estudio de los procesos de admision y formacion de la mezcla aire-combustible en un motor e.ch

UNIVERSIDAD NACIONAL DE

INGENIERIA

Facultad de Ingeniería Mecánica

LABORATORIO DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA

“ESTUDIO DE LOS PROCESOS DE ADMISION Y FORMACION DE

LA MEZCLA AIRE-COMBUSTIBLE EN UN MOTOR E.CH”

MN 136 “F”

Profesor: Dr. Guillermo Lira Cacho

Alumnos:

Casas Malca Martín 20081124A

Huamaní Tueros Humberto 20082555F

Loayza Silva Jhon 20082583J

Motores de Combustión Interna

2012 - I

ESTUDIO DE LOS PROCESOS DE ADMISION Y DE

FORMACION DE LA MEZCLA EN LOS MOTORES DE

ENCENDIDO POR CHISPA

FUNDAMENTO TEORICO

PROCESO DE ADMISION

Para realizar el ciclo de trabajo de un motor de combustion interna es preciso

expulsar del cilindro los gases residuales e ingresar en éste la carga fresca del aire o

mezcla aire-combustible. Los procesos de admisión y de escape están vinculados entre

sí y en función del número de tiempos del motor, así como también del procedimiento

de admisión. La cantidad suministrada de carga fresca depende de la calidad con que se

limpia el cilindro del motor. Es por eso que el proceso de admisión se analiza tomando

en cuenta el desarrollo del proceso de escape, estudiando todo el proceso de intercambio

gaseoso.

La disminución de la presión en el sistema de admisión y en el cilindro depende

del régimen de velocidad del motor, de las resistencias hidráulicas en todos los

elementos del sistema, del área de las secciones de paso por donde se desplaza la carga

fresca y de su densidad. Después de abrir la válvula de admisión, cuando la presión en el

cilindro resulte menor que la presión del medio ambiente en la magnitud Pa, empieza

la admisión de la carga fresca al cilindro; con al apertura de las válvulas de admisión.

La velocidad de movimiento de las válvulas al principio y al final de su

desplazamiento es pequeña. En consecuencia, el movimiento en el instante de apertura

de la válvula y en el momento de su acercamiento contra el asiento se efectúa

lentamente. En este instante las secciones de paso entre la cabeza y el asiento de la

válvula son pequeñas.

Para obtener mayor apertura de la sección de paso de las válvulas en el periodo

cuando la velocidad de movimiento del pistón es la maxima y se crean condiciones para

elevar la velocidad de entrada o de salida del gas, así como también para utilizar en lo

máximo los efectos que producen los procesos inerciales en los sistemas de admisión y


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escape sobre el barrido y llenado de los cilindros, se amplían las fases de la distribución

de los gases.

Parámetros de Proceso de Admisión.

La cantidad de carga fresca que ingresa en el proceso de admisión, es decir el

llenado del cilindro, depende de los siguientes factores:

1) La resistencia hidráulica en el sistema de admisión, que hace disminuir la presión de

la carga suministrada en la magnitud ∆p;

2) De la existencia de cierta cantidad Mr de productos quemados(gases residuales) en

el cilindro, que ocupan parte del volumen;

3) Del calentamiento de la carga por las superficies de las paredes del sistema de

admisión y del espacio interior del cilindro en la magnitud ∆T, como consecuencia

del cual disminuye la densidad de la carga introducida.

Presión en el cilindro en el periodo de llenado.

Durante la admisión de la mezcla carburante en el cilindro del motor de

carburador de cuatro tiempos se efectúa a la presión Pa =0,75 - 0,95 bar. La existencia

de resistencias en el sistema de admisión conduce a que la cantidad de carga fresca que

entra en el cilindro del motor, disminuye debido al decrecimiento de la densidad de la

carga. Cuando más grande es la resistencia de admisión, tanto menor será Pa.

En los motores con regulación preponderante cuantitativa (carburador, a gas ,

con inyección de combustible ligero y encendido por chispa) al disminuir la carga hay

que entornar la mariposa de gases, lo que conduce a un incremento de las resistencias.

Cantidad de gases residuales.

