se fabricaron dos arandelas de bronce para ubicar a cada extremo de la biela, exactamente entre la biela y cada contrapesa al momento del ensamble. Figura 49. Biela terminada 4.8.7 Construcción del cárter. Para facilidad de construcción, se decidió que esta pieza estaría conformada por dos partes, las cuales serían en aluminio al 99% y serían trabajadas en torno y fresadora. Ambas mitades del material en bruto tenían 177,8 mm de diámetro por 130 mm de largo. 137 Para la construcción de la mitad izquierda del cárter, se torneó la materia prima hasta llegar a un diámetro de 170 mm, posteriormente se dejo un segmento de diámetro de 170 mm con un espesor de 10 mm, de esta manera se creó el flanche para asegurar ambas piezas. A continuación, al resto de las piezas se les dejó un diámetro de 150 mm, se abrió un agujero pasante de 22 mm, por el cual atraviesa el eje del cigüeñal, dejando cierta tolerancia pues el eje tiene un diámetro de 20 mm. Posteriormente se abrió el espacio en donde va alojado parte del sistema rotativo (contrapesas, biela y eje), este orificio tiene un diámetro de 90 mmy una profundidad de 50 mm. Por último, en los extremos del orificio pasante del cigüeñal se realizaron dos alojamientos para los rodamientos de 38 mm de diámetro por 11 mm de profundidad, luego se realizaron unas camisas en acero que ajustan perfectamente con el rodamiento y con los alojamientos, para evitar que el rodamiento, por ser de acero inoxidable, al estar en contacto con el aluminio del cárter lo desgaste rápidamente. El espacio del alojamiento está construido para ubicar el rodamiento junto con su respectivo anillo ‘Seeger’, el cual asegura el rodamiento, la camisa lleva una pequeña ranura para ubicar de modo adecuado el anillo. 138 Se realizó un corte con una cuchilla de 1,5 mm y concéntrico al diámetro exterior a 19,5 mm del diámetro externo (150 mm) con el propósito de construir la hembra del acople entre las dos piezas. La pieza se montó en el torno prensada por el extremo contrario, para poder trabajar en el orificio donde va ubicado el volante del sistema de encendido, se abrió un espacio para poder alojar el volante de 140 mm de diámetro y con una profundidad de 20 mm. Figura 50. Parte del cárter. Para la mitad derecha del cárter, el procedimiento fue similar al anterior, con la diferencia que esta mitad no tiene alojamiento para el volante, finalmente las dimensiones de esta pieza, dado que es más corta, son 95 mm de largo y conservando los mismos diámetros anteriores. Se dejo una pequeña aleta de 1,5 mm a 19,5 mm del borde exterior (150 mm) para que sea el macho del acople y garantice el acople perfecto entre ambas piezas. El macho tendrá de longitud 10 139 mm. Finalmente la mitad derecha del cárter tendrá 90 mm de largo (incluyendo los 10 mm de flanche), la mitad izquierda del cárter tendrá 120 mm de largo. Se unieron las dos mitades del cárter, entre estas dos piezas se fabricó un sello en neopreno que cubriera toda la parte interna del flanche, se demarcaron las posiciones de los orificios de los pernos de este y se procedió a abrirlos en la fresadora, quedaron 11 agujeros a 22,5 grados. Ya unidas ambas piezas y con un escareador de una pulgada se procedió a rebanar la parte superior del cárter para dejar una superficie plana de 120 mm por 175 mm. Esto con el fin de comunicar el orificio del cárter con el bloque, en el orifico resultante en la parte superior del cárter se hizo un corte de 10 mm por 20 mm para comunicar el cárter con la lumbrera de transferencia. Luego se realizó un orificio de 120 mm de diámetro y 6,5 mm de profundidad en la parte superior, esto con el fin de alojar el bloque. Para esto además se hicieron 18 orificios a 20 grados con sus respectivas roscas para alojar los pernos que unen el bloque con el cárter. 