metodología de diseño de un motor a pistón de dos tiempos de 10

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.
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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.
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