En el proceso de escape no se logra desalojar por completo del cilindro los

productos de combustión, ocupando éstos cierto volumen a presión Pr y temperatura

Tr. En el proceso de admisión los gases residuales se expanden y, mezclándose con la

carga fresca que ingresa, hacen disminuir el llenado del cilindro. La cantidad de gases

residuales depende del procedimiento empleado para limpiar el cilindro, así como de la


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posibilidad de barrido del cilindro por la carga fresca. La cantidad de gases residuales se

caracteriza por una magnitud relativa denominada coeficiente de gases residuales γr

γr = Mr/M1

Mr = Pr Vc/ Rv Tr ;

El coeficiente γr disminuye al aumenta la relación de compresión es así que en

los motores a gasolina el coeficiente γr es mayor que en los motores Diesel.

Temperatura de calentamiento de la carga.

La carga fresca durante su movimiento por el sistema de admisión y dentro del

cilindro entra en contacto con las paredes calientes, levantándose su temperatura en ∆T.

El grado de calentamiento de la carga depende de la velocidad de su movimiento, de la

duración de la admisión, así como de la diferencia de temperaturas entre las paredes y la

carga. Al aumentar la temperatura de la carga su densidad disminuye, por eso el

calentamiento especial del sistema de admisión en el motor de carburador es

conveniente sólo hasta cierto límite correspondiente al calor necesario para la

vaporización del combustible. El calentamiento excesivo influye negativamente sobre el

llenado del cilindro.

Coeficiente de Llenado o Eficiencia Volumétrica (nv).

El grado de perfección del proceso de admisión se evalúa por el coeficiente de

llenado o rendimiento volumétrico ηv que es la razón entre la cantidad de carga fresca

que se encuentra en el cilindro al inicio de la compresión real, es decir, al instante en

que se cierran los órganos del intercambio de gases, y aquella cantidad de carga fresca

que podría llenar la cilindrada en las condiciones de admisión. Las condiciones de

admisión para los motores de cuatro tiempos sin sobrealimentación son Pk = P0 y la

temperatura Tk = T0 del medio ambiente, para los motores sobrealimentados de dos y

cuatro tiempos, la presión Pk y la temperatura Tk después de compresor.

Factores que influyen sobre el coeficiente de llenado.

Sobre el valor del coeficiente de llenado influyen la presión y la temperatura al final de

la admisión, el calentamiento de la carga, el coeficiente de gases residuales, la


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temperatura y presión de los gases residuales y la relación de compresión, los

coeficientes de recarga y barrido.

Relación de Compresión. Si los demás parámetros se mantienen constantes, entonces

para mayores valores de , el coeficiente v aumenta. En realidad, al crecer varían

también otros parámetros; además influye sobre v la calidad del barrido de la cámara

de combustión. Siendo el barrido completo de la cámara con el aumento de el

coeficiente v disminuye. Sin embargo, al elevar , v puede tanto aumentar como

disminuir; esto muestra que la relación de compresión no influye prácticamente sobre

v.

Presión al final de la admisión. La presión Pa es la que ejerce la mayor influencia

sobre el v. La disminución de Pa depende de las resistencias en el sistema de

admisión varían proporcionalmente al cuadrado de la velocidad media de la carga.

Sobre al magnitud de la presión al de la admisión; influyen también el diseño del

colector de admisión, el acabado de las superficies internas de las paredes del sistema de

admisión, la posición de la mariposa de gases y el régimen de velocidad.

Al aumentar la velocidad de la carga, el coeficiente v disminuye, lo cual debe

tenerse en cuenta al diseñar el sistema de admisión cuando se requiere aumentar a la

velocidad de la carga.

Presión y temperatura en la entrada. La presión de la carga en la entrada ejerce cierta

influencia sobre la magnitud de v . Al aumentar Pk la magnitud de v se incrementa.

Con el aumento de la temperatura Tk, por efecto de la menor diferencia entre las

temperaturas de las paredes y del aire, la intensidad del intercambio de calor y la

magnitud T disminuyen, mientras que v crece. En los motores de carburador, siendo

la temperatura Tk elevada, mayor cantidad de calor, introducida con el aire, se gasta

también en el calentamiento y vaporización del combustible, así como para recalentar

sus vapores.