140 Figura 51. Cárter terminado 4.8.8 Construcción de las contrapesas. Para maquinar las contrapesas se utilizó el corte por chorro de agua a alta presión, la misma máquina y el mismo procedimiento utilizados en el corte de la biela. Las contrapesas se cortaron de una placa de 190 mm por 100 mm con un espesor de 30 mm, para esta placa la velocidad de corte fue de 16 milímetros por minuto. Figura 52. Contrapesas y muñón. 141 Posteriormente en la fresadora se abrió un orificio pasante de 19 mm de diámetro a cada una de las contrapesas para poder insertar el eje y 23,9 mm arriba de este agujero se abrió otro agujero no pasante de 10 mm de diámetro para poder insertar el muñón. 4.8.9 Construcción del cigüeñal. Para la construcción del cigüeñal se utilizó un segmento de una barra de acero 4140 de 50,8 mm de diámetro; se maquinó hasta alcanzar un diámetro de 20 mm la barra se dividió en dos segmentos, uno de 180 mm de longitud y otro de 130 mm de longitud. Esto con el fin de facilitar el ensamble del cigüeñal, pues cada segmento va acoplado a una contrapesa, y a su vez estas van unidas entre si por un muñón de 10 mm de diámetro por 45 mm de longitud. A cada barra se le hizo un torneado de 30 mm de longitud y 19 mm de diámetro en un extremo, para poder insertarla en cada contrapesa. Al segmento de cigüeñal mas corto se le realizó un cono de 22.5 mm de largo y 6 grados de conicidad para ajustarlo con el volante de encendido, en la parte final del cono se hizo un roscado de 11 mm de largo y 7,5 mm de diámetro con rosca estándar para ajustar la rosca de seguridad del volante. Dentro del cono se hizo un chavetero de 18 mm de largo por 3,5 mim de profundidad para ubicar una chaveta entre el cigüeñal y el volante para transmitirle a este el movimiento rotacional del cigueñal. 142 Figura 53. Segmento del cigueñal Al otro extremo del cigüeñal se hizo una rosca de 8 mm de diámetro y 20,5 mm de longitud para poder adaptarle una hélice pequeña a este extremo y facilitar así algún intento de encendido. Ya ensambladas todas las partes se ajustaron usando tornillos prisioneros luego de abrirles el agujero y roscarlo, con el fin de ajustar los ejes con las contrapesas. Figura 54. Cigüeñal 143 4.9 ENSAMBLE Con todas las piezas terminadas y los sistemas auxiliares escogidos, se procedió a hacer el ensamble del motor. Para comenzar, luego de cortar los anillos a la medida requerida fueron insertados en las respectivas ranuras del pistón, y a este a su vez se le introdujo la biela la cual ya tenía en su orificio más pequeño el buje de bronce, la biela se aseguró con el bulón y en los extremos de este se introdujeron los topes de bronce. En la cabeza de la biela se insertó el rodamiento SKF 6000 y se aseguró por medio de un tornillo prisionero. Este rodamiento permitirá el movimiento entre el pistón y el muñón del cigüeñal. Figura 55. Partes a ensamblar: culata-camisa-bloque-pistón –biela. Todo este conjunto se insertó dentro de la camisa, que a su vez se ubicó dentro del bloque y se aseguró con la culata por medio de tornillos de 3 mm de diámetro 144 por 50 mm de longitud, entre la culata y la camisa va un anillo de asbesto que bordea la cámara de combustión. El ensamble del cigüeñal se hizo en dos partes, cada una dentro de su respectiva mitad de cárter, cada parte del cigüeñal corresponde a segmento de eje y contrapesa (asegurados por un tornillo prisionero); una de las dos partes del cigüeñal trae acoplado el muñón a la contrapesa. Se procedió a acoplar las dos mitades del cárter ajustando entre ellas un empaque de neopreno por medio de 11 pernos de 5 mm de diámetro y 30 mm de longitud con sus respectivas tuercas, adicionalmente hay que tener presente que la porción de la biela que tiene el rodamiento debe insertarse en el muñón para luego unir el muñón a la otra contrapesa. La base del bloque debe sentar correctamente sobre el agujero superior del cárter, para esto se utilizaron 18 tornillos de 3 mm de diámetro y 20 mm de largo. Entre la base del bloque y el cárter hay un empaque de neopreno. 