Presión de gases residuales. La presión Pr también influye sobre v. El aumento de la

presión Pr , manteniendo constante la temperatura Tr , corresponde a la presencia de

mayor cantidad de gases residuales en el cilindro. En este caso gran parte de la carrera


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del pistón desde el P.M.S. se gasta para la expansión de los gases residuales y la

admisión comienza más tarde, como consecuencia de lo cual el coeficiente v

disminuye.

La presión Pr ejerce veces menos influencia sobre v que la presión al final de

la admisión Pa. La presión Pr depende de las condiciones de organización del escape y

de la resistencia del conducto de escape. Lo mismo que en el sistema de admisión, la

resistencia del sistema de escape se proporcional al cuadrado de la velocidad de salida

de gas en la sección mínima de paso, y por tanto es proporcional al cuadrado de la

frecuencia de rotación del cigüeñal del motor.

Tomando en cuenta la menor influencia de Pr sobre v , en algunas estructuras

de motores disminuyen las secciones de paso de las válvulas de escape en cierta medida

aumentando respectivamente las secciones de paso de las válvulas de admisión,

obteniendo de esta manera el incremento de v.

Barrido. El coeficiente v puede elevarse mediante el barrido de la cámara de

combustión. El barrido en los motores de cuatro tiempos se realiza en el periodo de

traslapo de válvulas.

Calentamiento de la carga. El calentamiento de la carga influye notoriamente sobre v.

En los motores con carburador parte del calor introducido con el aire se gasta en calentar

y evaporar la gasolina. El incremento injustificado de calor conduce a una disminución

del coeficiente v y de la carga másica.

Llenado del motor a n = constante variando la carga. Al disminuir la carga del motor

de carburador y cerrar respectivamente la mariposa de gases, las perdidas hidráulicas se

incrementan, lo que conduce a la variación del carácter con que transcurre el proceso de

intercambio gaseoso. Al cerrar demasiado la mariposa de gases, el coeficiente de gases

residuales r crece. Debido a la menor temperatura de la superficie, a causa de disminuir

la carga, el calentamiento de la carga decrece un poco. Sin embargo la variación de T

es en este caso insignificante. Como resultado de la acción conjunta de estos factores, al

reducir la carga el coeficiente v también disminuye.


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Influencia de la variación de n sobre el llenado de los motores de cuatro tiempos.

Cuando el motor funciona cambiando la frecuencia de rotación y a máxima carga sobre

la calidad del llenado influyen la resistencia en el sistema de admisión, el calentamiento

de la carga y la presencia de gases residuales. Al mismo tiempo, ejercen gran influencia

las fases de distribución de los gases y los fenómenos ondulatorios que aparecen en los

sistemas de admisión y escape.

Cuando la frecuencia de rotación aumenta la resistencia del sistema crece

proporcionalmente al cuadrado de la misma,; el coeficiente de gases residuales aumenta

un poco. Como consecuencia de esto al incrementar la frecuencia de rotación, si no se

toma en consideración la influencia de las fases de distribución de gases y las fugas de

los gases a través de los anillos y si suponemos que 2=s=1 ,el coeficiente v debe

disminuir.

Mediante la apropiada elección de las fases de admisión y escape se logra

obtener las relaciones, correspondientes a las condiciones de explotación, entre la

cantidad de carga suministrada Gc y el rendimiento volumétrico v en función de n. Al

aumentar la frecuencia de rotación, v al principio crece y luego, después de alcanzar su

máximo valor, decrece.

Al disminuir la frecuencia de rotación, en comparación con su valor para el cual

v es el máximo, este coeficiente disminuye debido a que las fases elegidas no

corresponden al régimen dado de velocidad, así como a causa del escape parte de la

carga al final de la admisión (cuando el pistón se mueve desde el P.M.I. hacia el P.M.S)

retornando al sistema de admisión. Al aumentar a la frecuencia de rotación, en

comparación con el valor correspondiente al máximo v, el coeficiente v disminuye

como resultado del incremento de la resistencia en la admisión y de la influencia de

otros factores anteriormente mencionados.

Para los motores a carburador, al disminuir a la carga van cerrando la mariposa,

por lo tanto las resistencias en el sistema de admisión se incrementan y con el aumento

de n el coeficiente v disminuye bruscamente. A medida que se va cerrando la mariposa

de gases va creciendo la depresión en el espacio situado detrás de ella; la función v=

f(n), se convierte en hiperbólica.


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En cierta gama de frecuencias de rotación el coeficiente v puede elevarse

mediante una efectiva utilización de los fenómenos ondulatorios en los conductos de

escape y admisión.

Al funcionar en los regímenes nominales el coeficiente v varia entre los limites

de 0,75 - 0,85 en los motores de carburador.

PROCESO DE FORMACION DE LA MEZCA EN LOS MOTORES DE

ENCENDIDO POR CHISPA.

La formación de la mezcla aire-combustible en los motores de carburador, en

particular en los encendido por chispa, transcurre en el sistema de admisión y antecede

al encendido de la carga. Par obtener una formación homogénea de la mezcla aire -

combustible se necesario que la distribución de los vapores de combustible en el aire sea

uniforme, se decir, la relación entre el numero de las moléculas de combustible y el

numero de moléculas de oxigeno del aire que las rodean resulte igual en todo el

volumen de la cámara de combustión. Esta condición puede observarse si el

combustible y el aire conforman una mezcla carburante homogénea y además es

necesario que el combustible se evapore por completo.

El parámetro que influye en gran medida en el proceso de formación de la

mezcla en los motores de encendido por chispa es el coeficiente de exceso de aire.

Coeficiente de Excesos de aire.

En el motor e combustión interna la cantidad de aire realmente consumida puede

ser, en función del tipo de formación de la mezcla, de las condiciones de encendido y

combustión, así como del régimen de funcionamiento, mayor, igual o menor que la

necesaria teóricamente para la combustión completa.

La relación entre la cantidad real de aire que ingresa al cilindro el motor y la

cantidad de aire teóricamente necesaria para la combustión de 1 kg. de carburante, se

denomina coeficiente de exceso de aire, y se designa con la letra Gcxlo

Gar


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Siendo l0 la mezcla estequiométrica, el coeficiente de exceso de aire

si(insuficiencia de oxigenola mezcla se denomina rica,; cuando

(exceso de oxigeno), la mezcla se denomina pobre.

En los motores de gasolina con encendido de la mezcla homogénea por chispa y

con regulación combinada, cuando la mariposa de gases esta completamente abierta, la

mayor economicidad y el transcurso suficientemente estable del proceso de combustión

se logra siendo a= 1,1...1,3. La maxima potencia de estos motores se obtiene

enriqueciendo ligeramente la mezcla (= 0,85…0,90). Para alcanzar un trabajo estable

del motor a bajas cargas y en vacío se necesita un mayor enriquecimiento de mezcla. En

el caso de <1, debido a la insuficiencia de oxigeno, el combustible no se quema

totalmente, como consecuencia de lo cual durante la combustión el desprendimiento de

calor es incompleto y en los gases de escape aparecen los productos de la oxidación

incompleta (CO, H, CH4 y otros).


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EQUIPOS E INSTRUMENTOS.

1. Motor E.CH. acoplado a un generador de la marca Briggs & Stratton

Datos Del Motor

VH=570cm3

3600 rpm

18HP

Motor de 4 tiempos, 2 cilindros, disposición en V de 90º.

S=7cm, D=7.19cm

ε=8.2

Datos del Generador

Modelo 01775

Series BSP10000LE

Volts 120/240

Amps 83.3/41.7

Watts 10000

Phase 1

Herts 60

RPM 3600

2. Freno eléctrico

3. Voltímetro

4. Amperímetro

5. Cronómetro

6. Manómetro para medir la presión del aire.

7. Tacómetro.

8. Termómetros.


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DATOS OBTENIDOS

1º Prueba: Aumentando progresivamente la carga.

PUNTO RPM V(Volts) A(Ampers) t(Seg.) Δx(cm H2O) T0 (ºC) P0(mmHg)

1 3792 247 2.2 22.44 2.8 23 749.3

2 3790 248 4.6 15.05 3.2 22.7 749.2

3 3780 248 7 13.86 3.6 22.5 749.3

4 3763 248 9.5 13.76 4.1 22.6 749.3

5 3747 248 11.6 12.72 4.5 22.6 749.2

6 3736 247 13.9 12.52 5 22.8 749.3

7 3722 245 16.2 11.09 5.5 22.5 749.4

8 3697 243 18.5 10.98 6.1 22.5 749.4

9 3686 241 20.8 10.57 6.6 22.5 749.3

10 3675 240 23.1 10.47 7.2 22.3 749.2

11 3668 238 25.2 10.09 7.9 22.1 749.4

12 3643 235 27.4 9.54 8.6 21.9 749.3

2º Prueba: Disminuyendo progresivamente la carga.