145 Figura 56. Partes a ensamblar: cárter, contrapesas, eje, tornillos. Se escogió un carburador de 100 cm3, pues la cilindrada del motor es de 86,26 cm3, y este carburador era la opción de cilindrada más cercana al valor requerido. Además, el carburador es comúnmente usado en motores similares al diseñado. Al carburador se le adicionó una válvula conocida como ‘torque’, esta válvula permite el acceso de combustible al cárter desde el carburador. El sistema de encendido consiste de un volante de encendido, una bobina, un cable de alta y una bujía, este sistema se tomó de un motor de características similares al motor diseñado, el volante va ajustado al extremo del cigüeñal que sale del extremo trasero del cárter, y va asegurado con una rosca de seguridad. Sobre el volante va ubicada la bobina, esta va asegurada al cárter, dejando un pequeño espacio entre esta y el volante. De la bobina sale el cable de alta que lleva la corriente hasta la bujía, la cual va enroscada en la parte superior del cárter. 146 Figura 57. Ensamble en Solid Edge Figura 58. Ensamble del prototipo 147 5. CONCLUSIONES • Partiendo de una necesidad de potencia, se llevaron a cabo unos cálculos termodinámicos, geométricos y de operación, que incluían parámetros como RPM’s, torque, volumen, desplazamiento y demás datos necesarios para determinar las características del motor. • Por medio de la utilización de un software se realizaron los cálculos se pudieron realizar una serie de iteraciones con el fin de determinar los mejores valores de los parámetros necesarios para proceder al diseño de los componentes del motor. • Entre mayor sea la relación de compresión y las rpm’s mayor será la potencia entregada por el motor • La posición y altura de las lumbreras fue difícil de calcular, ya que no se encuentra bibliografía al respecto, por lo tanto se recurrió a la experiencia de fabricantes y se sacó un factor de escala para determinar su ubicación. • Según el cálculo del porcentaje de mezcla que se pierde para dos geometrías de lumbreras distintas, se encontró que la lumbrera de geometría cuadrada es la que menores pérdidas presentaba. • La temperatura de combustión que se registró en los cálculos fue la temperatura de la llama en el centro de ella en el instante de la ignición, 148 mientras mayor sea esta, mayor potencia generará el motor, pero los materiales sufren mayor desgaste. • Entre mayor sea la calidad del material, más fácil será para trabajarlo, pues entre mejores propiedades tenga gracias a sus elementos aleantes, más fácil será maquinado. • Esta metodología de diseño genera las bases para el desarrollo de la investigación de estos motores en la Universidad de San Buenaventura. 149 6. RECOMENDACIONES • Se pueden realizar nuevos diseños con el objetivo de optimizar algunas características al diseño actual, tales como peso, potencia y consumo de combustible. • Se deben investigar la factibilidad de otros métodos de construcción para diversas piezas complejas como la culata, el bloque y el cárter, con el fin de reducir costos y tiempo empleado en las piezas que tengan más detalles y que sean más complicadas de maquinar, como por ejemplo el bloque y la culata. • Para futuros proyectos se puede pensar en realizar una modificación al diseño, para permitir que este trabaje con energías alternativas. • No se debe utilizar disolvente para la limpieza del cárter, pues este daña las piezas de caucho de los rodamientos, adicionalmente los sellos de neopreno son los ideales para el cárter pues no se dañan en contacto con el combustible. El sello de asbesto es resistente al calor, por eso rodea la cámara de combustión. 150 BIBLIOGRAFÍA • Department of transportation, Federal Aviation Administration, flight standards service; Airframe and powerplant Mechanics, Powerplant handbook, AC 65 – 12; 1971; 492 p. • HEYWOOD, John B. Internal Combustion Engine Fundamentals. Estados Unidos de América: McGraw Hill, 1988.930 p. • INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TECNICAS Y CERTIFICACION, ICONTEC. Compendio tesis y otros trabajos de grado.2002. NTC 1075, NTC 1307, NTC 4490, NTC1486. • JÓVAJ, M.S.; Máslov, G.S.; Motores de automóvil: Teoría, cálculo y estructura de los motores de combustión interna; Editorial MIR Moscú, 1973, 534p. • OBERT, Edward. Motores de combustión interna, análisis y aplicaciones. Compañía editorial continental S.A., 1966. 764 p. • OÑATE, Antonio Esteban. Conocimientos del avión. ITES-Paraninfo, 1991. • OÑATE, Antonio Esteban. Las aeronaves y sus materiales. Paraninfo, 1991. • PULKRABEK, Willard W. Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engines. Estados Unidos de América: Prentice Hall, 1997. 411 p. • <http://www.metalmecanica.com/pragma/documenta/mm/secciones> 151 • <www.sumiteccr.com/Aplicaciones/Articulos/pdfs/AISI%201518.pdf > • “Fundamentos de Protección Estructural Contra Incendios” del Ing. Mario E. Rosato, Editorial Centro de Estudios para Control del Fuego – Instituto Argentino de Seguridad. <http://www.anser.com.ar/chorro.htm> 152 Disponible en: GLOSARIO • Admisión: Parte del proceso durante el cual entra combustible al motor. • Anillo de compresión: Es el encargado de generar un sello entre la camisa y el pistón, para evitar fugas de compresión. Normalmente fabricados en hierro colado o carbono. • Biela: Barra que transmite y transforma el movimiento rectilíneo del pistón en movimiento rotatorio. • Bloque: Carcasa externa del motor cubierta de aletas de refrigeracción, en su parte superior va sentada la culata y en su interior va la camisa. • Bobina: Dispositivo encargado de aumentar el voltaje para generar la corriente que produce la chispa. • Buje: Dispositivo instalado en algunas piezas del motor para evitar desgaste por rozamiento. • Bujía: es el dispositivo encargado de generar la chispa para inflamar la mezcla en la cámara de combustión. • Bulón: Pieza cilíndrica que une el pistón con la biela. • CAD (Computer Assisted Design): Programas de computador que trabajan en 3D para el diseño de piezas. • Calor específico: Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado. 153 • Camisa: Pieza que aloja el pistón, soporta las cargas producidas por el ciclo de trabajo. • Carburador: Es el dispositivo encargado de realizar la mezcla aire- combustible e introducirla pulverizada al motor. • Carrera: Es el recorrido del pistón desde el PMS hasta el PMI. • Cárter: Es la estructura que contiene los diversos mecanismos que rodean al cigüeñal. • Cigüeñal: Eje que transforma el movimiento rectilíneo alternativo del conjunto pistón-biela de un motor, en movimiento circular. • Cilindro: Espacio que aloja parte de la cámara de combustión, pistón y parte de la biela. Conformado por bloque y camisa. • Combustión: Parte del proceso en el cual la mezcla es inflamada, generando una alta presión y temperatura. Haciendo que el pistón descienda. • Compresión: Parte del proceso en el cual se comprime la mezcla para elevar su presión y temperatura. • Contrapesa: Masa conectada al cigüeñal encargada de generar la inercia necesaria para que el mecanismo vuelva al punto muerto superior. • Convección: Una de las formas de transferencia de energía. Refrigeración por intercambio de calor. • Culata: Pieza que aloja la cámara de combustión y la bujía. En los motores refrigerados por aire, se encuentra cubierta de aletas de refrigeración. 154 • Escape: Parte del proceso donde los gases de la combustión son desalojados del interior del motor. • GIMOC: Grupo de investigación Motor-combustión. • Lumbrera: Puerto de admisión de combustible o de escape de los gases, reemplazo de las válvulas. • Motor de dos tiempos: Motor de combustión interna que realiza su proceso completo de funcionamiento en un solo giro del cigüeñal, sin necesidad de válvulas ni sistemas dedicados adicionales. • Muñón: Pieza cilíndrica que une la biela con el cigüeñal. • Refrentado: Proceso llevado a cabo en el torno, el cual consiste en cortar la pieza perpendicularmente al eje de rotación. • Relación de compresión: Relación entre el volumen del cilindro y el de la cámara de combustión. • Scavenging: Parte del proceso en el cual las dos lumbreras están descubiertas totalmente. • Torneado: Proceso llevado a cabo en el torno, el cual consiste en cortar la pieza paralelamente al eje de rotación. • Válvula Reed: Válvula ubicada en el cárter que permite la entrada de mezcla. Se abre y se cierra de acuerdo a los diferenciales de presión. • Volante: Disco rotatorio imantado adaptado al cigüeñal para generar el campo magnético en la bobina. 