PUNTO RPM V(Volts) A(Ampers) t(Seg.) Δx(cm H2O) T0(ºC) P0(mmHg)

12 3644 235 27.4 9.11 8.7 22.7 749.3

11 3670 238 25.35 9.68 8 22.3 749.2

10 3685 241 23.15 9.95 7.4 22.4 749.2

9 3708 243 20.9 10.59 6.8 22 749.2

8 3730 245 18.6 11.52 6.3 21.9 749.2

7 3745 247 16.3 11.52 5.7 21.7 749.2

6 3760 248 14 12.57 5.2 21.9 749.3

5 3773 249 11.7 12.96 4.7 22.2 749.3

4 3780 250 9.5 13.18 4.1 22.9 749.3

3 3790 250 7.1 14.84 3.6 22.7 749.2

2 3800 249 4.7 15.41 3.1 22.7 749.3

1 3800 248 2.3 16.7 2.6 22.6 749.3


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CALCULOS Y RESULTADOS

Flujo másico de combustible Gc

Gc=ρcom*Vcom/t [kg/h]

ρcom=0.70 kg/l

Vcom=10ml

Gc=25.2/t [kg/h]

ge=Gc*10^3/Nelect [g/kW.h]

nsenoSgAChkgG OHaire

n

iida 22)(/

1

,

Donde:

Cd =0,98 (toberas)

Ai: Area de la tobera, en m2

S : Lectura del manómetro inclinado, en m

g=9,81m/s2

: Angulo de inclinación del manómetro. (ϴ=30º)

aire : Densidad del aire atmosférico (1.18kg/m3)

OH2 =1.000 kg/m

3

A=π/4*d2

d=diámetro de la tobera=2cm

A=π/10000 m2

ΔS=Δx*1.26

ηv=Ga[kg/h]/VH*30*n*ρ0

Peléctrica=Nelect=V*I

ra/c=Ga/Gc

α=ra/c/l0

l0=14.7 kgaire/kgcombustible


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Resultados de la 1º Prueba

Pelectrica(kW) Gc(kg/h) ge(g/kW.h) Ga(kg/h) r a/c α nv

0.5434 1.12299 2066.60 23.5931 21.0090 1.42919 0.30834

1.1408 1.6744 1467.75 25.2087 15.0552 1.0241 0.32963

1.736 1.81818 1047.33 26.6674 14.667 0.99776 0.34963

2.356 1.83139 777.332 28.3311 15.4696 1.05236 0.3731

2.8768 1.98113 688.658 29.5547 14.9181 1.01483 0.39090

3.4333 2.01277 586.252 31.0620 15.4323 1.04982 0.41204

3.969 2.2723 572.516 32.4560 14.2832 0.97164 0.43215

4.4955 2.29508 510.528 33.9509 14.7929 1.00632 0.45511

5.0128 2.38410 475.603 35.2099 14.7686 1.00466 0.47340

5.544 2.40687 434.140 36.6658 15.2337 1.03631 0.49445

5.9976 2.4975 416.420 38.3336 15.3486 1.0441 0.51793

6.439 2.64150 410.235 39.7233 15.0381 1.02300 0.54039

Potencia eléctrica Vs. ge Vs. Gc


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Potencia eléctrica Vs. Ga Vs. Gc