155 • Pistón: Es el encargado de transmitir la fuerza de los gases inflamados y expandidos en el interior del cilindro al cigüeñal por intermedio de la biela. • Punto muerto inferior (PMI): Es el punto más cercano al cigüeñal que alcanza el pistón. • Punto muerto superior (PMS): Es el punto más cercano a la culata que alcanza el pistón. 156 ANEXO A COSTOS DIRECTOS DEL PRIMER PROTOTIPO El proyecto “Metodología de diseño de un motor a pistón de dos tiempos de 10 HP para aeronaves no tripuladas” fue financiado por la Universidad de San Buenaventura sede Bogotá, pues es un proyecto perteneciente al grupo de investigación motor-combustión (GIMOC) reconocido por Colciencias en categoría “B”. A continuación se presenta una relación de costos de la manera en que se distribuyó el presupuesto otorgado por la Universidad para llevar a cabo el royecto: 157 158 ANEXO B PLANOS DEL PROTOTIPO 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 ANEXO C TABLA DE VARIABLES UTILIZADAS EN EL DISEÑO VARIABLE Presión en el punto 1 del ciclo Presión en el punto 2 del ciclo Presión en el punto 3 del ciclo Presión en el punto 4 del ciclo Presión en el punto 5 del ciclo Presión en el punto 6 del ciclo Presión en el punto 7 del ciclo Volumen en el punto 1 del ciclo Volumen en el punto 2 del ciclo Volumen en el punto 3 del ciclo Volumen en el punto 4 del ciclo Volumen en el punto 5 del ciclo Volumen en el punto 6 del ciclo Volumen en el punto 7 del ciclo Temperatura en el punto 1 del ciclo Temperatura en el punto 2 del ciclo Temperatura en el punto 3 del ciclo Temperatura en el punto 4 del ciclo Temperatura en el punto 5 del ciclo Temperatura en el punto 6 del ciclo Temperatura en el punto 7 del ciclo n = Revoluciones por Ciclo Relación de Compresión Relación del Largo de la Biela Constante Adiabática del Aire Constante Adiabática de los gases Poder Calorífico a Volumen Constante Constante de los Gases Ideales Presión Atmosférica = Presión Inicial Temperatura Atmosférica = Temperatura Inicial Porcentaje de Mezcla que escapa por la lumbrera de Escape Relación Estequiometrica Rendimiento de la Combustión Rendimiento Mecánico del Motor 179 SIMBOLO P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 n Rc RLB K K. Cv R Pi UNIDADES [Pa] [Pa] [Pa] [Pa] [Pa] [Pa] [Pa] [m3] [m3] [m3] [m3] [m3] [m3] [m3] [K] [K] [K] [K] [K] [K] [K] Ti [K] Z AF ηC ηm [J / Kg.K] [J / Kg.K] [Pa] Poder Calorífico de la mezcla combustible – aceite Volumen Desplazado Desplazamiento Diámetro Pistón Carrera Volumen Cámara de Combustión Radio de Giro de Cigüeñal Largo Biela Altura Lumbrea Escape Altura Lumbrea Transferencia Volumen Lumbrea Escape Volumen Lumbrea Transferencia Volumen Inicial Volumen Final Volumen Carter Volumen Pistón Volumen Biela Volumen Cigueñal Presión Final Temperatura Final Temperatura Real del Ciclo Masa de Combustible en el Ciclo Masa Real del Ciclo Masa Mezcla Masa de Combustible Masa Reciprocante Masa Rotativa Velocidad Angular Velocidad Puntual de cada ángulo de giro Velocidad Promedio Velocidad del Pistón Trabajo en la Expansión Trabajo en la Compresión Trabajo Neto Potencia Indicada Potencia al Freno Flujo Másico de Combustible Torque Real Consumo Especifico de Combustible al Freno Porción Lumbrera Descubierta QHV [J / Kg] VD D B S VCC a r hLe hLt VLe VLt Vi VF VCR VP VB VCS PF TF TREAL mmax MREAL mmezcla mf mR mr ω Up Up prom Vf WE WC WNETO Wi Wb mf τb [m3] [m3] [m] [m] [m3] [m] [m] [m] [m] [m3] [m3] [m3] [m3] [m3] [m3] [m3] [m3] [Pa] [K] [K] [Kg] [Kg] [Kg] [Kg] [Kg] [Kg] [w] [m/s] [m/s] [m/s] [J] [J] [J] [Watt] [Watt] [Kg/s] [Nm] BSFC [Kg/HP.s] .. m= 180 Gasto Exhaust Blowdown Geeb [Kg/s] Coeficiente de Descarga Área de referencia de las Lumbreras Masa que se pierde durante el escape (exhaust blowdown) Angulo Inicial de la Fase C D1 A [m2] meeb [Kg] θi θf Angulo Final de la Fase Masa Remanente Tiempo Total Scavenging mremanente [Kg] sc total [s] t Gasto de Fluido que sale por la lumbrera de Escape El tiempo remanente Gasto en el Scavenging Masa del Scavenging Ge1sc [Kg/s] t remanente [s] Gi SC [Kg/s] mi SC [Kg] Tiempo total del Exhaust Scavenging t Masa que se pierde por la lumbrera de tranferencia Gatos 2 Scavenging mi2 SE Total Masa dos que se pierde por la lumbrera de tranferencia Masa Atrapada en toda la etapa de Scavenging Gasto en Exhaust Scavenging Tiempo Exhaust Scavenging [s] [Kg] SC Ge2SC [Kg/s] mese2 [Kg] SC matrapada1 [Kg] Ge es [Kg/s] es Total [s] t Masa Exhaust Scavenging se e Masa Total Atrapada Fuerza inercial Presión que el gas ejerce sobre el pistón Presión que el gas ejerce sobre el pistón Viscosidad del aceite Fuerzas Generadas por el Pistón en el Eje x Fuerzas Generadas por el Pistón en el Eje y La velocidad instantánea del pistón. El espesor que existe entre la pared del cilindro y el pistón Área del Pistón. 181 m [Kg] mTotalAtrapada Pj Pgas Pgas µ [Kg] [N] [Pa] [N] [m2/s] Fx [N] Fy [N] d dy [m] AP [m2] Fuerzas De Empuje. Pc = Fuerzas Centrifuga Distancia al Contrapeso Primer Armonico Masa Contrapesas Ft Pc rDC C1 Mcw 182 [N] [N] [m] [Kg] ANEXO D PRUEBAS DE ENCENDIDO Una vez el motor se ensambló, se procedió a realizar las pruebas de encendido del mismo. Dichas pruebas comenzaron con la adaptación de un sistema manual de encendido tipo yoyo al volante trasero imantado. Este dispositivo daría sentido de giro al cigüeñal y así movería todo el sistema rotativo interno. Como siguiente paso se procedió a hacer la preparación de la mezcla aceite combustible. Esta mezcla se realizó en una proporción del 4% de aceite por la cantidad total de combustible. Anteriormente se había especificado otro porcentaje inferior del aceite en la mezcla. Este porcentaje se modificó en la prueba de encendido haciéndolo mayor ya que los motores en sus primeras arrancadas necesitan mayor lubricación mientras las piezas adquieren tolerancia para su funcionamiento normal. La prueba de encendido se realizó en dos sesiones. En la primera se notaron varia condiciones importantes: • La tolerancia alcanzada entre los procesos de construcción y ensamble para la bobina en relación a la ubicación del volante imantado no fue la ideal. Esto hizo que no generara el campo magnético adecuado y por eso 183 la chispa dentro de la cámara de combustión no fue suficiente para prender la mezcla que pudiese entrar en dicha cavidad. • Se producían escapes de aire en la unión entre el carter y el bloque. Esta fuga se hizo visible cuando se inyectó aire comprimido por la entrada del carburador. • Las válvulas encargadas de permitir el paso de mezcla del carburador al carter no cumplían su función, ya que al desensamblar el motor después de varios intentos de arranque, se noto que no había gran cantidad de mezcla dentro del carter. Esto su puede atribuir a varias condiciones: mala ubicación de dichas válvulas, selección incorrecta de las mismas, o poca succión. Para corregir estos inconvenientes, como primera medida se realizó un sellado en las partes que presentaban fuga. Para ver donde se presentaban estas fugas su volvió a poner aire inyectado por tas las hendiduras del motor. Se utilizó masilla epóxica y un sellante especial para metales sometidos a alta temperatura. Como uno de los problemas visualizados era el sistema de encendido, para la segunda sesión de pruebas se utilizó una caja excitadora conectada a la bujía con el fin de asegurar una chispa continua dentro de la cámara. En la segunda sesión se observó lo siguiente: 184 • En los primeros intentos se llenó el carter de combustible pero al conectar el carburador al reservorio de mezcla, este