Potencia eléctrica Vs. α Vs. ηv


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Resultados de la 2º Prueba

Peléctrica (kW) Gc(kg/h) ge(g/kW.h) Ga(kg/h) r a/c α nv

6.439 2.766 429.599 39.9646 14.447 0.9828 0.543524

6.0333 2.60330 431.489 38.596 14.8259 1.00857 0.521200

5.57915 2.53266 453.951 37.2727 14.7168 1.00114 0.501274

5.0787 2.3796 468.545 35.9527 15.1087 1.02780 0.480522

4.557 2.1875 480.030 34.8110 15.9136 1.0825 0.462519

4.0261 2.1875 543.329 33.2450 15.1977 1.03385 0.43994

3.472 2.00477 577.411 31.8806 15.9023 1.08179 0.42020

2.9133 1.94444 667.43 30.4139 15.6414 1.06404 0.399492

2.375 1.91198 805.04 28.4591 14.8845 1.0125 0.3731

1.775 1.69811 956.683 26.737 15.7456 1.0711 0.34963

1.1703 1.63530 1397.33 24.8772 15.2126 1.03487 0.324444

0.5704 1.50898 2645.48 22.7828 15.0981 1.02708 0.297129

Potencia eléctrica Vs. ge Vs. Gc


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Potencia eléctrica Vs. Ga Vs. Gc

Potencia eléctrica Vs. α Vs. ηv


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ANEXOS

SISTEMA DE ENCENDIDO.

En el el motor de pistón transforma la energía contenida en el combustible en energía

mecánica, gracias a la explosión violenta de la mezcla de aire-combustible en los

cilindros. Esta explosión, se produce gracias a una chispa que salta en las bujías en el

momento adecuado (ciclo de explosión). La función del sistema de encendido consiste

en generar la energía que hace saltar esa chispa.

Los sistemas de encendido se clasifican en sistemas de magneto y sistemas de batería y

bobina. El encendido por magneto suele ser utilizado en motores aeronáuticos mientras

que el encendido por batería y bobina es clásico en motores de automóvil, aunque en

estos últimos está siendo desplazado por el encendido electrónico.

Aunque el funcionamiento de ambos sistemas es similar en sus principios básicos, la

magneto es autosuficiente y requiere solo de las bujías y los cables conductores mientras

que el sistema de batería y bobina requiere además otros componentes.

En la mayoría de los motores de los aviones se utiliza el sistema de encendido por

magnetos, debido a que:

Este sistema es autónomo, es decir no depende de ninguna fuente externa de

energía, tal como el sistema eléctrico (batería, generador...). Esta autonomía

posibilita que aunque el sistema eléctrico del avión sufra alguna avería en vuelo,

el motor funcione con normalidad pues las magnetos continúan proveyendo la

energía necesaria para la ignición.

Las magnetos generan una chispa más caliente a mayores velocidades del motor

que la generada por el sistema de batería y bobina de los automóviles.

El sistema de encendido de los motores aeronáuticos se compone de magnetos, bujías, y

los cables de conexión entre estos elementos. De forma simplificada el funcionamiento

del sistema es como sigue: las magnetos generan una corriente eléctrica, la cual es

encaminada a las bujías adecuadas a través de los cables de conexión. Como es

comprensible, el conjunto funciona de forma sincronizada con los movimientos del

cigüeñal para hacer saltar la chispa en el cilindro correspondiente (el que está en la fase

de combustión) y en el momento adecuado.

Magnetos.

Una magneto es un generador de corriente diseñado para generar un voltaje suficiente

para hacer saltar una chispa en las bujías, y así provocar la ignición de los gases

comprimidos en un motor de combustión interna.

Una magneto está compuesta de un rotor imantado, una armadura con un arrollamiento

primario compuesto de unas pocas vueltas de hilo de cobre grueso y un arrollamiento

secundario con un amplio número de vueltas de hilo fino, un ruptor de circuito y un

capacitador.

Cuando el rotor magnético, accionado por el movimiento del motor, gira, induce en el

primario una corriente que carga el capacitador; el ruptor interrumpe el circuito del

primario cuando la corriente inducida alcanza su máximo valor, y el campo magnético

alrededor del primario colapsa. El capacitador descarga la corriente almacenada en el

http://www.manualvuelo.com/SIF/SIF34.html


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primario induciendo un campo magnético inverso. Este colapso y la reversión del campo

magnético produce una corriente de alto voltaje en el secundario que es distribuido a las

bujías para la ignición de la mezcla.


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BIBLIOGRAFÍA.

Motores de Automóvil, JOVAJ, Editorial MIR, Moscú 1982.

Manual del Automóvil, ARIAS PAZ Editorial Dossat, Madrid 2001.

http://es.scribd.com/doc/60213279/arbol-de-levas




estudio de los procesos de admision y formacion de la mezcla aire-combustible en un motor e.ch

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