se rebosó y el combustible proveniente del tanque se salía por todas las hendiduras y desfogues del carburador. El motor estaba inundado. Tocó extraer el combustible de su interior y limpiar el carburador. • Como se había notado en la primera sesión que el combustible no era succionado correctamente hasta la cámara, se procedió a introducir un poco de mezcla directamente a la cámara de combustión. Esto se realizó por el orificio de la bujía con ésta removida. Cabe anotar que se observó que si había compresión dentro del bloque, porque por el orificio de la bujía, al taparlo manualmente, se percibía la succión. En esta etapa se produjo la primera detonación del motor. Esto demostró empíricamente que el motor producía compresión, combustión, y escape. 185 FECHA: 23 de Junio de 2008 NÚMERO DE RAE: PROGRAMA: INGENIERÍA AERONÁUTICA AUTOR(ES): ESCOBAR CALDERÓN, Daniel Alejandro MÓNICO MUÑOZ, Luisa Fernanda RODRÍGUEZ ARANGO, Mauricio SANDOVAL GARCÍA, Liliana TÍTULO METODOLOGÍA DE DISEÑO DE UN MOTOR A PISTÓN DE DOS TIEMPOS DE 10 HP PARA AERONAVES NO TRIPULADAS PALABRAS CLAVES Motor a pistón, admisión, compresión, barrido, escape, pistón, biela, lumbrera, camisa, bloque, cárter, cigüeñal, culata, dos tiempos. DESCRIPCIÓN Desarrollo del estudio de los componentes básicos de un motor a pistón y métodos matemáticos necesarios que simulen las características de operación esperadas del motor que funciona bajo el ciclo de dos tiempos, posterior realización del diseño de todos los componentes del motor y construcción de un prototipo. FUENTES BIBLIOGRÁFICAS Department of transportation, Federal Aviation Administration, flight standards service; Airframe and powerplant Mechanics, Powerplant handbook, AC 65 – 12; 1971; 492 p. HEYWOOD, John B. Internal Combustion Engine Fundamentals. Estados 186 Unidos de América: McGraw Hill, 1988.930 p. JÓVAJ, M.S.; Máslov, G.S.; Motores de automóvil: Teoría, cálculo y estructura de los motores de combustión interna; Editorial MIR Moscú, 1973, 534p. OBERT, Edward. Motores de combustión interna, análisis y aplicaciones. Compañía editorial continental S.A., 1966. 764 p. OÑATE, Antonio Esteban. Conocimientos del avión. ITES-Paraninfo, 1991. OÑATE, Antonio Esteban. Las aeronaves y sus materiales. Paraninfo, 1991. PULKRABEK, Willard W. Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engines. Estados Unidos de América: Prentice Hall, 1997. 411 p. <http://www.metalmecanica.com/pragma/documenta/mm/secciones> <www.sumiteccr.com/Aplicaciones/Articulos/pdfs/AISI%201518.pdf “Fundamentos de Protección Estructural Contra Incendios” del Ing. Mario E. Rosato, Editorial Centro de Estudios para Control del Fuego – Instituto Argentino de Seguridad. Disponible en: <http://www.anser.com.ar/chorro.htm> 187 NÚMERO DE RAE: PROGRAMA: INGENIERÍA AERONÁUTICA CONTENIDOS El objetivo principal de la investigación fue crear una metodología de diseño para motores a pistón de dos tiempos, partiendo de la necesidad de potencia de las aeronaves no tripuladas, que es aproximadamente de 10 Hp. Para realizarlo se plantearon los métodos matemáticos necesarios, basados en conocimientos teóricos, que simulan las características de operación esperadas del motor de dos tiempos en cuanto a requerimientos de potencia, torque y consumo de combustible. Así mismo se realizaron los análisis termicodinámicos, dinámicos y de selección de materiales necesarios. El desarrollo de la investigación se dio de la siguiente forma: CÁLCULOS TERMICODINAMICOS Como punto de partida para él diseño se toman los parámetros atmosféricos estándar al nivel del mar y los normales de funcionamiento en un motor que trabaje bajo el ciclo de dos tiempos, se asumieron datos iniciales como por ejemplo: el número de cilindros, revoluciones por ciclo, relación de compresión, relación estequiométrica aire-combustible. PARÁMETROS GEOMÉTRICOS Se definen los parámetros geométricos básicos para el dimensionamiento del motor, como la carrera, el volumen de la cámara de combustión, la altura de las lumbreras. PARÁMETROS TERMICODINÁMICOS Con estos datos se procede a calcular las presiones y temperaturas para los puntos del ciclo de funcionamiento del motor que opera bajo el ciclo de dos tiempos. CÁLCULO DE PARÁMETROS DE FUNCIONAMIENTO Se lleva a cabo el cálculo de las rpm’s y los cálculos básicos de desempeño (trabajo, potencia, torque, consumo) CÁLCULO DE PORCENTAJE DE MEZCLA QUE SE PIERDE DURANTE EL BARRIDO Se realiza el cálculo del porcentaje de mezcla que se pierde durante la etapa del ciclo en que ambas lumbreras se encuentran abiertas. Para realizar este cálculo, se divide el porcentaje de masa en tres partes: la masa que se pierde durante el ‘exhaust blowdown’, que es la fase en la cual se abre la lumbrera de escape; la 188 masa que se pierde durante el ‘scavenging’ que es la fase que transcurre desde que se abre la lumbrera de transferencia, hasta que se vuelve a cerrar y finalmente la masa que se pierde durante el ‘exhaust scavenging’ que es la fase que transcurre hasta que se cierra de nuevo la lumbrera de escape. PROCESO DE DISEÑO DE COMPONENTES Se lleva a cabo el proceso de diseño de todos los componentes del motor, partiendo de los parámetros termicodinámicos y geométricos obtenidos mediante los cálculos realizados. PROCESO DE CONSTRUCCIÓN Se reseña el proceso de construcción de cada componente hasta el ensamble final. 189 NÚMERO DE RAE: PROGRAMA: INGENIERÍA AERONÁUTICA METODOLOGÍA ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN El enfoque de la investigación es empírico-analítico, ya que el objetivo de este trabajo es netamente técnico, pues se realizaron unos cálculos de parámetros geométricos termicodinámicos y geométricos, los cuales dieron inicio a un diseño detallado y un posterior proceso de construcción para validar el diseño. LINEA DE INVESTIGACIÓN DE USB/ SUBLINEA DE FACULTAD/ CAMPO TEMÁTICO DEL PROGRAMA Línea de investigación de la institución: Tecnológicas actuales y sociedad. Sublínea de investigación de la facultad: Automatización y control de procesos. Campo temático del programa: Diseño y Construcción de Motores. CONCLUSIONES Partiendo de una necesidad de potencia, se llevaron a cabo unos cálculos termicodinámicos, geométricos y de operación, que incluían parámetros como RPM’s, torque, volumen, desplazamiento y demás datos necesarios para determinar las características del motor. Por medio de la utilización de un software se realizaron los cálculos se pudieron realizar una serie de iteraciones con el fin de determinar los mejores valores de los parámetros necesarios para proceder al diseño de los componentes del motor. Mientras mayor sea la relación de compresión y las rpm’s mayor será la potencia entregada por el motor. La posición y altura de las lumbreras fue difícil de calcular, ya que no se encuentra bibliografía al respecto, por lo tanto se recurrió a la experiencia de fabricantes y se sacó un factor de escala para determinar su ubicación. Según el cálculo del porcentaje de mezcla que se pierde para dos geometrías de lumbreras distintas, se escogió la lumbrera que menores pérdidas presentaba. 190 La temperatura de combustión registrada en los cálculos es la temperatura de la llama en el centro de ella en el instante de la ignición, mientras mayor sea esta, mayor potencia generará el motor, pero los materiales sufren mayor desgaste. No se debe utilizar disolvente para la limpieza del cárter, pues este daña las piezas de caucho de los rodamientos, adicionalmente los sellos de neopreno son los ideales para el cárter pues no se dañan en contacto con el combustible. El sello de asbesto es resistente al calor, por eso rodea la cámara de combustión. Entre mayor sea la calidad del material, más fácil será para trabajarlo, pues entre mejores propiedades tenga gracias a sus elementos aleantes, más fácil será maquinado. Esta metodología de diseño genera las bases para el desarrollo de la investigación de estos motores en la Universidad de San Buenaventura. 191